基于天然氣管網壓力能生產LNG技術要點

許 杰

北京安珂羅工程技術有限公司，北京 100015

1 利用天然氣管網壓力生產LNG技術研究的意義

當代社會人們對于天然氣的需求量逐漸加大，因此，為了滿足社會發展需要，更好地服務于社會建設，需要天然氣輸送建設朝著長距離輸送、高壓輸送等方面發展。但是在實際運輸過程中，有些問題的產生是難以避免的，會造成一定的經濟損失，為此需要相關工作人員對天然氣管網壓力能生產LNG技術要點進行分析。

第一，天然氣在輸送過程中，當進行調壓時會出現降壓現象，在一定程度上損失壓力能。而生產LNG技術對天然氣分數站對壓力能的回收起著十分重要的作用。另外，需要盡可能地避免冰凍效果的產生而對管道造成損害。為了提升天然氣資源利用率，需要對天然氣壓力能進行回收，盡可能地減少浪費，使得天然氣管網可以高效運轉。

第二，在當代社會，LNG屬于一種具有環保特性的能源，它的利用可以使得天然氣輸送不受到距離的限制。同時，LNG的價格不斷提升，使得我國需要利用國內現有資源進行高效利用，以保證天然氣行業的可持續性發展。

第三，現階段，我國部分領導對利用天然氣管網壓力能生產LNG技術不夠重視，并且這方面生產技術還不夠完善，使得回收效果并不是十分理想，所以對這項技術進行開發研究十分具有意義，將會對我國社會經濟發展起到一定的促進作用[1]。

2 針對天然氣管網有效壓力能進行分析研究

2.1 高壓天然氣壓力能的熱力學分析

根據理論研究，將其演變成任一形式的能量。但可以對壓力潛能進行評估，還能夠在此基礎上形成高壓天然氣壓力計算模型。所以，使用火用分析法評價高壓天然氣管網可以利用的壓力能潛力是具有一定合理性的。

2.2 回收壓力能制冷設備的熱力學分析

在向下游用戶輸送高壓天然氣時，需要在壓力值降到最低時才可以進行輸送[2]。目前，在進行輸送時主要是通過降壓的方式進行供氣，雖然可以做到節流降壓，但是也損失了部分壓力能，因此壓力能液化氣的重要性越發突顯[2]。通常情況下，為了實現對天然氣體降溫的目的，需要借助高壓氣體，并在此基礎上運用氣流閥和透平膨脹機。其中，氣流閥主要是將流通管道的橫截面積和氣流速度予以改變，從而盡可能地減少流體壓力，高壓氣體從節流閥中通過，會使得阻力有所降低，這種方式是不可逆的。而透平膨脹機，盡可能地需要降低溫度，進而實現制冷。同時，需要根據流體速度發生變化的同時進行能量轉換，進而產生膨脹反應，有效地避免了損耗。

2.2.1 節流閥

節流閥的膨脹制冷原理。節流閥：為了能夠有效改變流體速度，可以在流道的橫截面發生改變的時候進行，進而使得流體壓力調節閥有所降低。高壓天然氣從氣流閥中流出來，會因為產生一定的阻力使得天然氣壓力發生變化而降低。另外，當節流效應成為零，天然氣在膨脹過程中溫度會有所降低。

2.2.2 透平膨脹機

絕熱膨脹制冷原理。為了實現低溫，絕熱膨脹機絕對是有效的方法，在此過程中使得流體的速度發生變化實現能量轉換，并在膨脹機中發生膨脹反應，進而有助于動能的產生，輸出外功，使得流體的溫度降低。高壓天然氣在靜噴嘴環道中可以通過膨脹改變速度，從葉柵中流出，降低天然氣動能，實現對外做功的目的。

由此可以得出，天然氣長輸管線分輸站具有回收壓力的潛能；透平膨脹機的使用可以產生制冷量和有用功，提高壓力能的回收率，所以，回收天然氣管網壓力能制冷的有效方法是利用透平膨脹機。

3 利用聯立模塊法壓液化工藝選擇

3.1 分輸站壓差液化天然氣工藝流程

對液化天然氣進行回收可以減少凈化成本，對脫硫脫碳進行深度處理，逐漸符合關于凈化提出的相關標準。對于預冷壓差液化流程，可以通過冷劑來提供預冷冷量，進而實現預冷冷劑的無限循環[3]。對于膨脹制冷支路來說，分輸站是在完成脫水之后，利用制冷劑實現預冷循環，之后，通過降低壓差和溫度使其能夠重新返回到分輸站。天然氣管網壓力能的能量發生變化是由于分輸站的調壓過程導致的，因此，需要將這些在調壓過程中減少的能量運用LNG技術盡可能地進行回收。因為透平膨脹機在對壓力進行回收時，所利用的效率比較高，因此會使得制冷效果有所提升，所以可以在壓差液化過程中運用該設備，對膨脹前的壓差液化流程和膨脹后外冷壓差液化流程實施同一種技術工藝，可以利用聯立模塊法對以上幾種流程進行計算，從而使得經濟效益有所提升。

3.2 分輸站壓差液化流程中的模塊

分輸站壓差液化流程主要是通過接口將每個模塊連接起來，并在此基礎上保證模塊的物質、能量轉換可以實現，同時還能夠使得壓力相等，還能夠使得進出量得以平衡。

3.3 分輸站壓差液化流程系統數學模型

分輸站液化流程分為部件模型和數學模型兩類[4]。工藝系統穩態模擬的數學模型在建設過程中，主要是將單位模型作為基礎，在此基礎上根據分數壓差液化流程部件單元模型形成。在此過程中不但能夠得知自由度和輸出變量，還能夠在一定程度上對壓差液化流程進行優化，使其更加具有穩定性和安全性。

3.4 流程的篩選和模擬

通過壓差液化系統，將相關軟件結合起來，逐漸建立數學模型[5]。壓差的變化會使得天然氣液化率發生變化，隨著壓差的加大而升高，同時分輸量也會對天然氣液化率產生影響，隨著分輸量的變化而產生變化。

4 利用天然氣管網壓力能生產LNG的研究內容和方法

一是對壓力能設備進行研究，并對分輸站的回收壓力能的使用效率等情況進行分析研究。二是根據液化天然氣對于壓力差的理論原則，盡可能地對分輸站在回收前所浪費的壓力能進行計算，并按照不同的壓力能制定回收工藝。三是建立關于液化流程的數學模型，為液化工藝流程創造理論依據。四是建立利益計算函數，根據實際情況選擇最為有效的條件。五是在現有基礎上盡可能地對工藝流程進行優化，以提升經濟效益。

外冷循環可以分成膨脹前預冷壓差液化流程和膨脹后外冷壓差液化流程；回收壓力能液化天然氣并在此基礎上建立數學模型主要是利用聯立模塊法，之后利用計算機的輔助作用對流程進行適時地監督和管理，其中壓差液化率最高是18%。外冷循環的壓差液化系統中外冷循環的加大，會在一定程度上對天然氣液化率產生影響。天然氣分輸站利用膨脹前預冷壓差液化流程過程中，這時的利潤率較高，同時經濟效益也較高。綜上可得，利用天然氣管網壓力能生產LNG工藝是壓縮式的膨脹前預冷壓差液化流程。

工藝流程模擬主要是利用實際工藝流程，之后對化工操作和煉油過程運用數學方法進行對比，計算先后能量，最后將整個液化流程進行模擬，并對結果進行觀察，可以在一定程度上彌補工藝中先存在的問題，及時升級改造。

綜上所述，在膨脹前應當預冷壓差液化流程優化研究屬于較為復雜的系統工程，在發生情況時，當各個參數在穩定不變的情況下，最優值會隨之產生改變，這時需要根據其變化情況進行相應的調整。天然氣分輸站采用壓差液化天然氣工藝進行壓力能回收，在此過程中天然氣應當符合凈化標準，長輸管線天然氣只需要符合一類標準即可。所以，在實際應用過程中，天然氣液化前需要進行深度凈化處理，并在此過程中液化過程產生的BOG等應當根據實際情況采取相應的回收處理。

5 優化方面

優化主要體現在結構優化和參數優化兩個方面。其中參數優化是在結構優化的基礎上完成的，在工藝結構確定的情況下，參數優化才會變得更有意義。膨脹前預冷液化，“冷”主要來源于外冷循環，在這一環節會消耗大量的能量，但是如果結構能夠得到比較好的優化，就可以實現節約資源的目的。其中在優化過程中應當注重以下幾個方面的問題：一是在冷劑種類的選擇上，因為選擇的冷劑種類不同，會使得最終實現不一樣的制冷效果，與此同時，對于能源的消耗也會有所不同，因此在選擇冷劑上需要對成分進行比對，之后根據實際情況選擇最為合適的冷劑。二是當冷劑有所確定之后，需要對參數進行最后的優化。

6 結語

通過對天然氣管網壓力能生產LNG技術要點進行分析研究，可以最大化地減少浪費，提升能源利用率。但是目前階段，我國LNG技術還不完善，因此需要相關工作人員不斷進行創新升級，同樣也可以借鑒國外先進的科學技術，使得研究成果能夠得到廣泛應用，促進我國社會經濟的可持續發展。

[1] 鄧佳麗. 利用天然氣管網壓力能生產LNG技術研究[J]. 中國化工貿易，2017，9（1）.

[2] 韓菁菁. 液化天然氣（LNG）儲運的安全技術及管理措施[J].中國石油和化工標準與質量，2017，37（16）.

[3] 劉偉. 液化天然氣（LNG）儲運的安全技術及管理措施[J]. 化工管理，2017（27）.

[4] 魏丁，王武昌，李玉星，等. LNG接收站天然氣盈虧計算及影響因素分析[J]. 天然氣技術與經濟，2017，11（1）：54-58.

[5] 陳杰，花亦懷，蘇清博，等. 中國首套LNG液力透平系統開發與工業化測試[J]. 天然氣工業，2016，36（5）.