天然氣壓差發電技術在調壓門站的應用

王堯 楊海紅 何力 杜德飛 趙靚

（1.中國石油西南油氣田分公司安全環保與技術監督研究院；2.國家能源高含硫氣藏開采研發中心安全環保技術研究所）

引言

隨著天然氣產業的迅速發展，我國加快了天然氣管網的建設，但氣源距離主要用氣城市較遠，因此我國天然氣輸送多采用高壓長輸管道，如“陜京二線”、“西氣東輸”的輸氣壓力都達到了10 MPa[1]。天然氣從高壓管道進入城市管網系統前要進行調壓，傳統調壓過程并未利用管網壓力能，白白浪費了大量的能量。

從氣田開采的大量純天然氣經長輸管線送至城市，為配合城市各級輸氣管網的運行，需在門站內將燃氣由高壓（如長輸管道設計壓力為10 MPa）降為較低壓力（我國城鎮燃氣管道壓力多為1.6～4.0 MPa）[2]。調壓站一般采用直接將燃氣通過節流閥降壓降溫（焦耳—湯姆遜效應），壓力能完全消耗在克服流動阻力上，未推動任何機械做功，浪費大量的能量[3-4]。假定管網壓力為10 MPa，終端用戶的壓力為0.8 MPa，則每公斤可回收的最大壓力能為359.12 kJ。若年輸氣量為120萬億立方米，取氣體比容為1.5 m3/kg，則質量輸氣量為80×108kg/a，則每年可回收的最大壓力能為28 729.6×108kJ。由此可見，天然氣運輸管網中蘊含著大量的壓力能，如果能對這部分能量進行回收，將會極大的提高能量利用率、提高管網運行的經濟性，符合國家節能減排的基本政策，具有重要的經濟效益和社會效益。

目前天然氣壓力能回收能量利用方式主要包括冷量利用和機械能利用。其中冷量利用主要包括制冷和儲氣調峰兩種方式；機械能利用主要是帶動發電機進行發電。

1 壓差發電技術

利用高壓天然氣管道壓力能發電的基本原理就是利用高壓天然氣降壓時體積膨脹產生的機械能和位能來驅動發電機發電。

1.1 工藝介紹

來自高壓天然氣管網中的高壓天然氣首先經過透平膨脹機膨脹通過轉軸輸出機械能，進而帶動發動機實現對外供電，將壓力能轉換為電能。膨脹做功后的中壓天然氣溫度低于管道輸送要求，需要將其加熱至要求的溫度再進入中壓管網中（圖1）。

圖1 天然氣膨脹發電流程

表1 膨脹機對比

1.2 關鍵設備

根據壓差發電的原理，流程的主要設備有：透平膨脹機、發電機組以及加熱器[5]。膨脹機和發電機是天然氣壓差發電的關鍵設備，其中膨脹機的功能是將天然氣的內能轉化為機械能。其性能的優劣直接影響發電系統的整體發電效率。

根據氣體膨脹輸出外功的方法，膨脹機分為容積式和透平式兩大類。容積式又分活塞式，波紋管式，膜片式，齒輪式，轉子式，螺桿式等幾種。常見的幾種膨脹機對比見表1。

綜合以上對比，按照不同進出口壓力等級，流量和氣質組成，建議在天然氣管網壓力能項目可采用透平膨脹機或螺桿膨脹機。

1.3 發電潛力計算

根據熱力學原理，是工質（例如天然氣）的狀態參數，是其能量中理論上能夠可逆地轉換為功的最大數量，采用方法可以有效的分析天然氣從高壓狀態P1到低壓狀態P2可輸出的最大功[6]。

變化：

式中：Cp為定壓比熱容，kJ/（kg·K）；T為溫度，K；P為壓力，MPa；M為氣體摩爾質量，kg/kmol；狀態1為進口，2為出口，0代表環境狀態。

一定質量流量天然氣的壓力率計算公式為

式中：Pt為壓力率，kW；qV為標準狀態下天然氣體積流量，m3/h； ρ為標準狀態下天然氣密度，kg/m3； ex,p為天然氣的比壓力，kJ/kg； Rg為天然氣氣體常數，kJ/（kg·K）。

則實際發電功率的計算公式為

式中：ηe為壓力能發電比率，一般為40%～45%。

2 應用分析

根據調研，選取典型調壓站參數進行舉例分析，氣源條件如表2。

表2 典型調壓站管網壓力能利用氣源條件

根據以上參數，為保證系統運營的持續時間，可初步設定壓力能利用系統的三種工況，膨脹機進口壓力取中低值即2.5/2.0 MPa；該系統出口壓力設計取略高值即1.0/0.8 MPa，以保證該支路氣體的優先通過；為保證調壓系統的切換靈活性，壓力能對應的流量設定為平均流量的50%以下。

因此，在20 000～30 000 m3/h（標況）時，根據設備特點該膨脹發電工藝擬采用1套透平膨脹發電機組用于減壓發電，壓力從2.5～2.0 MPa減至1.0～0.8 MPa，電力輸出額定功率為300 kW，具體參數見表3。

表3 發電工藝參數

由表3可見，該項目壓力能輸出規模為300 kW電力及對應冷能，如何將電力及冷能進行高性價比的使用或消耗，應根據場站地區市場進行配套設計。

根據實際產業發展需求，此報告針對川渝地區特點，設計該項目發出電力用于CNG生產。電力用于壓縮機，同時冷能可相應消化。CNG是燃氣公司相關產業，在生產安全要求、生產調度范疇，同燃氣調站有較密切的關聯，可較容易的控制及管理。并且川渝地區有CNG應用市場，該應用方式較為符合現有市場條件。現按照發電量300 kW，可確定建設CNG設備用電規模：可配備1套約250 kW功率CNG壓縮機。項目的總投資估算為660萬元，詳情如表4。

表4 項目總投資估算

根據以上估算的投資，項目的經濟指標如下：生產CNG項目預計運行時間為5000 h/a，項目節電量為150×104kWh。電價按照0.9元/kWh計算，該項目年節電效益約為135萬元。按照單純節電效益計算，項目靜態投資回收期約為4.9年。

3 結論

1）天然氣管網壓力能發電用于CNG，不僅可以充分利用天然氣余壓，降低下游企業高耗能的日常維護成本，同時，通過循環冷卻工藝，還可使降壓后的天然氣滿足管輸天然氣的溫度要求，避免了再使用燃料天然氣加熱調壓后的低溫天然氣，因此，該技術具有良好的節能減排效果，值得推廣。

2）雖然目前天然氣壓差發電技術研究較成熟，工程應用正處于快速發展階段，但是，壓差發電項目在實際工程應用中，仍然存在一些工程問題需要解決，如膨脹機存在密封問題，存在天然氣泄漏風險，在透平式膨脹機高轉速運行條件下，存在較大的噪音等等，在天然氣壓差發電系統商業化運行前，必須經過多次中式實驗，解決系統運行過程中可能存在的問題。

[1]劉賀群，余洋.我國天然氣管網發展現狀和趨勢[J].當代石油石化，2005，13（12）：11-15.

[2]孫潔.城市門站壓力能回收設備研究應用進展[J].煤氣與熱力，2010，30（7）：A18-A20.

[3]Jaroslav Pogivil.Use of expansion turbines in natural gas pressure reduction stations[J]. ActaMontanisticaSlovaca，2004，9（3）：258-260.

[4]MahmoodFarzaneh，Gord，Mahdi，DeymiDashtebayaz.Recoverable energy in natural gas pressure drop stations：a case study of the khangiran gas refinery[J]. Energy，Exploration&Exploitation，2008，26（2）：71-82.

[5]D.M.Shen,F.Fernandes and J.R.Sim?es-Moreira.Using gas pipeline pressure to liquefy natural gas or generate electricity[J].Hydrocarbon Processing，2006，85（1）：47-50.

[6]趙先勤，史宇倩.天然氣壓力能發電項目的應用[J].燃氣輸配與儲運，2017，37（5）：B01-B05.