高壓天然氣調(diào)壓工藝?yán)淠芫C合利用技術(shù)研究

摘 要

摘要：高壓管輸天然氣在供入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)前，需經(jīng)門站調(diào)壓，產(chǎn)生大量工藝?yán)淠?。分析了調(diào)壓工藝?yán)淠艿目捎眯约袄梅绞?，提出了工藝?yán)淠芴菁?jí)利用的方法策略和集成模型，工藝?yán)淠芫C合利
摘要：高壓管輸天然氣在供入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)前，需經(jīng)門站調(diào)壓，產(chǎn)生大量工藝?yán)淠堋７治隽苏{(diào)壓工藝?yán)淠艿目捎眯约袄梅绞?，提出了工藝?yán)淠芴菁?jí)利用的方法策略和集成模型，工藝?yán)淠芫C合利用的實(shí)施條件和解決措施。
關(guān)鍵詞：天然氣調(diào)壓；工藝?yán)淠?；綜合利用；冷能發(fā)電；空氣分離
Technical Research on Comprehensive Utilization of Technology Cold Energy from Pressure Regulation of High-pressure Natural Gas
ZHENG Zhi，WANG Shu-li，XU Xiao-rui，HAN Yong-jia，HUANG Tao-tao
Abstract：High-pressure piped natural gas has to be decompressed at city gate station before entering into urban gas network，and a large amount of technology cold energy is generated. The usability and utilization mode of technology cold energy from pressure regulation are analyzed. The strategies and an integrated model for cascade utilization of technology cold energy，the implementation condition and solutions for comprehensive utilization of technology cold energy are proposed.
Key words：natural gas pressure regulation；technology cold energy；comprehensive utilization；cold energy power generation；air separation
天然氣是當(dāng)前世界上綜合品質(zhì)最高、應(yīng)用最廣的工業(yè)與民用燃?xì)狻Ｗ?0世紀(jì)80年代以來，我天然氣的探明儲(chǔ)量和產(chǎn)量持續(xù)快速增長[1、2]。以氣東輸二線的啟動(dòng)為標(biāo)志，我國天然氣管網(wǎng)進(jìn)入速發(fā)展階段，并將呈現(xiàn)西氣東輸、北氣南下、海氣岸、就近供應(yīng)的特點(diǎn)[3]。預(yù)計(jì)到2010年，我國天氣輸氣管網(wǎng)總長度將達(dá)到4×104km，且呈大口徑、高壓力發(fā)展趨勢(shì)[4]。高壓輸氣管網(wǎng)中蘊(yùn)藏著巨的壓力能，利用透平膨脹機(jī)、氣波制冷機(jī)、渦流管裝置可以回收這部分能量，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電、冷能等形式，對(duì)于加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，具有重要的意義[5～7]。
1 調(diào)壓工藝?yán)淠艿目捎眯苑治?/span>
高壓天然氣經(jīng)城市門站調(diào)壓后方可進(jìn)入城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)[8、9]。調(diào)壓過程中，天然氣壓力降低，體積膨脹并對(duì)外做功，同時(shí)溫度降低，產(chǎn)生工藝?yán)淠?。若將天然氣視作理想氣體，膨脹過程熵增的關(guān)系式可表示為：
 
式中△S1-2——氣體膨脹過程的熵增，J/(mol·K)
    cp——比定壓熱容，J/(mol·K)
    T2——膨脹后的氣體溫度，K
    T1——膨脹前的氣體溫度，K
    R——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)
    p2——氣體膨脹后的絕對(duì)壓力，MPa
    p1——氣體膨脹前的絕對(duì)壓力，MPa
    等熵膨脹過程中△S1-2=0，則膨脹后的氣體溫度為：
   
    當(dāng)p2一定時(shí)，T2主要受p1和T1的影響。假設(shè)天然氣全由甲烷構(gòu)成。25.0℃的高壓甲烷氣體等熵膨脹至0.5MPa，當(dāng)高壓甲烷氣體壓力即進(jìn)氣壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，膨脹制冷溫度的變化情況見圖1[10]。
 

    p1越高，膨脹制冷溫度就越低。當(dāng)高壓甲烷的壓力為4.0MPa時(shí)，等熵膨脹可獲得-77.6℃的低溫。通過預(yù)冷進(jìn)氣、逐級(jí)膨脹，可以獲得溫度更低、品位更高的冷能。當(dāng)進(jìn)氣被預(yù)冷到-5℃時(shí)，壓力由4.0MPa降為0.5MPa能得到-100.7℃的低溫；當(dāng)進(jìn)氣被預(yù)冷到-20℃時(shí)，可得到-112.3℃的深冷低溫。
2 調(diào)壓工藝?yán)淠艿睦梅绞?/span>
    調(diào)壓工藝?yán)淠艿睦每煞譃橹苯雍烷g接兩種方式[11、12]。其中，直接利用包括發(fā)電、低溫空分、液化二氧化碳、輕烴回收、海水淡化、空調(diào)制冷、冷凍倉庫、低溫養(yǎng)殖、栽培等；間接利用包括用空分后得到的液氮、液氧、液氬來進(jìn)行低溫粉碎、冷凍干燥、低溫干燥、水和污染物處理、冷凍食品等。
2.1 冷能發(fā)電
    以電能的形式回收天然氣調(diào)壓工藝?yán)淠埽瑢儆趯?duì)冷能的直接利用。將膨脹制冷的低溫天然氣作為冷凝液，經(jīng)冷凝器把冷量傳遞到冷介質(zhì)上，利用低溫天然氣與環(huán)境之間的溫差，推動(dòng)冷介質(zhì)進(jìn)行蒸氣動(dòng)力循環(huán)，從而對(duì)外做功。要有效利用調(diào)壓工藝?yán)淠?，冷介質(zhì)的選擇非常重要。
2.2 空氣分離
    空分設(shè)備的能耗較高，約占空分產(chǎn)品成本的70%～80%。在常規(guī)空分裝置中的主冷卻器、廢氮循環(huán)冷卻器、后冷卻器以及空壓機(jī)中間冷卻器等換熱裝置中引入天然氣調(diào)壓工藝?yán)淠?，可以有效降低空分的單位能耗，減少空氣壓縮中間冷卻的用水環(huán)節(jié)，提高空分產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。
2.3 液態(tài)二氧化碳和干冰的制備
    傳統(tǒng)工藝是將二氧化碳?jí)嚎s至2.5～3.0MPa.再利用制冷設(shè)備冷卻和液化。利用天然氣調(diào)壓過程產(chǎn)生的工藝?yán)淠?，很容易獲得冷卻和液化二氧化碳所需的低溫，從而將液化裝置的工作壓力降至0.9MPa左右。制冷設(shè)備的負(fù)荷較傳統(tǒng)工藝大為減少，電耗也大幅降低，使干冰消費(fèi)量的進(jìn)一步擴(kuò)大成為可能。
2.4 低溫粉碎
    若用常溫方法粉碎處理，一方面需要很大的能量，另一方面粉碎處理后的材料難以分離。低溫粉碎技術(shù)利用物料在低溫狀態(tài)下的脆化特性，達(dá)到一定溫度后，用很小的力就能將其粉[7]。對(duì)于許多在常溫下難以粉碎或難以保證粉碎品質(zhì)的物質(zhì)，低溫法具有很大的優(yōu)勢(shì)和效益。高壓天然氣膨脹制冷不需要消耗外部能量，費(fèi)用較壓縮制冷低，且城市燃?xì)庑枨罅看螅瑸榈蜏胤鬯樘峁┝素S富而價(jià)廉的冷能。
2.5 冷凍倉庫
    傳統(tǒng)冷庫采用多級(jí)壓縮制冷裝置以維持冷庫的低溫，耗電量很大。將天然氣調(diào)壓工藝?yán)淠茏鳛槔鋷斓睦湓矗梢院喕评湎到y(tǒng)，極大地降低電耗。為了有效利用調(diào)壓工藝?yán)淠?，可將食品凍結(jié)及加工裝置、冷凍庫、冷藏庫及預(yù)冷裝置等，按不同的溫度帶組成一個(gè)工藝鏈，根據(jù)低溫天然氣溫度帶的差異，用不同的載冷劑與之進(jìn)行熱交換后，分別送入低溫凍結(jié)庫或低溫凍結(jié)裝置(-60℃)、冷凍庫(-35℃)、冷藏庫(0℃以下)以及果蔬預(yù)冷庫(0～10℃)。
2.6 其他利用方式
    調(diào)壓工藝?yán)淠苓€可用于空調(diào)制冷、儲(chǔ)冷和電力調(diào)峰、燃?xì)庹{(diào)峰和輕烴回收[13]、預(yù)冷空壓機(jī)進(jìn)氣、吸收蒸汽輪機(jī)排氣熱量[14]。
3 調(diào)壓工藝?yán)淠艿木C合利用
3.1 綜合利用的意義
    冷能的利用不僅要看其能量回收的數(shù)量，還要注意冷能的品位。目前冷能的單項(xiàng)利用技術(shù)主要包括空氣分離、干冰制造、低溫粉碎、冷庫、冷能發(fā)電、人造冰雪等[15、16]。這些項(xiàng)目所需冷能的品位各不相同，分散單項(xiàng)利用，導(dǎo)致過程損過大，從能量有效利用的角度來看不合理。因此，探索調(diào)壓工藝?yán)淠艿木C合利用，減少損失尤為重要。
3.2 綜合利用的方法和策略
   根據(jù)溫度對(duì)口、梯級(jí)利用、造價(jià)及損總費(fèi)用最小化的冷能綜合利用原則，按照冷能可用性及用戶特性分析，確定在不同溫位下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的傳熱溫差。在保證必要的傳熱溫差情況下，按照深冷、中冷、次中冷和淺冷4個(gè)冷量利用溫度帶，考慮各級(jí)用戶冷量需求的不同特點(diǎn)，建立調(diào)壓工藝?yán)淠馨礈囟忍菁?jí)綜合利用的理論最優(yōu)化方案。深冷利用部分包括空分裝置等，中冷利用部分包括干冰制備、人造冰雪裝置及橡膠低溫粉碎裝置等，次中冷利用部分主要是冷庫裝置，淺冷部分主要用于發(fā)電、空調(diào)冷水系統(tǒng)等。最后建立冷能綜合利用集成模型。
3.3 綜合利用的工藝
應(yīng)充分認(rèn)識(shí)調(diào)壓工藝?yán)淠艿馁|(zhì)、量特征，實(shí)現(xiàn)可用工藝?yán)淠芘c用戶所需冷能在質(zhì)、量上的較好匹配，避免不必要的低溫高用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大效率。據(jù)此，建立了調(diào)壓工藝?yán)淠芫C合利用的集成模型，見圖2。
 

   工藝流程主要包括高壓天然氣預(yù)冷、膨脹機(jī)調(diào)壓制冷、冷能梯級(jí)利用3個(gè)部分。上游高壓來氣被分為a、b兩股。a股經(jīng)氣波制冷機(jī)膨脹制冷，形成低溫低壓天然氣；b股經(jīng)脫水處理，與低溫低壓天然氣進(jìn)行熱交換。高壓天然氣獲得冷量，溫度降低，與此同時(shí)低溫低壓天然氣被加熱到0℃以上。預(yù)冷后的高壓天然氣經(jīng)氣波制冷機(jī)膨脹至較低壓力(穩(wěn)壓、冷卻)，然后進(jìn)入透平膨脹機(jī)中將壓力降至要求范圍。降壓過程中，氣體對(duì)外做功，驅(qū)動(dòng)同軸發(fā)電機(jī)輸出電能，同時(shí)自身溫度進(jìn)一步降低，產(chǎn)生深冷的低壓天然氣。生成的冷能按用冷溫度和流量的不同，分別用于：低溫粉碎(-130～-80℃)，冷庫(-42～-15℃)；空氣分離(-191～-150℃)，干冰制備(-78℃)，冷能發(fā)電(-40℃)；人造雪球(-60～-10℃)。最后經(jīng)空調(diào)冷水系統(tǒng)(-5～10℃)，將天然氣復(fù)熱到管輸溫度。
3.4 綜合利用的實(shí)施條件和解決措施
    具體冷能利用項(xiàng)目的選擇和實(shí)施，需要明確天然氣城市門站和冷能用戶之間的制約和限制條件，以及冷能用戶的可操作性和經(jīng)濟(jì)性問題。工程技術(shù)的關(guān)鍵是高壓天然氣進(jìn)入城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)操作與各個(gè)冷能利用過程在空間和時(shí)間上的不同步。城市燃?xì)庳?fù)荷受上游氣源、時(shí)段、季節(jié)、氣候等的影響，波動(dòng)量比較大，造成調(diào)壓釋放的冷能隨之波動(dòng)。而空分、低溫粉碎等冷能用戶所需冷能負(fù)荷的時(shí)間特性顯然與之不同。在空間上，上述冷能利用產(chǎn)業(yè)群的占地面積加起來，顯然比天然氣門站大得多，絕不可能建在天然氣門站內(nèi)，但又不能相距太遠(yuǎn)，因?yàn)榈蜏乩淞康慕?jīng)濟(jì)輸送距離只能在1～3km。欲解決冷能利用時(shí)空不同步的矛盾，可行的措施有：
    ① 選擇適宜的冷介質(zhì)循環(huán)和高效率的熱交換設(shè)備。在低溫端，載冷劑多選擇乙烷、丙烷、丁烷或其混合物；在高溫端，載冷劑可選擇不同濃度的乙二醇水溶液或氨水。換熱器結(jié)構(gòu)宜采用板翅式或管殼式。
    ② 設(shè)置蓄冷裝置，利用相變物質(zhì)的潛熱，在冷能充裕時(shí)，吸收冷能而凝固，在冷能供應(yīng)不足時(shí)，熔化并釋放冷能。
    ③ 根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、?jīng)濟(jì)以及用戶用冷溫度分布的具體條件，求得技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的輸送距離；采用最新的保冷材料和技術(shù)，減少長距離輸送造成的冷損。
4 結(jié)語
    隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正逐漸發(fā)生改變，對(duì)天然氣等清潔能源的需求將持續(xù)增長。高壓天然氣調(diào)壓過程中潛在的冷能資源非?？捎^，對(duì)其進(jìn)行回收利用，可以收到良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
    合理的工藝技術(shù)方案是高壓天然氣調(diào)壓過程工藝?yán)淠芾酶?jìng)爭(zhēng)力的核心因素。和常規(guī)的生產(chǎn)工藝技術(shù)相比較，冷能利用需要開發(fā)相應(yīng)的新工藝技術(shù)，或者在現(xiàn)有的工藝技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，屬于新型產(chǎn)業(yè)。目前在科研成果轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒こ袒默F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力方面仍需進(jìn)一步開發(fā)，積極探索冷能利用的建設(shè)、運(yùn)營模式，實(shí)現(xiàn)集成優(yōu)化，形成循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 李景明，李東旭，李小軍.“中國石油”天然氣勘探開發(fā)形勢(shì)與展望[J].天然氣工業(yè)，2007，27(2)：1-5.
[2] 蔡希源.中國石化油氣勘探回顧與展望[J].石油與天然氣地質(zhì)，2006，27(6)：715-721.
[3] 李世榮，宋艾玲，張樹軍.我國油氣管道現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].油氣田地面工程，2006，25(6)：7-8.
[4] 潘家華.我國天然氣管道工業(yè)的發(fā)展前景[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25(8)：1-3.
[5] 陳紹凱，李自力，雷思羅，等.高壓天然氣壓力能的回收利用技術(shù)[J].煤氣與熱力，2008，28(4)：1-5、10.
[6] 鄭志，王樹立，王婷，等.天然氣輸配過程流體壓力能回收技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].天然氣與石油，2009，27(1)：11-15.
[7] 申安云，熊永強(qiáng).天然氣管網(wǎng)壓力能利用工藝的分析[J].煤氣與熱力，2008，28(11)：B01-B05.
[8] 王樹立，趙會(huì)軍.輸氣管道設(shè)計(jì)與管理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.
[9] 張鴻鵬，李顏強(qiáng).門站調(diào)壓節(jié)流引起管道低溫的分析[J].煤氣與熱力，2009，29(1)：B01-B04.
[10] 熊永強(qiáng)，華賁，羅東曉，等.天然氣管網(wǎng)壓力能用于廢舊橡膠粉碎的制冷裝置[J].現(xiàn)代化工，2007，27(1)：49-52.
[11] 毛文軍.冷能在天然氣產(chǎn)業(yè)中循環(huán)利用的思路[J].天然氣工業(yè)，2008，28(5)：118-119.
[12] 鄭志，王樹立，石清樹，等.城市天然氣門站調(diào)壓過程中工藝?yán)淠艿幕厥绽肹J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，5(4)：162-164.
[13] 熊永強(qiáng)，華賁，羅東曉.用于燃?xì)庹{(diào)峰和輕烴回收的管道天然氣液化流程[J].天然氣工業(yè)，2006，26(5)：130-132.
[14] 王松嶺，論立勇，謝英柏，等.基于天然氣管網(wǎng)壓力能回收的聯(lián)合循環(huán)構(gòu)思[J].熱能動(dòng)力工程，2005，20(6)：628-631.
[15] 高文學(xué)，王啟，項(xiàng)友謙.LNG冷能利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].煤氣與熱力，2007，27(9)：15-20.
[16] 江克忠，楊學(xué)軍，劉成，等.LNG冷能綜合利用研究[J].低溫與特氣，2008，26(2)：1-5.
 
(本文作者：鄭志1 王樹立2 徐曉瑞1 韓永嘉1 黃濤濤3 1.江蘇工業(yè)學(xué)院江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇常州 213016；2.江蘇工業(yè)學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院 江蘇常州 213016；3.漳州安然燃?xì)庥邢薰?福建漳州 363000)