天然氣透平膨脹發電技術在燃機電廠的應用

梁慶林

（廣東大唐國際肇慶熱電有限責任公司，廣東 肇慶526000）

0 引言

天然氣作為高效清潔能源，近年來獲得了廣泛應用。天然氣在進入城市門站或燃氣電廠前，根據不同的壓力要求，常用調壓器進行降壓處理。由工程熱力學理論可知，當天然氣具備一定的壓力和溫度時，就具備了一定的能量，即由壓力所體現的勢能和由溫度所體現的動能，二者合稱為天然氣的內能。在用調壓器進行調節時，會造成部分內能損失。以日處理50萬m3的門站為例，壓力從4.0 MPa降至0.4 MPa，壓力能損失大約有101.7萬kJ／h，天然氣透平膨脹發電技術利用天然氣在膨脹機內進行絕熱膨脹，內能降低而對外做功，并由膨脹機驅動發電機將能量轉換為電能進行回收。

圖2 天然氣透平膨脹發電示意圖

1 天然氣透平膨脹發電技術介紹

1.1 透平膨脹機工作原理

透平膨脹機是一種使壓縮氣體膨脹并輸出功率，因而壓力降低和能量減少的原動機。在透平膨脹機中，氣體的能量交換發生在導流器的噴嘴葉片間與工作葉輪內。高壓氣流在噴嘴內進行部分膨脹，然后以一定的速度進入葉輪，推動葉輪旋轉。氣流進入葉輪后還會進一步膨脹，氣流的反沖力進一步推動葉輪旋轉，旋轉的葉輪軸可驅動發電機組進行發電。由于氣體在膨脹機中通過的時間極短，來不及與周圍環境進行熱量交換，因而絕熱效率很高，此過程可視為等熵膨脹。進入透平膨脹機的氣體流量可通過導流葉片進行調節，以適應系統負荷。

1.2 透平膨脹機用于天然氣管道壓差發電

天然氣管道壓差分配圖如圖1所示，天然氣透平膨脹發電示意圖如圖2所示。

圖1 天然氣管道壓差分配圖

1.3 壓能回收能力分析

絕熱膨脹透平發電機做功與氣流壓能之間的關系如下：

式中，W 為透平發電機端的出力（k W）；ΔHi為天然氣高壓端與低壓端之間的絕熱焓降（kJ／kg）；G為天然氣質量流量（kg／s）；ηt為透平機效率；ηg為發電機效率。

絕熱焓降的計算：

式中，Cp為天然氣質量等壓比熱［kJ／（kg·K）］；T1為天然氣入口溫度（K）；p1為天然氣入口壓力（MPa）；p2為天然氣出口壓力（MPa）；K為天然氣的絕熱指數。

2 天然氣透平膨脹發電技術在燃機電廠中的應用

廣東大唐國際肇慶熱電有限責任公司有2臺套F級燃氣機組。入廠天然氣壓力為5.4 MPa，通過調壓撬進行調壓，將壓力降到約3 MPa再送給燃機。若采用透平膨脹發電機取代調壓撬，即可實現在對天然氣進行降壓的同時發出電能。現根據本公司調壓站設計參數，進行差壓發電能力分析。

從設計數據可知，供氣量為流量14萬m3／h，天然氣密度為0.717 4 kg／m3，供氣量為100.436 t／h，調壓撬入口壓力p1為5.4 MPa，調壓撬出口壓力p2為3 MPa，調壓撬入口溫度T1為288 K，透平機效率按0.8，發電機效率按0.95，減速箱效率按0.97，天然氣絕熱指數K為1.3，取平均等壓比熱Cp為2.2 kJ／（kg·K）。

每小時利用天然氣差壓可發電1 648 k W。

2.1 天然氣壓差發電方案

2.1.1 天然氣壓差參數

管道公司供氣壓力5.4～6.5 MPa，溫度6～15℃，進入電廠經調壓站調整到3 MPa、15～50℃供燃氣輪機使用，壓差約2.4～3.5 MPa。

2.1.2 壓差發電系統工藝流程

壓差發電系統工藝流程如圖3所示。

圖3 壓差發電系統工藝流程圖

2.1.3 發電機組選型

天然氣經膨脹做功后，氣體溫度會降到0℃以下，國產汽輪發電機組都是熱機，無法滿足要求。當膨脹機運行溫度低于環境溫度時，對制造材料和工藝要求更高，國產民用設備目前還不能滿足要求。

考慮以上因素，我們選用UniEco透平膨脹機發電機組，該機組轉子、變速箱在美國生產，國內做配套組裝完成。其是由高譜公司與聯優機械共同開發的用于天然氣等特殊氣體壓差發電的專用設備。

2.1.4 裝機方案

經 測 算：140 000 m3／h 流 量 的 天 然 氣，壓 力 從 5.4～6.5 MPa降到3 MPa，發電量約1 626 k W左右。需要安裝1臺2 000 k W發電機組。

2.1.5 發電機組技術參數

發電機組技術參數如表1所示。

2.2 經濟效益

此燃機電廠2臺燃機計劃全年運行5 000 h，電費按照0.7元／k W·h進行計算：

全年發電量1 626 k W×5 000 h＝813萬k W·h，折合電費569萬。

項目總投資約1 680萬元，投資回收期3年左右。

2.3 社會效益（減排指標）

年節約標準煤：813萬k W·h×330 g（1 k W·h電消耗標準煤）＝2 683 t；

年減排SO2量：2 683×0.008 5＝23 t；

年減排 NOx量：2 683×0.007 4＝20 t；

年減排CO2量：2 683×2.6＝6 976 t。

表1 發電機組技術參數

3 結語

天然氣透平膨脹發電技術利用天然氣管道壓力能發電，實現了天然氣的高效利用，減少了能量的浪費，為企業創造了較好的經濟效益和社會效益。體現了企業積極主動開展節能減排活動，踐行節能減排的承諾，履行了社會責任，突出了企業的科技創新能力。

天然氣透平膨脹發電技術符合國家能源政策和節能減排政策，實施后可申請市、省、國家相關的新能源利用、節能減排以及產學研領域的基金和獎勵，彰顯企業節能減排示范作用。

天然氣透平膨脹發電技術促進了天然氣產業節能技術的發展，帶動天然氣企業的升級，可增強天然氣行業競爭力，促進燃機電廠的健康發展。

［1］江楚標.透平膨脹機及發展動態［J］.深冷技術，2001（5）

［2］鄒云.160萬 m3／d天然氣透平膨脹機的研制［J］.深冷技術，2006（3）

［3］祁圣華.小型天然氣透平膨脹機技術改造［J］.油氣田地面工程，2006（1）