天然氣管網壓力能發電制冰技術的開發及應用

杜雄飛

【摘 要】天然氣產業當中有一個十分關鍵的環節就是對天然氣官網壓力能的高效利用。本文主要對于深圳求雨嶺門站天然氣壓力能這個項目為例子，著重探討了其中天然氣官網壓力能發電制冰技術的應用和分析。以下為主要分析內容。

【關鍵詞】天然氣壓力能；發電；制冰技術；開發應用

中圖分類號： TU996 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.010

0 概述

余熱、余壓利用工程是我國當前極為重視的十項節能工程之一，并且也受到了當前我國政府部門和相關企業的重視，尤其是在高壓天然氣壓力能的回收這一方面。2015年，我國就已經建立起了兩縱兩橫的天然氣輸氣管道，可以說，這對于天然氣行業在我國的發展極為重要。但是盡管我國當前天然氣官網輸氣壓力相對較低，但是近年來也已經得到了飛速的提高，尤其是西氣東輸管道，其中最大的輸氣壓力值也已經達到了10MPa，相對于國際水平而言，也處于一個比較先進的狀態了。

對于天然氣壓力能的應用研究，美國、英國等公司通過將膨脹機技術與其他技術的相互融合，從而達到實現調壓過程當中壓力能的回收，該項研究當前也取得了一定的進展和成效。早在2008年，美國相關企業就通過將膨脹機和燃料電池組合在一起的技術的方式，從而建立了DFC-ERG系統，并且也進行了現場試驗。英國某企業也通過在某地區天然氣管道上安裝微型膨脹機發電的方式，實現了發電功率可以達到1000KW/臺的功效，而這些膨脹機的體積相對而言十分的小。而我國也通過熱分離機對天然氣脫水的裝置，實現了將天然氣管道的壓力能作為動力，從而實現了壓力能的回收。

但是盡管如此，我國的天然氣壓力能的利用也還處于初步發展的狀態，與此同時，還出現了一系列的因素直接導致了我國天然氣壓力能的應用的停滯不前，比如說天然氣管哇哦壓力能利用技術依然比較落后、政府部門所出臺的相關政策措施相對而言十分落后不匹配等等。那么此時，采取相應的技術就顯得極為的重要，并且也能夠實現節能減排、綠色環保的目的。當前，在我國現有的天然氣門站、調節站，盡肯能的降低投入成本的前提之下采取一種有效的、方便使用的工藝技術，使得能夠首先在最低成本上實現高壓管網的壓力能轉化為冷能，從而對其進行存儲，最終用于冷庫和冷水空調等相關的項目，這樣能夠有效地實現能源的循環利用，也有效的提高了能源的利用效率。而本文主要以深圳求雨嶺門站的情況入手，通過壓力能發電和制冰聯合工藝方案，并也將管道天然氣產業、制冰產業等相關的產業都進行了綜合的考慮和分析，同時也意識到我國電力行業發展中存在的問題以及當前我國電力資源緊張的情況，可以說，這種工藝方案是具有極大的優勢以及比較強的工藝示范意義的。以下為本文的主要內容。

1 深圳求雨嶺門站天然氣壓力能的利用

以下主要從設計思路、工藝流程、建設及運用情況以及經濟性分析這四個方面對于深圳求雨嶺門站天然氣壓力能的利用展開了詳細的分析探究。

1.1 設計思路

深圳求雨嶺門站天然氣壓力能利用設計思路，首先第一步：回收天然氣壓力能，主要是通過透平膨脹發電機回收的方式；第二步：天然氣在工作使膨脹，從而推送工作輪回傳輸外公，同時本身也逐漸冷卻；第三步：冷卻之后與冷媒進行換熱，而冷媒再與水進行換熱，最終實現制冰的目的。可以說，整個過程當中，最大化的實現了對于天然氣壓力能的利用。

1.2 工藝流程

深圳求雨嶺門站天然氣壓力能的利用，主要是將其用于制冰和發電，其中最主要的還是發電，即將管網壓降的壓力能進行計算，從而將其中的一部分的能量用于發電機的發電，另一部分電能則用于求雨嶺門站使用，多余的電能則應用于制冰。對于深圳求雨嶺門站的天然氣流量，大概為1.5*104m3/h，進口壓力為4MPa，出口壓力為1.65MPa，溫度為零下二十九攝氏度，制冰機使用的制冷劑主要就是R134a，工藝流程圖如下圖1：

第一步，經過調壓閥的高壓天然氣壓力強度為6MPa，經過調壓閥之后壓力降低成為了4MPa，隨后進入透平膨脹發電機，此時天然氣壓力強度為1.65MPa，此時的溫度也降低到了零下二十九攝氏度。隨后，經過了換熱器以及通過制冷劑的換熱之后，溫度上升至零上二攝氏度，之后在進入到市政管網，正常運行。而另外一方面，制冷劑會經過壓縮機壓力強度降低到了0.3MPa，此后，則會分為兩股：第一股，與透平發電機當中的天然氣進行換熱，溫度會一定程度上降低，而經過節流閥，則會膨脹為0.16MPa，溫度也會降低到零下十六攝氏度，隨后進入到制冰機展開制冰工作。第二股，天然氣壓力能經過第二個壓縮機壓力強度會降低到0.9MPa，經過第二個換熱器之后溫度的冷卻到零上三十攝氏度，經過第二個節流閥之后，壓力強度會膨脹到0.16MPa，溫度降低至零下十六攝氏度，之后在進入到制冰機制冰。

在整個過程當中，主要需要使用到以下設備：

透平膨脹發電機：發電功率為200kw。壓縮機：進口壓力為140kpa，出口壓力為300kpa。壓縮機：進口壓力為300kpa，出口壓力為900kpa。制冰機：制冰能力每天80噸左右。制冷劑存儲罐：容量為20立方米。換熱器：換熱面積為900平方米，熱負荷為700kW。水泵：功率為1.6kW，揚程為30米，主要功能為循環冷卻水循環。這個過程當中，作為發電的主要設備：透平膨脹發電機主要的功能就是發電，而壓縮機則主要是制冷的功能。而國外大多都都會將壓力能進行發電，本工藝則就實現了發電制冰的聯合技術，實現了能量的最大化的利用。

1.3 建設及運用情況

深圳求雨嶺門站天然氣壓力能的利用最大的特點就是實現了發電和制冰一體化，并且電能足夠支撐整個門站的使用，從而實現了獨立供電。但是需要注意的一點就是，由于不同的季節對于天然氣的使用情況的差異性以及不同季節對于電力的需求不同，不同溫度情況下制冷所需要的時間也不同，與此同時，天然氣的輸氣量數值也不總是十分穩定的，為是在一個空間范圍內波動，那么在這個過程當中，就需要綜合考慮到電量的需求，冰塊的需求以及天然氣的流量，從而根據這些要素設計好閥門的開度和泵的參數，盡量降低季節因為和環境因素帶來的負面的影響，實現天然壓力能的最大化的利用。而通過采用透平膨脹發單機設備，不僅能夠有效地降低投入的成本，更是能夠在最短的時間內取得更大的效果，從而有效的緩解我國當前對于電力需求不足的情況。

深圳求雨嶺站天然壓力能應用于發電和制冰，起源于2011年，直到今天其實已經投入到實際的運作當中有一段想到能夠長的時間了，這個過程當中，各方面設備的運行狀況良好。

1.4 經濟性分析

通過本工藝的應用，深圳求雨嶺門站天然氣壓力能每小時能夠發電200kW，其中105kW用于壓縮機制冰，在整個工藝流程當中，用于制冰的總共可以達到441kW，但是其中回收的能量將近可以達到170kW，而制冰劑的溫度普遍為零下十六攝氏度，COP為2，由此可計算得出，如果是在一個溫度比較低的天氣，就能夠通過壓力能的有效回收，從而實現節約85kW的電量，長期如此，所節約的電能十分可觀。

通過筆者綜合各個方面的調查，可以得出以下的數據，首先深圳求雨嶺站天然壓力能利用工藝項目所投入的全部成本大約在800*104人民幣，而每小時可節約電量大約為95KW·h，如果每年該工藝能夠運作8600個小時，那么一年可節約的電量大約是在81.7*104kW·h，按照每度量0.85元人民幣計算，一年可節約人民幣69.4*104元，而每年的制冰收益，通過相關的數據計算，大約在430.8*104人民幣左右。

2 分析

當前條件之下，深圳求雨嶺站天然氣的總流量為每小時18*104立方米，而壓力強度在調壓前是4.0Mpa，調壓之后為1.6Mpa，這些壓力能如果全部投入到發電和制冰工藝，則能夠實現每小時發電2400KW，制冰每天1000噸左右。深圳求雨嶺站天然氣壓力能的利用項目是為國內首創，因此其中的相關設備的需求也需要考慮多樣化和功能最大化。而其實該項目所使用的設備尤其是透平膨脹機滿足了當前項目對于設備的所有需求。目前，該項項目在技術方面的研究已經頗具成果，并且有也已申報了技術發明和專利。

小結：天然氣的使用可以說在我國已經十分普遍了，但是在其使用的過程當中，其實還存在著一定程度上的浪費，尤其是天然氣壓力能。而本文主要通過深圳求雨嶺門站的分析，將天然氣壓力能的使用轉變為電能和制冰，極大的解決了能源浪費的問題。本文內容可供相關人士參考。

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