天然氣降壓?損失分析及余壓膨脹關鍵技術

舒建國，張會明，劇成成，王立群，曲宏偉

（冰輪環境技術股份有限公司，山東煙臺 264000）

0 引言

天然氣相對于煤炭是一種較清潔的能源，采用天然氣替代燃煤可有效緩解大氣污染，提升人民生活質量。但我國是一個富煤貧氣的國家，雖然天然氣儲量豐富，但我國人口眾多，能源消耗巨大，屬于天然氣相對缺乏的國家。我國天然氣占一次能源的比例不足10%，并且天然氣主要分布在西部、中部及海域地區，東部人口稠密地區相對匱乏。天然氣主要依靠管道輸送和LNG進行地域供給需求的調節和匹配。為調整能源結構和擴大內需，我國于2000年提出西部大開發建設，建立了“西氣東輸”、“川氣東送”、“中衛-貴州天然氣管線”、“緬甸-中國天然氣管線”等等一系列天然氣遠輸管線。2017年，京津冀地區“煤改電、煤改氣”計劃的實施，有效緩解了該地區的霧霾問題，也刺激了天然氣產業的快速發展，預計2020年，我國天然氣管道年輸送量將達4.2×1011Nm3以上。

當前世界上天然氣長輸管道均采用高壓，各地的天然氣調壓站，根據下游用戶的供氣要求，將主干道上的天然氣進行降壓后供給城市燃氣用戶。天然氣的降壓目前主要通過調壓撬裝置完成，通過節流方式降低天然氣壓力將上游天然氣的增壓耗能完全浪費掉。天然氣在降壓過程中產生很大的壓力降，釋放大量的壓力能，同時降壓后溫度明顯下降，產生大量的冷能[1]。

國外的長輸管線的設計壓力都在10 MPa以上[2-3]。而中國城鎮燃氣管道設計壓力均在4 MPa以下，可回收的壓力能巨大。城鎮燃氣管道設計壓力分級參見表1。

表1 城鎮燃氣管道設計壓力（表壓）分級

針對壓力能進行回收的歷史由來已久，美國是最早對天然氣壓力能進行回收的國家，1983年，美國在加利福尼亞南部的天然氣門站安裝了第一臺制冷膨脹發電機組回收天然氣的壓力能發電并制冷。英國近年的研究更傾向于天然氣管道壓力能綜合回收利用。2009年1月，英國國家電網和2OC公司聯合在倫敦東部天然氣管道上安裝了微型渦輪膨脹機，對天然氣管道上的壓力能進行回收，這些膨脹機體積小，直徑僅20 cm，但是發電功率可以達到1,000 kW[4]。2001年，日本東京電力公司開工建設了一座利用天然氣的壓差發電的發電站，發電能力為7,700 kW[5]。國內西安交通大學的邢子文教授[6]也申請了一種燃料電池汽車用螺桿壓縮-膨脹機組。歐美國家及俄羅斯利用管道壓力能液化的技術比較成熟[7]。

目前，申安云等[8]進行了天然氣管網壓力能利用的?分析。國內求雨嶺門站已經成功實施“天然氣管網壓力能發電制冰技術的開發及應用”項目，該項目天然氣流量36×104m3/d，標稱發電輸出功率200 kW，日制冰能力80 t，制冰冷量441 kW，其中170 kW直接從低溫天然氣回收冷能，蒸發溫度按照-16 ℃計，系統COP約為2，僅回收冷能一項，每小時可節電85 kW，該系統工藝流程圖如圖1所示[9]。許靖煊等[10]采用天然氣發電結合余熱驅動吸收式制冷與LNG冷能聯動供冷，高效地服務于常規電網供能系統。趙先勤等[11]給出了發電輸出功率為45 kW的天然氣膨脹發電機組成功運轉案例。趙思越等[12]通過蓄冷裝置收集L-CNG汽化放出的冷能，供周邊辦公住宅使用。闞蘇玉等[13]回收LNG燃料船在使用燃料發電時的冷量，利用Rankine發電循環可回收約102.6 kW電量。此外國內部分管網利用壓力能單級膨脹制冷結合天然氣的液化工藝，在中石油西南分公司、江陰天力、瀘縣LNG工廠和蘇州華峰也均有成功應用案例[14]。我國的天然氣余壓膨脹利用技術仍有很大的發展空間，尤其在投資回收期和投資回收比方面，存在很大的改善空間。

圖1 求雨嶺天然氣管網壓力能發電制冰技術流程圖

1 天然氣遠輸降壓過程?損失分析

1.1 天然氣降壓狀態點

天然氣的主要成分是甲烷，含量在95%以上，為簡化分析，假定天然氣的中僅含甲烷（Methane）。

設定天然氣降壓過程起點1點的狀態為：甲烷的壓力和溫度分別為10.1 MPaA和293.15 K，降壓終態壓力為4.1 MPaA，環境溫度為T0為293.15 K。將兩種降壓過程分別繪制在甲烷的T-S圖上，詳見圖2，曲線1-2為絕熱節流過程，曲線1-2'為等熵膨脹過程。

圖2 甲烷10.1-4.1 MPaA降壓過程曲線

兩種降壓過程的初終態和標準參比狀態3列于表2。

從表2中可見，節流降壓后溫度為-5 ℃，高于膨脹降壓出口溫度-43 ℃。

表2 甲烷不同降壓過程狀態參數表

1.2 天然氣降壓過程?分析

相對于確定的環境狀態，工質的焓?只取決于工質的狀態參數。一定狀態下質量為m的工質的焓?可表示為：

比焓?可表示為：

穩定流動系統?平衡方程為（忽略位能變化）：

式中：

ex,h——工質的比焓?，J/kg；

H——焓，J/kg；

To——環境溫度，K；

cp——工質的比定壓熱容，J/(kg·K)；

T——工質所在狀態下的溫度，K；

R——摩爾氣體常數，8.314 J/(mol·K)；

M——工質的摩爾質量，kg/mol；

p——工質所在狀態下的絕對壓力，MPaA；

pO——環境絕對壓力，MPaA；

ωi——軸功；

i——?損失。

對于絕熱節流過程：

調取表一中狀態參數，代入式(4)中，絕熱節流過程的?損失為118.49 kJ/kg，且根據式(4)，環境溫度越高?損失越大。

定義膨脹降壓過程為可逆絕熱過程，絕熱膨脹過程的做功為：

調取表2中狀態參數，代入式(5)中，絕熱膨脹過程的可輸出軸功為100.38 kJ/kg。

1.3 天然氣降壓過程能量回收潛力巨大

通過穩定流動過程?平衡方程的分析可知，絕熱節流過程的壓降全部轉化為?損失，沒有可用功的輸出。而采用膨脹機可對絕熱膨脹過程的膨脹功進行有效回收，單位天然氣可回收功為100.38 kJ/kg，節能效果顯著，能源利用水平較高，但從圖1中亦可看出，絕熱膨脹過程終了狀態溫度低于絕熱節流過程終了狀態溫度，采用膨脹降壓過程可以獲得低溫環境。為保證管道的安全和避免天然氣中水分的析出凝固，絕熱膨脹過程需要更大的復熱量。

未來天然氣產業遠輸的發展方向是高壓力。甲烷的標準參比參數定為101.325 kPa和20 ℃，密度為0.66816 kg/Nm3。如果每年有2,000×108Nm3管道天然氣采用膨脹發電機組回收膨脹過程壓力能，膨脹機的絕熱效率取0.8，發電機發電效率取0.95，每年可回收壓力能9.56×109MJ，相當于307 MW的電站一年的發電量，回收潛力巨大。

2 高壓管網天然氣膨脹發電關鍵技術

2.1 膨脹機的選取

膨脹機是利用高壓氣體的膨脹降壓向外輸出機械功并伴隨氣體溫度變化的動力設備。膨脹機按能量轉換方式的不同，可分為速度式和容積式兩大類。速度式膨脹機適用于流量大、負荷穩定的場合，如透平膨脹機，容積式膨脹機適用于小流量、負荷波動大的場合，如螺桿式膨脹機等[15]。

深圳求雨嶺高壓管網壓力能發電-制冰項目在運行過程中存在較多問題：透平膨脹機的高轉速造成機組潤滑油系統溫度過高；膨脹機主軸轉速過高，需匹配大減速比的減速箱，影響減速箱的使用壽命和強度；發電連載壓縮機的時候，電流波動較大，影響壓縮機的轉速[16]。筆者提出了采用無油的、低速、高效的螺桿膨脹機的改進設想。

螺桿膨脹機對液體和凍結雜質雜質不敏感，并且帶液量越大，膨脹機的間隙越小，泄露損失越小，絕熱效率越高，而透平膨脹機需要克服帶液氣流對葉輪的沖擊等一些列問題。透平膨脹機要求流量和參數要相對穩定，偏離設計工況10%之后效率急劇下降，螺桿膨脹機適應變工況能力強，在負荷變化不超過50%范圍內能平穩可靠工作，在低負荷下仍能維持45%以上的內效率[17]。螺桿膨脹機轉速和發電機轉速更加接近，膨脹機和發電機可直連，齒輪和軸承問題相對容易解決，而透平膨脹機轉速一般在上萬轉，需要增加高精度的齒輪箱。基于以上優勢，螺桿膨脹機近幾年得到了快速的發展。

2.2 膨脹機的復熱

天然氣不可避免的存在水蒸氣，天然氣膨脹降壓的同時溫度急劇下降，各組分分壓力發生變化，一部分水蒸氣析出甚至凝固，對膨脹設備產生一定的危害。

根據道爾頓分壓力定律可知，理想氣體混合物中各組元的摩爾數之比等于分壓力之比，即：

式中：

na——水蒸氣的摩爾數；

nc——甲烷的摩爾數；

pa——水蒸氣的分壓力，kPa；

pc——甲烷的分壓力，kPa。

假設天然氣和水蒸氣的混合氣體為理想氣體，實際計算過程多為計算膨脹前后的焓差計算膨脹發電量。根據標準GB 17820-2012《天然氣》的規定，在交接壓力下水露點應比輸送條件下最低環境溫度低5 ℃。若最低環境溫度取-10 ℃，則天然氣水露點溫度為-15 ℃。

膨脹機入口狀態參數：查NIST物性參數程序可知，-15 ℃對應的水蒸氣飽和壓力為0.17 kPa，即水蒸氣在天然氣中的分壓力為0.17 kPa，而總壓力P=10.1 MPa，水蒸氣的摩爾占比等于0.17/10100。

絕熱等熵膨脹后，膨脹機出口狀態參數：此時總壓為4.1 MPa，水蒸氣的分壓力為4.1×0.17/10,100=0.07 kPa，此時水露點溫度為-23.99 ℃。根據表2可知，天然氣絕熱膨脹后溫度將降低到-43 ℃左右，遠低于出口的水露點溫度，為避免水蒸氣析出凝凍在旋轉設備上，造成旋轉設備動平衡失穩，有必要對膨脹前或膨脹中的天然氣進行復熱。

2.3 不同條件下復熱功率和發電量計算

計算條件：1）介質組分甲烷；2）采用螺桿膨脹機，進氣復熱的方式，流量為104Nm3/h；3）膨脹機出口溫度為5 ℃；4）膨脹機效率取0.75。

對膨脹過程進行模擬。流程圖如圖3。混合器MIX-102將水蒸氣和甲烷混合均勻，E-100為進氣復熱器，K-100為螺桿膨脹機。

圖3 膨脹機膨脹流程圖

分別模擬膨脹機進氣壓力、進氣溫度、排氣壓力以及進氣露點溫度對復熱量、發電量和排氣露點溫度的影響。

膨脹機進口溫度維持20 ℃，膨脹機出口溫度為5 ℃，出口壓力4 MPa，膨脹機進口壓力由10 MPa以0.5 MPa的壓差逐漸降低至5.5 MPa時，計算復熱量和發電量隨進口壓力的變化規律。由圖4可以看出，隨著進口壓力的降低，復熱量和發電量都在不斷下降，復熱量的下降速度更加明顯，當排氣壓力為7.3 MPa時，復熱量等于發電量，吸氣壓力再降低，復熱量將小于發電量。

圖4 復熱量和發電量隨進氣壓力的變化規律

膨脹機出口溫度為5 ℃，膨脹機進口壓力8 MPa，出口壓力4 MPa，膨脹機的進口溫度由5 ℃升至30 ℃，由圖5可知，發電量不變，復熱量急劇下降，當進氣溫度為23 ℃時，復熱量等于發電量。

圖5 復熱量和發電量隨進氣溫度的變化規律

膨脹機出口溫度為5 ℃，膨脹機進氣壓力10 MPa，膨脹機的進氣溫度20 ℃，膨脹機出氣壓力由4 MPa 降至2 MPa，由圖6可知，復熱量和發電量均隨著排氣壓力的下降而不斷下降，在指定條件下，復熱量總是大于發電量。

圖6 膨脹機排氣壓力對復熱量和發電量的影響

膨脹機進口壓力10 MPa，進口溫度20 ℃，出口壓力4 MPa，出口溫度為5 ℃，計算進氣露點溫度對復熱量、發電量和排氣露點溫度的影響。由圖7可知，進氣露點溫度在-15 ℃～5 ℃之間變化時，對發電量無影響，但復熱量隨著進氣露點溫度的升高略有增加，進氣露點溫度升高20 ℃，復熱量增加0.6 kW，占總復熱量的比值為0.24%，進氣露點影響排氣露點溫度，排氣露點隨著進氣露點的增加而增加。

從以上圖表可以總結出，隨著進排氣壓差的增大，發電量增大，進氣壓力越高，排氣壓力越低，發電量越大，但同時進排氣壓差越小，復熱量占發電量的比例越小。進氣溫度和進氣露點溫度對發電量幾乎無影響，復熱量隨著進氣溫度的升高而降低，隨著進氣露點溫度的升高而增大。進氣露點直接影響排氣露點溫度，進氣露點溫度越高，排氣露點溫度也越高。

圖7 進氣露點溫度對復熱量、發電量及排氣露點溫度的影響

3 結論與展望

針對當前天然氣高壓遠輸過程存在的巨大壓力能，以熱力學中穩定流動過程中?損失理論，分析了天然氣調壓站中兩種降壓模式的?損失。結果表明，絕熱節流過程的?損失為環境溫度與熵變之積，可回收功為零，而絕熱膨脹過程?損失為零，可回收功為焓差。并根據道爾頓分壓力定律，計算了降壓后，天然氣中水分的析出會對膨脹系統造成的問題。最后計算了天然氣膨脹發電量和復熱量隨進出口壓力、溫度和露點溫度的變化情況，為天然氣膨脹工藝的設計提供了一些優化思路。

天然氣膨脹過程會產生大量高品位余冷，如果此處余冷被有效利用，整個系統的能源利用水平將更高。天然氣膨脹發電系統高品位余冷的利用程度越高，復熱量越小。鑒于實際工程應用現狀并不樂觀，未來開發適用于低溫下的無油螺桿膨脹機、解決系統材料、軸承潤滑和余冷回收所需的高效換熱器，將是天然氣減壓站余壓余冷能源回收利用的關鍵問題。