天然氣管網(wǎng)壓力能利用與水合物聯(lián)合調(diào)峰研究

摘 要

摘要：比較了7種天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了利用高壓天然氣管網(wǎng)壓力能制冷與水合物儲(chǔ)氣調(diào)峰工藝流程。模擬結(jié)果表明，該工藝流程具有良好的節(jié)能效果和儲(chǔ)氣調(diào)峰功能。關(guān)鍵
摘要：比較了7種天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了利用高壓天然氣管網(wǎng)壓力能制冷與水合物儲(chǔ)氣調(diào)峰工藝流程。模擬結(jié)果表明，該工藝流程具有良好的節(jié)能效果和儲(chǔ)氣調(diào)峰功能。
關(guān)鍵詞：天然氣壓力能；制冷；水合物；儲(chǔ)氣調(diào)峰
Study on Utilization of Pressure Energy from Natural Gas Network and Combined Peak-shaving with Hydrate
CHEN Qiu-xiong，XU Wen-dong
Abstract：The advantages and disadvantages of seven natural gas storage peak-shaving modes are compared. The technological process of refrigeration by pressure energy from high-pressure natural gas network and the gas storage peak-shaving with hydrate is put forward. The simulation results show that this technological process has excellent energy saving effect and gas storage peak-shaving function.
Key words：natural gas pressure energy；refrigeration；hydrate；gas storage peak-shaving
1 概述
天然氣是高效清潔能源，從20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)天然氣探明儲(chǔ)量和產(chǎn)量持續(xù)快速增長(zhǎng)。隨著西氣東輸、忠武線、澀寧蘭線、陜京一線和陜京二線等輸氣管道的建成投產(chǎn)，川氣東送工程開工建設(shè)，以及西氣東輸二線等項(xiàng)目工作的深入開展，一個(gè)覆蓋全國(guó)的天然氣管網(wǎng)正在逐步形成，管道沿線各城市也紛紛轉(zhuǎn)為使用天然氣[1]。
城市天然氣輸配系統(tǒng)中，各類用戶的燃?xì)庑枨罅渴遣粩嘧兓模视脷夤r是不均勻的。而天然氣長(zhǎng)輸管道給每個(gè)城市的天然氣的供應(yīng)量是相對(duì)均勻的，不可能完全按照用氣量的變化而隨時(shí)變化。為保證燃?xì)獍踩?、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、連續(xù)地輸送到各個(gè)用戶，必須考慮天然氣的供需平衡，即城市燃?xì)鈨?chǔ)氣與調(diào)峰問題。
城市輸配系統(tǒng)的總儲(chǔ)氣量要求可參照表1。
表1 儲(chǔ)氣量占計(jì)算月平均日供氣量的比例
民用氣量占計(jì)算月平均日供氣量的比例/%
儲(chǔ)氣量占計(jì)算月平均日供氣量的比例/%
50
40～50
＜40
30～40
＞60
50～60
    目前，國(guó)內(nèi)外解決城市天然氣調(diào)峰問題采用的主要儲(chǔ)氣方式有儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣、輸氣管道末段儲(chǔ)氣、輸配管網(wǎng)儲(chǔ)氣、地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣、高壓儲(chǔ)氣管束儲(chǔ)氣、液化天然氣等[2、3]，不同類型的天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰方式比較見表2[4～6]。
    現(xiàn)有調(diào)峰方式盡管有著各種作用及優(yōu)勢(shì)，但仍存在經(jīng)濟(jì)或技術(shù)問題。因此，需要尋找新的調(diào)峰方式，而利用天然氣高壓輸送的特點(diǎn)具有可能性。
采用高壓輸氣可以減小輸送管道管徑、節(jié)省管材和施工費(fèi)用，故當(dāng)前世界上天然氣的長(zhǎng)輸管道均采用高壓輸送[7、8]。高壓天然氣需要在各地的天然氣門站或調(diào)壓站根據(jù)用戶的供氣壓力要求進(jìn)行調(diào)壓，調(diào)壓是一個(gè)降壓過程，會(huì)浪費(fèi)大量的壓力能。日本通過利用天然氣壓差發(fā)電來回收管網(wǎng)的壓力能[9、10]。而在國(guó)內(nèi)，這部分寶貴的壓力能在門站的節(jié)流調(diào)壓過程中被白白浪費(fèi)了[11]。壓力能不但浪費(fèi)了，而且還可能對(duì)下游管道造成一定的冷破壞。如果能回收利用該部分壓力能，則可以提高能源利用率和天然氣管網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以消除降壓過程對(duì)設(shè)備損傷的隱患[12]。為此，筆者提出一種天然氣管網(wǎng)壓力能制冷與水合物集成利用技術(shù)，利用天然氣壓力能制冷生產(chǎn)天然氣水合物，同時(shí)把水合物氣化冷量用于空調(diào)、冷庫(kù)，實(shí)現(xiàn)城市天然氣管網(wǎng)的調(diào)峰功能，大幅度提高能量的利用效率[13]。
表2 不同類型的天然氣儲(chǔ)氣調(diào)峰方式比較[4～6]
儲(chǔ)存方式
天然氣狀態(tài)
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
用途
儲(chǔ)氣罐
氣態(tài)，常溫，低壓或高壓
建造簡(jiǎn)單
儲(chǔ)氣量小，占地面積大，經(jīng)濟(jì)效益低，對(duì)安全性要求高
日、時(shí)調(diào)峰
輸氣管道末
段
氣態(tài)，常溫，高壓
調(diào)節(jié)靈活
儲(chǔ)氣量小，調(diào)節(jié)范圍小
日、時(shí)調(diào)峰
輸配管網(wǎng)
氣態(tài)，常溫，高壓
儲(chǔ)氣量較大
管網(wǎng)計(jì)算復(fù)雜，壓力等級(jí)多，調(diào)節(jié)難度大
日、時(shí)調(diào)峰
地下儲(chǔ)氣庫(kù)
氣態(tài)，常溫，高壓
儲(chǔ)氣量大，占地面積小，安全可靠性高
要求合適的地質(zhì)構(gòu)造，造價(jià)高，建設(shè)期長(zhǎng)
季節(jié)性調(diào)峰，事故儲(chǔ)備，戰(zhàn)略儲(chǔ)備
高壓管束
氣態(tài)，常溫，高壓
壓力較高，節(jié)約空間
造價(jià)高，調(diào)節(jié)范圍小
日、時(shí)調(diào)峰
液化天然氣(LNG)
液態(tài)，低溫，低壓
儲(chǔ)氣量大
鋼材用量大，造價(jià)高，能耗高
適用于沿海地區(qū)，應(yīng)急，調(diào)峰和戰(zhàn)略儲(chǔ)備
吸附天然氣(ANG)
氣態(tài)，常溫，低壓
在較低的工作壓力下，能有更大的儲(chǔ)氣量，靈活，安全可靠性高
還存在技術(shù)上的問題，尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化
日、時(shí)調(diào)峰
2 工藝流程設(shè)計(jì)
本工藝設(shè)計(jì)的原則是：有效回收壓力能，既能提高能源利用效率，又能減少高壓天然氣降壓對(duì)設(shè)備造成的冷破壞；水合物具有較好的儲(chǔ)氣、調(diào)峰功能。其目的在于：充分回收利用天然氣管網(wǎng)壓力能，將冷能生成天然氣水合物，以供儲(chǔ)氣、調(diào)峰使用，將二者集成起來形成聯(lián)儲(chǔ)技術(shù)，有效解決天然氣管網(wǎng)壓力能利用和管網(wǎng)調(diào)峰問題。該工藝流程包括4個(gè)部分：天然氣壓力能制冷、利用冷能制備天然氣水合物、水合物儲(chǔ)存與氣化、冷媒循環(huán)。工藝流程見圖1。
 
   ① 天然氣壓力能制冷
   天然氣從高壓天然氣輸氣管道進(jìn)入常規(guī)天然氣門站，初始?jí)毫?～8MPa，經(jīng)過三向閥，天然氣門站的高壓天然氣被分成a、b兩股。滿足城市管網(wǎng)瞬時(shí)需求量的a股天然氣經(jīng)過膨脹制冷設(shè)備進(jìn)行膨脹制冷，壓力降至0.4～1.6MPa，溫度降為-112～-49℃。該膨脹過程產(chǎn)生大量冷量。低溫天然氣與冷媒在換熱器中進(jìn)行冷量交換，溫度提高到5℃左右，進(jìn)入城市管網(wǎng)；冷媒溫度降至-60～0℃，存于低溫冷媒儲(chǔ)罐中。
   ② 利用冷能制備天然氣水合物
   瞬時(shí)需求過剩的b股高壓天然氣進(jìn)入水合物生成塔，與從塔頂噴淋裝置噴出的水接觸，低溫冷媒儲(chǔ)罐中的冷媒為水合物生成塔提供冷量。在水合物生成時(shí)通過低溫冷媒把水合物生成塔溫度降至4～11℃，在該溫度壓力條件下，生成天然氣水合物漿。
   ③ 水合物儲(chǔ)存與氣化
用氣低谷時(shí)，用戶使用的天然氣較少，此時(shí)天然氣主要流向b股。該高壓天然氣進(jìn)入水合物生成塔中與水接觸，由冷媒提供水合物生成所需要的冷量，將天然氣儲(chǔ)存在水合物中。水合物漿流至水合物儲(chǔ)罐中在低溫下儲(chǔ)存，以供用氣高峰時(shí)調(diào)峰使用。
    用氣高峰時(shí)，將溫度較高的冷水空調(diào)機(jī)組中經(jīng)換熱升溫的冷媒水對(duì)水合物儲(chǔ)罐供熱，水合物儲(chǔ)罐中的水合物受熱分解，天然氣從水合物儲(chǔ)罐頂部流入城市管網(wǎng)，補(bǔ)充了城市燃?xì)庥昧?，解決了高峰用氣問題。
   ④ 冷媒循環(huán)
   水合物氣化時(shí)釋放的冷量由冷媒水帶出，送入冷水空調(diào)機(jī)組作為空調(diào)冷媒水；換熱升溫后的冷媒水返回水合物儲(chǔ)罐，為天然氣水合物的氣化提供熱量，冷媒水循環(huán)使用。
3 流程模擬及結(jié)果分析
本工藝流程模擬的初始條件為：天然氣組成假定為純甲烷，溫度25℃，壓力為4.0～8.0MPa，質(zhì)量流量為1000kg/h。通過改變天然氣壓力(4.0～8.0MPa)、水合物生成條件(生成壓力：4.0～8.0MPa，生成溫度：4.0～11.0℃)，具體結(jié)果見表3。
表3 天然氣高效利用與水合物聯(lián)合調(diào)峰工藝模擬結(jié)果
天然氣膨脹機(jī)組制冷系統(tǒng)
水合物生成和氣化系統(tǒng)
冷媒循環(huán)系統(tǒng)
入口壓力/MPa
出口壓力/MPa
出口溫度/℃
冷能溫度分布/℃
制冷量/kW
生成壓力/MPa
生成溫度/℃
生成量/(kg·h-1)
氣化壓力/MPa
氣化溫度/℃
冷能溫度分布/℃
利用量/kW
 
8.0
0.4
-112
-60～5
71
8.0
11.0
1 203
0.4
＞-10
-20～15
60
 
5.0
0.4
-94
-60～5
58
5.0
6.0
983
0.4
＞-10
-20～15
49
 
7.0
1.0
-77
-60～5
50
7.0
9.5
849
1.0
＞-5
-20～15
42
 
7.0
1.6
-51
-40～5
35
7.0
9.5
592
1.6
＞0
-15～15
30
 
4.0
1.0
-49
-40～5
46
4.0
4.0
551
1.0
＞0
-15～15
27
 
表3結(jié)果顯示，本工藝有效回收了高壓天然氣管網(wǎng)壓力能，將其用于制冷，制冷量為35～71kW，冷媒循環(huán)系統(tǒng)中冷媒的利用量為27～60kW，水合物生成量為551～1203kg/h。天然氣膨脹機(jī)組制冷系統(tǒng)中冷能溫度分布范圍越低，水合物生成和氣化系統(tǒng)可利用的冷能就越多，越容易形成水合物，水合物儲(chǔ)氣能量速度越快，儲(chǔ)氣密度越高。生成的大量天然氣水合物顯示了天然氣水合物的儲(chǔ)氣能力，以此可實(shí)現(xiàn)天然氣的安全儲(chǔ)存和調(diào)峰。在相同膨脹效率及出口壓力時(shí)，隨著進(jìn)氣壓力的增加，制冷量及水合物生成利用的能力隨之增加，因此，壓力越高的高壓天然氣管網(wǎng)中可回收的壓力能越多，水合物調(diào)峰能力越強(qiáng)。
在實(shí)際操作中，可根據(jù)不同用氣量及壓力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。假如：在初始條件中，夜間0時(shí)至4時(shí)為天然氣用氣低谷時(shí)段，天然氣的用氣量為日間用氣量的30%，即有300kg/h的天然氣用于城市夜間使用，剩余的700kg/h的天然氣將壓力能制冷產(chǎn)生的冷量用于合成天然氣水合物，采用水合物進(jìn)行儲(chǔ)存，以供用氣高峰時(shí)調(diào)峰使用。假定冷量利用效率為0.85，則平均全天壓力能產(chǎn)生冷量約為3.15×106kJ，可合成水合物14850kg，儲(chǔ)存天然氣1875kg，基本滿足調(diào)峰所需。當(dāng)天然氣用氣量較大時(shí)，可將儲(chǔ)存于天然氣水合物儲(chǔ)罐中的水合物升溫氣化，用于補(bǔ)充城市管網(wǎng)的天然氣缺口。此外，水合物氣化產(chǎn)生的冷量還可以用于冷水空調(diào)機(jī)組。
4 結(jié)論
① 將天然氣管網(wǎng)壓力能膨脹制冷，在用氣低谷時(shí)利用自身冷能合成天然氣水合物進(jìn)行儲(chǔ)存，在用氣高峰時(shí)把天然氣水合物進(jìn)行加熱輸出天然氣，達(dá)到削峰填谷的作用；同時(shí)用氣高峰時(shí)的天然氣膨脹制冷和水合物氣化所釋放出的冷量都可集成用于冷水空調(diào)，提高了能源利用率。
    ② 充分利用了高壓管網(wǎng)天然氣壓力能，在天然氣進(jìn)口壓力為8.0MPa，出口壓力為0.4MPa，進(jìn)口溫度為25℃，出口溫度力-112℃，質(zhì)量流量為1000kg/h條件下，最高制冷量可達(dá)到71kW，水合物生成可利用量達(dá)60kW。合成水合物所需的冷量不需要通過電制冷方式外加冷量，直接回收了高壓天然氣膨脹產(chǎn)生的冷量，大大提高了能量利用效率。
   ③在上述條件下，水合物生成量可達(dá)到551～1203kg/h，既能有效回收壓力能用于冷水空調(diào)，又能實(shí)現(xiàn)天然氣的安全儲(chǔ)存和調(diào)峰。
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(本文作者：陳秋雄1 徐文東2 1.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 廣東深圳 518040；2.華南理工大學(xué) 傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東廣州 510640)