高壓管輸天然氣利用壓力能液化技術

李光讓，冷 明，劉照辰

（中國石油大學(北京)，城市油氣輸配技術北京市重點實驗室， 北京 102200）

高壓管輸天然氣利用壓力能液化技術

李光讓，冷 明，劉照辰

（中國石油大學(北京)，城市油氣輸配技術北京市重點實驗室， 北京 102200）

通過火用分析得出，高壓管網輸送的天然氣在調壓過程中釋放巨大的壓力能，在調壓站利用膨脹機回收天然氣的壓力能，用于天然氣液化，以增加管網運行的經濟性。并介紹了國內外幾種天然氣液化流程,闡述和分析了其液化方法和特點。

高壓管網；壓力能；液化流程；膨脹制冷

天然氣長距離輸送一般采用高壓管道輸氣方式，其中蘊含了巨大的壓力能，但是經過調壓站調壓給城鎮管網供氣時,壓力能會大量損失。如果能充分利用好氣源與用戶端之間的壓差，在調壓過程中對天然氣進行液化，不僅能回收天然氣壓力能，而且可降低液化費用。鑒于近年來我國沿海地區 LNG工業蓬勃發展，市場潛力巨大，利用管道壓差能膨脹液化技術研究正逐步受到關注。

表 1 我國部分天然氣管道參數Table 1 Part of domestic NG pipeline parameter

1 高壓管道與城鎮燃氣管道

增大輸氣壓力不但可以提高管線輸氣能力，還可以減少壓氣站，降低經營費用。因此，天然氣管道長距離輸送采用高壓管輸的方式，如正在建設的西氣東輸三線工程，其干線設計壓力為 10~12 MPa。我國部分天然氣管道參數見表 1[1]。

高壓管輸天然氣必須經過調壓站降壓后才能進入城鎮燃氣管網。高壓或次高壓天然氣經過調壓裝置,逐步被降至中壓天然氣，再通過區域調壓站或用戶專用調壓站才能給城市燃氣管網中的低壓管道供氣，或給工廠企業、大型商業用戶以及鍋爐房供氣。我國城鎮燃氣管道根據輸氣壓力一般分7個級別，見表 2[2]。

表 2 城鎮燃氣管道輸氣壓力的分類Table 2 Pressure categories of urban gas pipeline

2 天然氣管道壓力火用數學分析

火用（exergy）是系統由任意狀態可逆的轉變到與環境狀態相平衡時能最大限度地轉換為功的那部分能量。火用作為綜合衡量能量的“質”與“量”的統一尺度，它表示能量的可用性或作功能力[3]。

天然氣在高壓輸送過程中蘊含巨大的壓力能，經過膨脹機膨脹后，其溫度和壓力均會降低。為了能夠準確分析此等熵膨脹過程天然氣壓力能變化情況，引入火用分析法對此系統進行分析。天然氣管道可以看成開口系統[4,5]，其火用公式為：

式中： ex,T—天然氣的比溫度火用，J/kg;

ex,P—天然氣的比壓力火用，J/kg;

h—天然氣所在工況下的比焓，J/kg;

h0—環境狀態下天然氣的比焓，J/kg;

s—天然氣所在工況下的比熵，J/(kg·K);

s0—環境狀態下天然氣的比熵, J/(kg·K);

cp—天然氣的比定壓熱容, J/(kg·K;)

T—天然氣所在工況下的溫度，K;

T0—環境溫度，K;

Rg—氣體常數，J/(kg·K);

P—天然氣所在工況下的絕對壓力，MPa;

P0—環境絕對壓力，MPa。

天然氣焓火用 ex,h可分解為兩部分：在壓力 P下，因熱不平衡系統與環境之間具有的溫度火用 ex,T；在環境溫度為T0時，因力不平衡系統與環境之間具有的壓力火用 ex,P。

天然氣的主要成分是甲烷及少量的乙烷、丙烷、丁烷等，其膨脹過程產生的焓火用與天然氣的組分、壓力等密切相關。為了式（2）、（3）物性參數取值方便，假定天然氣組分為純甲烷（甲烷物性參數： cp=2.227 kJ/(kg?K)， Rg= 518.75 J/(kg?K)，ρ=0.7174 kg/m3，γ =1.30）。

取環境溫度 25 ℃、環境壓力 0.1 MPa，由式（3）可得出不同管輸壓力下甲烷的比壓力火用，見圖 1。

管輸壓力一定時, 比壓力火用隨用戶端壓力不同而不同。設環境溫度為 25 ℃, 由式（3）可得出當甲烷以 6、8、10 MPa 的輸氣管道壓力進入不同壓力用戶端時， 其所具有的比壓力火用變化趨勢如圖 2所示。

圖 1 甲烷比壓力火用隨管輸壓力變化Fig.1 Pipeline pressure vs. methane ratio pressure exergy

圖 2 不同管輸壓力下甲烷比壓力火用隨用戶端壓力變化Fig.2 Client pressure vs. methane ratio pressure exergy under different pipeline pressure

由式（2）知，如要求出高壓天然氣膨脹降壓過程中產生的冷能大小，須先求出通過膨脹機膨脹降壓后天然氣溫度 T2，以下具體分析確定 T2。

目前，主要采用膨脹機回收利用天然氣壓力能。高壓天然氣經膨脹機膨脹降壓，將壓力火用轉換為機械功和冷火用。高壓天然氣在軸流式透平膨脹機中膨脹作功過程可近似為比熱容為定值的多變過程[6],則氣體所做技術功如下。

式中：wT—技術功，J/kg；

T1—膨脹機入口天然氣溫度，K；

T2—膨脹機出口天然氣溫度，K；

h1—膨脹機入口天然氣比焓，J/kg；

h2—膨脹機出口天然氣比焓，J/kg；

P1—膨脹機入口天然氣壓力，MPa；

P2—膨脹機出口天然氣壓力，MPa；

n—多變指數，取 1.2（根據膨脹機降壓比及效率情況，一般取n=1.1～1.25)。

為了對壓力火用和冷火用可利用規模有一個量化概念，現假設輸氣管道壓力 10 MPa，天然氣溫度25 ℃，用戶端壓力 0.4 MPa，由式（5）知，天然氣經膨脹機膨脹降壓后溫度為：

其膨脹過程產生的比溫度火用、比壓力火用、技術功可分別由式(2)、（3）、（4）得：

同理，可計算出管輸壓力取不同值時，天然氣按上述多變過程膨脹至 0.4 MPa 后的溫度、比溫度火用、比壓力火用及技術功，如圖 3 所示。

圖 3 天然氣膨脹后溫度、比溫度火用、比壓力火用及技術功隨管輸壓力變化Fig.3 Pipeline pressure vs. temperature, ratio temperature exergy,ratio pressure exergy of the expanded NG

由圖3可知,①高壓管輸天然氣蘊含巨大的壓力能，若采取有效措施進行回收，則可以在很大程度上提高管網運行的經濟性。②天然氣在降壓過程中，會產生很大的溫降，此低溫效應實際上已使其成為一種低溫介質，這對需要冷能的天然氣液化工藝提供了利用的可能。

3 高壓管輸天然氣膨脹液化技術

3.1 帶渦流管液化技術

針對調壓站的液化要求,俄羅斯的 Lentransgaz、Sigma-Gas、Krionord 及 Lenavtogaz公司已經聯合設計開發出一種合適的天然氣液化裝置(NGGLU)，此裝置采用渦流管-節流閥制冷，充分利用管網壓力能，可保證其不消耗額外能量就能將天然氣液化[7]。

該液化流程如圖 4 所示,占氣源總量 3/4 的高壓天然氣進入換熱器Ⅰ，被逆流而來的低溫天然氣冷卻至-50 ℃，同時，重烴成分經氣液分離器分離出來，并為換熱器Ⅱ提供冷量，輕組分天然氣流經換熱器Ⅱ，被冷卻至-80～-90 ℃；自換熱器Ⅱ流出的天然氣經調節閥分為兩股：一股流經節流閥液化后進入儲罐；另一股與 LNG 儲罐蒸發的 BOG(（Boil Off Gas）氣體一起回流至換熱器Ⅱ，為其提供冷量，進入渦流管Ⅰ的高壓天然氣分為冷熱兩股流體：冷流進入換熱器Ⅰ，預冷天然氣；熱流匯入調壓站出口管網，渦流管Ⅱ生產的熱流用于調控系統溫度[8,9]。

圖 4 NGGLU 液化工藝流程圖Fig.4 Diagram of the NGGLU’s liquefaction process

此裝置簡單，缺點是液化過程需靠閥門調節，控制比較困難，且液化率低，受氣源壓力波動影響大。

3.2 帶膨脹機液化技術

中科院低溫中心北京科陽公司設計了一套回收管道壓力能的小型液化裝置，利用天然氣直接膨脹制冷生產 LNG，產量為 300 L/h，如圖 5 所示[10]。

4 MPa預處理天然氣經換熱器 1 預冷分離重烴后分為兩股，一股氣體去膨脹機膨脹降溫，為換熱器2提供冷量；另一股氣體進入換熱器2冷卻，節流降溫后進入 LNG 儲罐儲存[11]。對 BOG 進行冷量回收后，增壓至 0.8 MPa 送入管網。

圖 5 天然氣膨脹制冷液化流程圖Fig.5 Diagram of the liquefaction process by NG expansion

此工藝主要將高壓天然氣膨脹產生的冷火用用于管道天然氣液化，而壓力火用膨脹轉換的技術功沒有得到有效利用。從圖3可知，高壓天然氣經透平膨脹機膨脹產生的技術功遠大于冷火用，因此，在管道天然氣液化工藝中有效地利用技術功，不但可以提高天然氣壓力能利用率，還可以提高管道天然氣液化率，增加 LNG產量。

Bruce M. Wilding 等設計的天然氣液化裝置則回收了技術功，以驅動壓縮機壓縮處理流。其流程如圖 6 所示[10]。

圖 6 Bruce M.Wilding 等設計的天然氣液化流程Fig.6 Diagram of the NG liquefaction process by Bruce M.Wildingetc

從 輸 氣 管 網 引 出 的 天 然 氣 (400)分 成 冷 卻 流（402）和處理流分（404）兩部分。冷卻流通過透平膨脹機膨脹將壓力火用轉換為冷火用和技術功。其中，冷火用用于冷卻處理流；技術功用于驅動壓縮機壓縮處理流，壓縮后的處理流由冷卻流冷卻，冷卻后分成兩部分，一部分（420）膨脹液化，另一部分（440）進一步膨脹制冷并冷卻壓縮的處理流，從而提高了液化天然氣生產率。

3.3 與制冷工質相結合的液化技術

Dante Bonaquist等設計的專利，結合了管網壓力 能 與 混 合 制 冷 劑 的 液 化 技 術[13]； ABB Lummus Global 公司設計了丙烷制冷和透平膨脹機制冷相結合的小型天然氣液化流程，使得液化效率更高、成本更低[14]。張鐠等結合天然氣管網壓力能的回收利用，提出了運用混合制冷劑循環獲取高品質 LNG 的天然氣液化系統[15]。

與制冷工質相結合的液化技術面臨的主要問題：一是如何分配冷能與機械能；二是混合工質的配比及循環工況的選取。可以看出選取可靠的制冷工質，提高天然氣液化率已成為當前研究的重點。

3.4 應用實例

我國液化天然氣工業起步較晚，但發展較快。已基本掌握了小型天然氣液化技術，并已有多套小型液化裝置（小于 100×104m3/d）成功應用，國內利用管網壓力能液化天然氣（單級膨脹制冷、部分液化）的 LNG 工廠見表 3[16]。

表 3 國內利用管網壓力能液化天然氣的 LNG 工廠Table 3 Domestic LNG plants using pipeline’s pressure energy to liquefy natural gas

4 結 語

高壓天然氣蘊含巨大的壓力能，利用膨脹機可以將天然氣的壓力能轉化為機械能、冷能等能量形式，用于天然氣的液化，其突出的優點是消耗小，幾乎不需要消耗電能，只對需要液化的天然氣脫除雜質，因而預處理的天然氣量大為減少（約為總氣量的 20%~35%）。此外還具有流程簡單、設備少、操作及維護方便等優點。因此，它是目前重點發展的一種液化方式。

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Liquefaction Technology Based on Pressure Energy in High-pressure Nature Gas Pipeline

LI Guang-rang，LENG Ming，LIU Zhao-chen
（Key Laboratory of Urban Oil and Gas Transportation & Distribution Technology，China University of Petroleum，Beijing 102200，China）

It is concluded from exergy analysis that there is enormous recoverable pressure energy in pressure adjusting process of high pressure natural gas. The pressure energy recovered from natural gas by the expander in gas regulator station can be used in natural gas liquefaction, in order to increase the economy of the network operation. In this paper, several domestic and abroad natural gas liquefaction processes were introduced, and their liquefaction methods and features were described and analyzed.

High pressure pipeline network；Pressure energy；Liquefaction process；Expansion refrigeration

TE 832

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1336-04

2013-11-21

李光讓（1988-），男，山東泰安人，碩士在讀，中國石油大學（北京），研究方向：油氣儲運 LNG 技術方向。E-mail：liguangrang@163.com。