城市門站壓力能回收設(shè)備研究應(yīng)用進展

摘 要

摘要：透平膨脹機、渦流管可替代傳統(tǒng)的節(jié)流閥，有效回收城市門站調(diào)壓過程中損失的壓力能。介紹了透平膨脹機、渦流管的國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了應(yīng)用前景展望。關(guān)鍵詞：壓力能回收
摘要：透平膨脹機、渦流管可替代傳統(tǒng)的節(jié)流閥，有效回收城市門站調(diào)壓過程中損失的壓力能。介紹了透平膨脹機、渦流管的國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了應(yīng)用前景展望。
關(guān)鍵詞：壓力能回收；膨脹機；渦流管
Research and Application Progress of Facilities Recovering Pressure Energy in City Gate Station
SUN Jie
Abstract：The traditional throttle valve can be replaced by turbo-expander and vortex tube to effectively recover the lost pressure energy during pressure regulation in city gate station. The present status of research and application of turbo-expander and vortex tube at home and abroad are introduced，and the application perspective of these facilities is presented.
Key words：pressure energy recovery；expander：vortex tube
1 概述
    隨著我國天然氣開發(fā)力度加大，用戶需求不斷增長，我國天然氣管道建設(shè)得到了迅猛發(fā)展。截至2009年，我國天然氣干線長度已達3.8×104km，隨著管材材質(zhì)的提高，天然氣管道設(shè)計運行壓力逐步提高，近年來建設(shè)的西氣東輸、川氣東送輸氣管道設(shè)計壓力均提高到了10MPa，而管道沿線城市管網(wǎng)設(shè)計壓力多為1.6～4.0MPa，因此需在城市門站進行調(diào)壓。
    在傳統(tǒng)調(diào)壓過程中，高壓氣體經(jīng)節(jié)流閥絕熱膨脹，壓力降低，同時產(chǎn)生數(shù)量可觀的冷量。在這個調(diào)壓過程中，大量的流體機械能轉(zhuǎn)化為冷能散失在環(huán)境中[1～3]，在建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會進程中，如對這一能量加以回收利用，經(jīng)濟效益、社會效益顯著。
2 可替代節(jié)流閥的天然氣調(diào)壓設(shè)備
    針對輸配氣過程中壓力能利用的問題，美國、英國、加拿大、俄羅斯等國自20世紀80年代就開展了相關(guān)研究。目前可替代節(jié)流閥的設(shè)備主要有透平膨脹機、渦流管2種，降壓過程中產(chǎn)生的能量可用于發(fā)電、冷能回收、副產(chǎn)LPG或LNG等。
   ① 透平膨脹機
   利用膨脹機降壓回收能量，一方面可利用膨脹機輸出的軸功，另一方面天然氣輸出軸功后溫度下降幅度很大，大大超過節(jié)流閥在同等壓力降下的溫度降，因此還可利用膨脹機的制冷特性獲得冷能。由于國外膨脹機技術(shù)集中，加上國內(nèi)各制造廠商在透平膨脹機方面起步較晚，當前我國應(yīng)用于石化、天然氣領(lǐng)域的低溫膨脹機，如液化石油氣、液化天然氣等工藝流程中的膨脹機基本依賴進口。
    ② 渦流管
    渦流管具有能量分離特性，高壓氣經(jīng)渦流管減壓處理后，將會在管中心產(chǎn)生一股冷流，在外側(cè)產(chǎn)生一股熱流。由于渦流管內(nèi)強烈的離心作用，中心的冷流氣體為干燥氣體，外側(cè)高溫氣體則集中了渦流管效應(yīng)(含節(jié)流效應(yīng))產(chǎn)生的所有液體。渦流管工作原理見圖1[4]。
 
   以只輸入一定壓力的壓縮空氣為例，通過渦流管處理，一端產(chǎn)生冷空氣(在干燥空氣的前提下最低溫度可達-46℃)，另一端產(chǎn)生熱空氣(最高溫度可達127℃)。利用冷、熱端氣體溫度的不同，可分別提供制冷或加熱，使能量得到充分利用。渦流管制冷效果介于節(jié)流閥和膨脹機之間。
   渦流管具有無運動部件、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、運行安全可靠、造價低、易維護等優(yōu)點，此外還具有調(diào)壓、分離、制冷等功能，且通過級聯(lián)可以增強其制冷能力，在石油化工、低溫制冷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前采用空氣作為介質(zhì)的渦流管制冷產(chǎn)品在國外已系列化。
3 國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1 透平膨脹機
    自1930年德國人林德第一次應(yīng)用單級透平膨脹機獲得成功以來，透平膨脹機的應(yīng)用已成為一項成熟技術(shù)，但將膨脹機應(yīng)用在長輸管道上，以回收管道壓力能的研究最早開始于20世紀80年代。在天然氣門站利用膨脹機回收壓力能主要用于發(fā)電和副產(chǎn)LNG。
   ① 利用膨脹機輸出軸功發(fā)電
   1983年，美國某公司在加利福尼亞南部San Diego門站安裝了第一臺膨脹機，試圖通過膨脹機膨脹制冷發(fā)電，以回收管道壓力能；其后，在1983年—1987年間先后在田納西州Memphis化工廠、喬治亞州Stockbridge壓縮機站、新澤西州Hamilton門站安裝了3臺膨脹機，但由于成本較高，試驗未取得成功。日本、伊朗等國家也開展了在城市門站利用膨脹機輸出軸功發(fā)電的相關(guān)研究。但由于種種原因，該項技術(shù)并沒有得到大規(guī)模應(yīng)用[5]。
    近年來，美國、英國一些公司將膨脹機技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合，以回收調(diào)壓過程中的壓力能，研究工作取得了一定進展。2008年10月，北美Enbridge公司將膨脹機與燃料電池組合在一起形成DFC-ERG系統(tǒng)[6]，并在加拿大多倫多門站進行了現(xiàn)場試驗，該聯(lián)合裝置的發(fā)電功率為2200kW。DFC-ERG系統(tǒng)工作原理見圖2。
 
    2009年1月，英國某公司宣布[7]，將在倫敦東部的百客頓地區(qū)天然氣管道上安裝微型膨脹機發(fā)電，這些微型膨脹機非常小，直徑只有20cm，但發(fā)電功率可達到1000kW/臺。該項工作未見相關(guān)后續(xù)報道。
    ② 副產(chǎn)LNG
    利用膨脹機的制冷特性來生產(chǎn)LNG，在國內(nèi)外都有實例，生產(chǎn)的LNG可以用作調(diào)峰儲備，也可以用作LNG汽車燃料。LNG產(chǎn)量與可獲得的壓差(膨脹機進口壓力與出口壓力的差值)直接相關(guān)，壓差越大，液化率越高，通常條件下，可以獲得10%～30%的液化率。
    國內(nèi)學(xué)者也進行了相關(guān)研究，熊永強等人[8]。提出一種利用膨脹制冷及熱集成技術(shù)在城市門站使用的天然氣液化流程，見圖3。
 
    高壓天然氣經(jīng)換熱器1預(yù)冷部分液化后，進入氣液分離器，分離出的液相經(jīng)節(jié)流閥膨脹至中壓，溫度降低，形成氣液混合物。分離出的氣相經(jīng)分流器分為兩股，一股進入膨脹機膨脹至中壓，溫度劇降，形成氣液混合物；另一股經(jīng)換熱器2預(yù)冷部分液化后，再經(jīng)節(jié)流閥膨脹至中壓后，也形成氣液混合物。三股氣液混合物一起送到閃蒸罐中，分離出氣相天然氣(中壓)和LNG，前者作為原料氣預(yù)冷冷源，換熱后進入中壓管網(wǎng)，后者進入LNG儲罐儲存。在城市門站安裝帶膨脹機的天然氣液化裝置，用氣低谷時通過膨脹機產(chǎn)生冷量用于天然氣液化。生成的LNG輸入儲罐，用氣高峰時將其氣化起到調(diào)峰作用。
3.2 渦流管
    渦流管自1931年面世以來，通過不斷改進，其制冷、制熱、抽真空、分離等多種功能趨于完善，已在很多行業(yè)得到應(yīng)用。從20世紀90年代開始，國外就嘗試將渦流管技術(shù)應(yīng)用于天然氣工業(yè)，相繼取得了重要進展。在天然氣門站利用渦流管回收壓力能的方式主要用于加熱和副產(chǎn)LNG。
    ① 渦流管加熱技術(shù)
    美國Universal Voaex公司從1999年開始制造渦流管加熱器，截至2005年7月，已在美國、加拿大、法國、西班牙和澳大利亞推廣應(yīng)用了700多套裝置[4]。近年來，隨著我國天然氣行業(yè)蓬勃發(fā)展，天然氣的調(diào)壓設(shè)備也在不斷改進，目前渦流管加熱技術(shù)已率先應(yīng)用于中國石油管道公司華中輸氣公司管轄的武漢西計量站[9]。將渦流技術(shù)應(yīng)用于天然氣輸氣設(shè)備，可以直接將上下游壓降產(chǎn)生的壓力能轉(zhuǎn)化為熱能，進行引壓管的加熱，降低運行和維護成本，用它替代電能加熱，符合節(jié)能環(huán)保的要求。
   ② 副產(chǎn)LNG
   俄羅斯將渦流管技術(shù)主要用于城市門站[4、10]，利用調(diào)壓過程中的壓力降，不需要消耗額外的能量就可以將天然氣液化，這類裝置被稱為新一代天然氣液化裝置。列寧格勒輸氣公司的2座城市門站均建立了小型LNG生產(chǎn)裝置。該裝置的操作壓力為3.0～7.5MPa，處理天然氣量(7.2～43.2)×104m3/d，液化率為6%～14%，占地面積16m2。
4 結(jié)語
    透平膨脹機、渦流管可替代傳統(tǒng)的節(jié)流閥調(diào)壓裝置，有效回收管道壓力能，具有較好的推廣應(yīng)用前景。在城市門站生產(chǎn)LNG不受發(fā)電或制冷所需的條件的限制，具有投資省、能耗低、操作簡單、靠近用戶等獨特優(yōu)勢，并可起到城市調(diào)峰的作用。
參考文獻：
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[7] ADAM D. Mini-turbines to harness energy from pressure in UK，s gas pipelines[EB/OL].http：∥www.regione.vda.it/energia/notiziario_ultime/allegati/allegato1025ita.pdf.2009-01-06.
[8] 熊永強，華賁，羅東曉.用于燃氣調(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.
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[10] 論立勇，謝英柏，楊先亮.基于管輸天然氣壓力能回收的液化調(diào)峰方案[J].天然氣工業(yè)，2006，26(7)：114-116.
 
(本文作者：孫潔 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083)