天然氣余壓利用技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀

楊會(huì)豐 梁海鋒 王林平 覃川

（1.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；3.長(zhǎng)慶油田分公司質(zhì)量管理與節(jié)能處）

天然氣余壓利用技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀

楊會(huì)豐1，2梁海鋒3王林平1，2覃川1，2

（1.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；3.長(zhǎng)慶油田分公司質(zhì)量管理與節(jié)能處）

我國(guó)在區(qū)域性天然氣管網(wǎng)建設(shè)方面已較為完善，天然氣經(jīng)長(zhǎng)輸管道供給用戶使用之前須經(jīng)各地的調(diào)壓站降壓，達(dá)到國(guó)家規(guī)定的壓力標(biāo)準(zhǔn)后方可使用。目前普遍采用的降壓方式為節(jié)流降壓，此過程會(huì)產(chǎn)生較大的能量損失，若將此部分壓力能利用起來會(huì)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。通過分析天然氣余壓利用在余壓發(fā)電、余壓制冷和余壓發(fā)電-制冷結(jié)合上應(yīng)用的原理，介紹了這些工藝的新技術(shù)和新流程以及在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)例，并指出了這些技術(shù)存在的主要問題和日后的研究方向，為研究者們?cè)谠擃I(lǐng)域進(jìn)行更為廣泛和深入的研究提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

天然氣；余壓發(fā)電；余壓制冷；余壓發(fā)電-制冷結(jié)合

1 現(xiàn)狀

天然氣余壓利用主要包括余壓發(fā)電技術(shù)、余壓制冷技術(shù)和發(fā)電-制冷技術(shù)。目前，對(duì)于該課題的研究工作已相繼開展。2011年，Clifford Howard等[1]設(shè)計(jì)了一種透平膨脹機(jī)燃料電池系統(tǒng)，天然氣流過透平膨脹機(jī)發(fā)電之前，先利用熔融碳酸鹽燃料電池來對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)熱。并以一個(gè)小型減壓站為例，對(duì)其中的透平膨脹機(jī)燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真模擬，經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，得出透平膨脹機(jī)的尺寸對(duì)系統(tǒng)整體效果影響最大；2012年，Sepehr Sanaye等[2]針對(duì)天然氣門站中膨脹閥降壓過程造的大量能量損耗，使用了一種包含膨脹機(jī)、天然氣發(fā)電機(jī)、加熱爐、泵和預(yù)熱器的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并且提出了選擇所需的天然氣發(fā)電機(jī)/加熱爐數(shù)量、確定它們標(biāo)稱功率/加熱容量和膨脹效率的新方法；2016年，符仁義等[3]對(duì)天然氣壓力能制干冰技術(shù)進(jìn)行研究，并在制干冰的同時(shí)進(jìn)行發(fā)電上網(wǎng)或自用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化。研究者們對(duì)余壓利用技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，但尚無一個(gè)完整的體系對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)闡釋。因此，有必要理清余壓利用技術(shù)研究的發(fā)展脈絡(luò)，并歸納其常用工藝和方法，以啟示科技工作者在該領(lǐng)域進(jìn)行更為廣泛和深入的研究。

2 天然氣余壓發(fā)電

目前，天然氣余壓發(fā)電主要包括直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電工藝、保持氣流穩(wěn)定的發(fā)電工藝、保持溫度穩(wěn)定的發(fā)電工藝、微小規(guī)模發(fā)電工藝和管道內(nèi)置發(fā)電工藝，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同所采取的發(fā)電工藝也不同。

2.1 保持氣流穩(wěn)定的發(fā)電工藝

為了滿足透平膨脹機(jī)和下游用戶用氣波動(dòng)的需求，研究者們采用高壓和低壓儲(chǔ)氣罐，設(shè)計(jì)了保持氣流穩(wěn)定的發(fā)電工藝。來自輸氣干線的高壓天然氣經(jīng)過高壓儲(chǔ)氣罐，高壓儲(chǔ)氣罐起到緩沖作用，之后進(jìn)入透平膨脹機(jī)，膨脹降壓體積增大完成發(fā)電過程。在出口端，低壓天然氣經(jīng)過低壓儲(chǔ)氣罐后進(jìn)入下游管道，輸往各個(gè)用戶。

天津大學(xué)姚勝[4]對(duì)保持氣流穩(wěn)定的余壓發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究，確定余壓發(fā)電系統(tǒng)螺桿膨脹機(jī)在2500 r/min運(yùn)行時(shí)效率最高，單位質(zhì)量輸出功率為52 kW/kg，其有效效率可達(dá)到57%，取膨脹機(jī)的機(jī)械效率為95%，根據(jù)測(cè)量功率值，利用Aspen Plus軟件反推得到的空氣進(jìn)出口的實(shí)際溫降為56℃，系統(tǒng)埇效率為51%。

2.2 保持溫度穩(wěn)定的發(fā)電工藝

對(duì)于天然氣管道，當(dāng)天然氣溫度低于-20℃后，相關(guān)設(shè)計(jì)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等都應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，因此需提高膨脹后的天然氣溫度以保持溫度穩(wěn)定。目前該工藝較為流行的方案為熱電聯(lián)產(chǎn)工藝，利用空氣源熱泵通過工質(zhì)將空氣中的低溫?zé)崮芪者M(jìn)來，工質(zhì)經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后將低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為高溫?zé)崮埽訜崴疁?，其中熱泵采用回?zé)崾窖h(huán)，即自冷凝器出來的工質(zhì)，首先進(jìn)入回?zé)崞魃郎氐礁邷責(zé)嵩吹臏囟龋又M(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，再進(jìn)入冷凝器放熱，隨后進(jìn)入回?zé)崞鬟M(jìn)一步降溫，然后工質(zhì)再進(jìn)入節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)膨脹過程，最后進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱，完成循環(huán)。

華南理工大學(xué)的呂達(dá)[5]采用天然氣直接膨脹法發(fā)電，同時(shí)利用相關(guān)的熱泵技術(shù)，提出了1套將管網(wǎng)壓力能用于熱電聯(lián)產(chǎn)的工藝方案。并以國(guó)內(nèi)北方某門站為研究對(duì)象，利用化工模擬軟件對(duì)方案進(jìn)行模擬分析，得出15×104m3/h（標(biāo)氣）的天然氣由4 MPa降低至1.6 MPa時(shí)，發(fā)電功率為2580 kW，產(chǎn)熱水量為31 t/h。

2.3 管道內(nèi)置發(fā)電工藝

部分天然氣場(chǎng)站和燃?xì)夤艿捞幱谄h(yuǎn)地區(qū)和無人值守狀態(tài)，導(dǎo)致了燃?xì)夤芫W(wǎng)智能化建設(shè)的困難。若牽拉市電或采用鋰電池供電成本過高，太陽(yáng)能供電方式受氣候和光照等因素影響，無法保證連續(xù)穩(wěn)定供電。為了解決以上問題，提出了1套管道內(nèi)置發(fā)電方案，在直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電流程的基礎(chǔ)上增加了限流孔板、電磁閥和流體馬達(dá)，促進(jìn)了智能化管網(wǎng)的建設(shè)（圖1）。

張輝等[6]利用壓縮空氣，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析來測(cè)試某燃?xì)夤芫W(wǎng)中管道內(nèi)置發(fā)電工藝在現(xiàn)場(chǎng)的適用性，測(cè)試結(jié)果表明，此裝置在現(xiàn)場(chǎng)工況下可完成1 W以上功率的電力輸出，滿足調(diào)壓站內(nèi)常用儀表工作功率要求。

圖1 管道內(nèi)置發(fā)電裝置工藝流程

3 天然氣余壓制冷

高壓天然氣在經(jīng)調(diào)壓站降壓時(shí)會(huì)放熱，導(dǎo)致溫度降低，產(chǎn)生的低溫氣體蘊(yùn)含著巨大的冷能，若將此部分冷能回收并加以合理利用可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前天然氣余壓制冷主要應(yīng)用于燃?xì)庹{(diào)峰、冷庫(kù)制冷、天然氣液化及其它一些領(lǐng)域，節(jié)能效果顯著。

3.1 燃?xì)庹{(diào)峰工藝

在城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中，為確保燃?xì)饩鶆颉⒎€(wěn)定地輸送到各個(gè)用戶，須進(jìn)行燃?xì)庹{(diào)峰作業(yè)。經(jīng)過比較，水合物調(diào)峰和LNG調(diào)峰技術(shù)的冷能均可取自管網(wǎng)調(diào)壓過程，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好。

水合物調(diào)峰工藝主要利用膨脹制冷機(jī)組將回收的管網(wǎng)壓力能用于制備天然氣水合物，在城市管網(wǎng)用氣低谷時(shí)，將剩余的天然氣制備為天然氣水合物，在用氣高峰時(shí)，將天然氣水合物釋放，進(jìn)入天然氣管網(wǎng)，達(dá)到燃?xì)庹{(diào)峰的目的。

陳秋雄等[7]設(shè)計(jì)了包括管網(wǎng)壓力能制冷、天然氣水合物制備、天然氣水合物儲(chǔ)氣、調(diào)峰及冷媒循環(huán)4部分的水合物調(diào)峰工藝，工藝流程見圖2，并對(duì)這一整套流程進(jìn)行仿真模擬。

模擬結(jié)果顯示，在用氣低谷時(shí)段，天然氣的用氣量為高峰時(shí)段用氣量的30%，剩余的天然氣利用壓力能制冷的冷量合成天然氣水合物并儲(chǔ)存，以供用氣高峰時(shí)調(diào)峰使用。當(dāng)冷量利用效率為85%時(shí)，平均全天壓力能產(chǎn)生冷量約為3.15×106W，可合成水合物14 850 kg，儲(chǔ)存天然氣1875 kg，基本滿足調(diào)峰需要。

3.2 冷庫(kù)工藝

冷庫(kù)溫度通常在-20～-30℃左右，可用于冷卻和凍結(jié)食品。目前冷庫(kù)多采用多級(jí)電壓縮制冷裝置，用電負(fù)荷較大，如果利用天然氣余壓制冷工藝代替電力制冷，則可以減少制冷系統(tǒng)的投資，帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。

羅東曉[8]通過技術(shù)工藝路線比較，選擇氣波制冷機(jī)作為壓力能/冷能轉(zhuǎn)換設(shè)備，設(shè)計(jì)了1套將天然氣余壓制冷運(yùn)用于冷庫(kù)的工藝。以某城市的一個(gè)天然氣調(diào)壓站為例，該調(diào)壓站天然氣處理量為100×104m3/d，進(jìn)站壓力為5.0 MPa，出站壓力為0.4 MPa，按照該調(diào)壓站的壓比及天然氣處理量規(guī)模，運(yùn)用該工藝所回收的全部冷能可配套建設(shè)1座4000 m2規(guī)模的中型冷庫(kù)。

3.3 天然氣液化工藝

近年來，隨著國(guó)際LNG價(jià)格的上漲，我國(guó)對(duì)LNG的進(jìn)口受到了限制，因此國(guó)內(nèi)正自主大力發(fā)展天然氣液化產(chǎn)業(yè)，將天然氣管網(wǎng)調(diào)壓過程所產(chǎn)生的冷能加以利用并用它來液化天然氣，可節(jié)約大量成本，具有很大的應(yīng)用前景。

圖2 水合物調(diào)峰工藝流程

國(guó)內(nèi)天然氣液化制冷主要采用膨脹制冷液化工藝，高俊[9]采用透平膨脹機(jī)作為壓力能回收設(shè)備，設(shè)計(jì)了壓差液化天然氣工藝，主要包括：預(yù)冷冷劑循環(huán)：冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至高壓并逐級(jí)冷卻，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓降溫返回?fù)Q熱器，為預(yù)冷提供冷量，最后返回冷劑壓縮機(jī)，完成預(yù)冷循環(huán)；天然氣膨脹制冷支路：一部分物流經(jīng)冷劑循環(huán)預(yù)冷后進(jìn)入膨脹機(jī)，降壓、降溫后返回?fù)Q熱器為液化流股天然氣提供冷量，最后經(jīng)膨脹機(jī)壓縮端增壓后進(jìn)入天然氣管網(wǎng)；天然氣液化支路：一部分物流經(jīng)膨脹機(jī)增壓后進(jìn)入換熱器預(yù)冷，通過膨脹機(jī)降溫后進(jìn)行重?zé)N分離。液相去凝液回收處理裝置，氣相去換熱器進(jìn)一步液化并節(jié)流降壓至儲(chǔ)存壓力，最后進(jìn)行LNG和BOG分離。

以西氣東輸管道公司的某天然氣分輸站為例，該站進(jìn)站壓力為7.0 MPa，溫度為298 K，流量為100×104m3/d（標(biāo)況），外輸壓力為2.5 MPa。通過模擬計(jì)算可得該分輸站采用該液化流程后，LNG產(chǎn)量可達(dá)5759 kg/h，年均利潤(rùn)總額為0.717億元，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4 天然氣余壓發(fā)電-制冷

國(guó)內(nèi)外天然氣余壓利用主要分為發(fā)電和制冷兩大類，有研究者提出將二者結(jié)合，即在余壓發(fā)電的同時(shí)進(jìn)行制冷，以達(dá)到對(duì)所回收的天然氣壓力能高效利用的目的。余壓發(fā)電-制冷工藝主要包括發(fā)電-制冰工藝和發(fā)電CNG加壓工藝。

4.1 制冰工藝

陸涵[10]對(duì)深圳求雨嶺門站高壓管網(wǎng)余壓發(fā)電-制冰項(xiàng)目進(jìn)行了研究，其是我國(guó)首個(gè)天然氣壓力能利用項(xiàng)目，該工藝主要包括4個(gè)系統(tǒng)：

1）天然氣調(diào)壓發(fā)電系統(tǒng)。來自輸氣干線的高壓天然氣經(jīng)節(jié)流降壓后，經(jīng)透平膨脹機(jī)膨脹降壓體積增大，對(duì)外做功發(fā)電，溫度和壓力均大幅下降，在與循環(huán)冷媒換熱，溫度升高至用戶允許的安全溫度后，輸入下游天然氣管網(wǎng)。

2）電壓縮冷媒循環(huán)系統(tǒng)。氣態(tài)的冷媒R404A分兩路，分別經(jīng)過壓縮和換熱至所需溫度和壓力后混合，并與鹽水換熱，溫度升高，進(jìn)入下一個(gè)冷媒循環(huán)周期。

3）循環(huán)水系統(tǒng)。冷水與壓縮后的的冷媒R404A換熱升溫，并進(jìn)入下一循環(huán)周期。

4）制冰系統(tǒng)。制冰機(jī)內(nèi)的水在低溫冷媒的作用下，凝結(jié)成冰，運(yùn)往用戶。

該項(xiàng)目取制冰系統(tǒng)的制冷系數(shù)COP為2，經(jīng)計(jì)算制冷劑從低溫天然氣回收冷量相當(dāng)于節(jié)電141 kW，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，該項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為25.99萬(wàn)元，投資回收期為7.42年，均好于行業(yè)基準(zhǔn)值，該投資項(xiàng)目具備財(cái)務(wù)可行性。

4.2 CNG加壓工藝

張輝[11]指出，CNG加氣母站一般距離高壓天然氣管網(wǎng)較近，因此，在高壓調(diào)壓站內(nèi)可使用發(fā)電-CNG加壓工藝，采用該工藝可提高能源利用率并可降低制取CNG的運(yùn)營(yíng)成本。

天然氣余壓-CNG加壓工藝為天然氣經(jīng)過膨脹機(jī)發(fā)電，將所發(fā)電能供給壓縮機(jī)加壓，達(dá)到制備CNG的目的。主要包括3個(gè)系統(tǒng)：

1）天然氣發(fā)電系統(tǒng)。天然氣經(jīng)過膨脹機(jī)膨脹發(fā)電后，溫度和壓力降低，經(jīng)換熱后進(jìn)入下游城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，膨脹機(jī)所發(fā)出的電能為天然氣加壓系統(tǒng)提供電能。

2）天然氣加壓系統(tǒng)。在加壓系統(tǒng)中，天然氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓至25 MPa后，進(jìn)入換熱器與低溫天然氣換熱，待溫度降低至規(guī)定溫度后，進(jìn)入CNG管道、罐或槽車。

3）制冷劑系統(tǒng)。高溫制冷劑進(jìn)入換熱器與低溫天然氣換熱后，溫度降低將冷量傳遞給需要用冷的用戶后返回，完成循環(huán)。該工藝適用于大型調(diào)壓站，且附近配備有已建成或?qū)⒔ㄔO(shè)的CNG加氣母站。

5 結(jié)論

天然氣余壓利用工藝可在降低設(shè)備投資的同時(shí)獲得較大的經(jīng)濟(jì)收益，具有良好的發(fā)展前景。

1）該技術(shù)促進(jìn)了天然氣節(jié)能技術(shù)發(fā)展，降低企業(yè)的運(yùn)行成本，帶動(dòng)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展，解決了天然氣井場(chǎng)的電力需求問題。

2）天然氣余壓利用技術(shù)提高了設(shè)備運(yùn)營(yíng)安全性，天然氣經(jīng)過節(jié)流閥時(shí)，產(chǎn)生的急劇降溫將會(huì)對(duì)設(shè)備和管道造成危害，影響設(shè)備運(yùn)行安全，通過透平膨脹機(jī)發(fā)電和冷能利用，將余壓余能、冷能回收利用，這將使管道輸送更為安全可靠。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.11.006

楊會(huì)豐，工程師，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），從事油氣田節(jié)能工作，E-mail：yanghf_cq@petrochina.com.cn，地址：陜西省西安市未央?yún)^(qū)明光路長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院，710021。

2017-09-07

（編輯 沙力妮）

新疆石西油田