天然氣分輸調壓站壓力能利用方案研究

蔣宏業(yè) 王志輝(西南石油大學石油與天然氣工程學院)

天然氣分輸調壓站壓力能利用方案研究

蔣宏業(yè) 王志輝(西南石油大學石油與天然氣工程學院)

城市門站的天然氣由高壓降到低壓的過程中，存有大量壓力能，可利用?分析法進行分析。表述了當前針對壓力能的回收利用方式，并結合某一典型分輸調壓站現(xiàn)狀，提出一種綜合利用壓力能的工藝流程，提高能源利用效率。

隨著清潔能源天然氣的普及，天然氣管道呈現(xiàn)距離長、口徑大、壓力高的趨勢。其中陜京二線、川氣東送和西氣東輸一線的設計壓力為10MPa，西二線設計壓力已達到12MPa。

高壓天然氣通過輸氣干線到達分輸調壓站后需結合買方需求的壓力進行調節(jié)，然后再輸送給城市燃氣用戶、工業(yè)用戶等。天然氣從高壓調至低壓過程中，將產生相當大的壓降，且有大量能量釋放。若將這部分壓力能進行回收利用，進可有力地推動能源利用率的提高，改善管網(wǎng)運行經濟性。

本文采用?分析法對壓力能進行分析，介紹當前壓力能主要利用方式，結合某一分輸調壓站實際，設計一種壓力能利用工藝流程。

1 ?分析法對高壓天然氣壓力能的理論分析

?是某種能量在理論上能夠可逆地轉換為功的最大數(shù)量，稱為該能量中具有的可用能，利用?分析法來評價天然氣管網(wǎng)可以利用的壓力能是比較科學的。

應用熱力學知識分析，可以把輸送天然氣的管網(wǎng)當做一種開口系統(tǒng)。單位質量的穩(wěn)定物流的焓?為：

式中：T0—環(huán)境溫度；h0、s0—物流在環(huán)境狀態(tài)下對應的比焓和比熵；h、s—物流所在狀態(tài)下的比焓和比熵。根據(jù)熱力學中熵的關系式：

穩(wěn)定流動時，開口系統(tǒng)的焓?表達式為：

ex,T為溫度?：

ex,P為壓力?：

在工質等溫流動時，膨脹做出的技術功即為壓力?。

對于10 MPa的天然氣管網(wǎng)輸氣壓力，用戶需求壓力為0.3MPa，則可利用的壓力能最大數(shù)值為534.2 kJ/kg。而西氣東輸干線管道年設計輸氣量120億標方，若取甲烷比容1.5 m3/kg（0.1MPa，20℃），則管路質量流量為80×108kg/a，那么可利用的壓力能數(shù)量為42736×108kJ/a，與一座裝機489.2 MW電站一年的發(fā)電量相當。

由此可知，當管網(wǎng)中天然氣的輸送壓力越高，而用戶端需求壓力越低，且輸送量越大時，高壓天然氣中其所擁有的壓力能量越多。

2 高壓天然氣壓能利用的途徑

當前，對高壓天然氣中的壓力能量利用研究主要集中于發(fā)電和制冷兩領域。回收利用采用的關鍵設備為渦流管、透平膨脹機和氣波制冷機等，這些設備可以取代調壓閥等調壓裝置實現(xiàn)高壓天然氣的降壓。

2.1 將高壓天然氣管網(wǎng)中的壓力能量用于發(fā)電

利用天然氣壓能發(fā)電技術的主要原理，是利用高低壓差帶動膨脹機做功轉換為機械能，由膨脹機再帶動發(fā)電機發(fā)電。據(jù)文獻記載，二十世紀初，日本東京電力公司宣布利用天然氣差壓能進行發(fā)電，并建設一座電站，其發(fā)電量為7700kW[1]。

2.2 天然氣管網(wǎng)壓力能量用于制冷領域

高壓天然氣膨脹時，因放熱而產生溫降，產生的冷量可用于制備LNG和NGH儲氣調峰、冷庫、冷水空調、低溫粉碎舊橡膠等方面[1]。

①制備LNG和NGH

城市天然氣需求量隨著季節(jié)、晝夜和時段的變化波動非常大，若能將用氣低谷時多余的天然氣以LNG或NGH等方式儲存。在用氣高峰時期，利用儲存的天然氣補充需求缺口，對于保持天然氣平穩(wěn)供給有重要作用。

②用于冷庫系統(tǒng)

據(jù)了解，壓力5.0MPa，溫度20℃的天然氣經過氣波制冷機后，當出口壓力降至0.5MPa時，溫度可到達-58℃[2]。因此，可以采取“梯級利用”方式，實現(xiàn)對天然氣降壓冷能的高效利用。

3 某天然氣分輸調壓站壓能利用工藝

據(jù)了解，冀寧聯(lián)絡線某分輸調壓站下游用戶既有居民城市燃氣用戶，又有CNG用戶。現(xiàn)有場站工藝中配置有兩組調壓裝置，用于將上游側高壓天然氣調壓至低壓后分輸給燃氣用戶，調壓后管線因低溫易出現(xiàn)冰堵需要長年增加電伴熱，耗費電能。而CNG用戶則采取高壓天然氣直接輸送，然后用戶再利用壓縮機壓縮至20MPa再儲存至槽車運輸，壓縮機消耗大量電能。

通過研究天然氣壓能回收利用方式，綜合此天然氣站現(xiàn)場實際，立足整體，將上下游看成一體，筆者提出一種綜合利用壓力能工藝流程，圖1。

圖1 天然氣管網(wǎng)壓能綜合利用工藝簡圖

此工藝流程在原調壓裝置基礎上增設一套壓力能發(fā)電裝置，原調壓裝置可備用。將高壓天然氣降為低壓時調壓中的壓力能用于發(fā)電，電能輸送給CNG用戶的壓縮機使用，再通過冷媒吸收降壓后低溫天然氣中的冷量，可以用在冷卻工作中的壓縮機和壓縮后的高溫天然氣。

通過綜合布局，針對此分輸調壓站與下游用戶之間的各自實際需求，將相關方有機聯(lián)系成統(tǒng)一整體，實現(xiàn)壓力能回收同時，消除冰堵風險，還能產生一定的經濟效益。

4 結語

高壓天然氣中蘊藏大量的壓力能，可應用于發(fā)電、制冷等方面。如何最大程度提高壓力能回收利用效率，并實現(xiàn)從理論到實驗再到商業(yè)化推廣，需要從技術、設備和環(huán)境等角度全方面考慮。但是，天然氣壓力能回收對提高天然氣管網(wǎng)運行經濟性有重要作用，是非常具有發(fā)展?jié)摿Φ囊豁椉夹g。

[1]《中國能源》編輯部.日利用天然氣壓差發(fā)電[J].中國能源，2002（11）：45.

[2]羅東曉.回收高壓管輸氣壓力能用于冷庫的技術[J].上海燃氣，2010，(5)：33-35.