頁巖氣壓力能發電可行性分析

商艷紅 周斌 李超

（1.中國石化石油機械裝備重點實驗室；2.中國石化石油機械股份有限公司研究院）

頁巖氣是一種清潔、高效的綠色能源，我國高度重視頁巖氣產業發展，已將頁巖氣擺到國家能源戰略的位置。目前，我國頁巖氣地質資源潛力為134.42×1012m3[1]，可采資源潛力為 25.08×1012m3。頁巖氣開發在國家各項政策的支持下已進入黃金時期，但在國際油氣價格持續低迷的大形勢下，降本增效仍是石油行業持續發展的重要手段，因此，頁巖氣開采過程中壓力能的利用意義非凡。

頁巖氣氣井生產初期，井口采氣樹出口壓力通常在20～70 MPa之間，管網集輸壓力為5～6 MPa，為此，需將壓力降至集氣管線壓力后輸送到集輸站進行集中處理。現有工藝普遍采用兩級節流降壓流程（圖1），由于節流降壓工藝會產生巨大冷能，容易形成霜凍，嚴重時候會發生冰堵，影響生產，需要在節流降壓前對天然氣進行預處理，一般采用燃氣水套爐對產出頁巖氣加熱。

從頁巖氣開采的工藝流程可見，節流減壓過程產生的巨大壓差能做無用功消耗掉，而水套爐的加熱處理又要消耗部分井口產出天然氣并釋放污染物，造成壓力能和燃氣的雙重浪費又污染了環境。因此，在降壓的同時回收利用頁巖氣的壓力能用于發電，不消耗任何能源，清潔、節能、安全又環保，可降低頁巖氣的開采成本，為企業帶來可觀經濟效益，更符合國家倡導發展低碳經濟、減少大氣污染物排放，發展節能減排技術和清潔能源的要求。

1 國內外壓力能發電技術現狀

美國和加拿大運行的天然氣降壓發電系統主要布置在高低壓管網之間[2]，包括渦輪膨脹機、發電機、燃料電池，以及備用燃氣鍋爐、換熱器、電能適配器、穩壓閥等配套設備（圖2）。渦輪膨脹機將高壓氣體膨脹做功轉換成機械能，帶動發電機運轉，產生電能；燃料電池根據實際情況可有可無，主要是將天然氣的化學能轉換成電能，并將產生的大量熱能通過換熱器傳遞給膨脹機入口高壓氣體，避免在渦輪膨脹機內的溫度驟降中產生霜凍損壞設備。備用燃氣鍋爐用于膨脹機停機檢修時為膨脹閥入口氣升溫，穩壓閥用于調節氣流。

圖1 節流降壓工藝流程示意圖

圖2 降壓站壓力能發電流程

加拿大Fuel cell energy公司已經實現天然氣輸送管道中余氣壓能利用的產業化（圖3）。

圖3 天然氣輸送管道中余氣壓能利用產業化

國內壓力能發電技術大多處于理論研究和實驗階段，用于產業化少。2013年，在天然氣螺桿膨脹機的開發與應用中，刁安娜等[3]探討了燃氣管網壓力能的回收方式和和應用方向，提出了利用螺桿膨脹機回收調壓站余壓發電的方案。

2018年6月，北京工業大學學報[4]上發表的某篇論文中，介紹了高壓單螺桿膨脹機設計和實驗，指出其可用于回收6 MPa以下的天然氣輸送管道中的余氣壓能。

深圳求雨嶺門站設計并應用了國內首個壓力能發電制冰項目[5]。該站發電制冰聯合系統通過透平膨脹機回收燃氣管道壓力能，將降壓后低溫天然氣蘊含的大量冷能用于制冰。其天然氣流量（標準） 為15 000 m3/h，調壓梯度為4～1.65 MPa，該項目發電能力達200 kWh，制冰規模為3.3 t/h。工藝流程見圖4。

圖4 求雨嶺門站天然氣壓力能用于發電和制冰的工藝流程

綜上所述，目前國內外對壓力能發電的研究主要是在開發難度較低的天然氣輸送管道中的余氣壓能。天然氣降壓發電系統布置在高低壓管網之間，管網中的天然氣經油氣處理廠處理后，氣質條件好，輸出流量大，壓力較低，易于開發使用。而對頁巖氣井口余壓發電的研究很少，由于頁巖氣（天然氣）井口壓力高達20～70 MPa，其氣液、雜質（砂子、鹽等）未分，要求壓力能發電裝置及膨脹機必須能夠耐高壓，并在雜質未分的情況下正常工作，開發難度大，國內外尚無開發。

2 頁巖氣壓力能發電原理

2.1 頁巖氣減壓發電流程

在頁巖氣二級節流減壓的開采流程基礎上進行改造，用膨脹機代替一級節流減壓流程，通過膨脹機的絕熱做功將壓力能轉換成機械能進行發電。將原來的燃氣水套爐更換成電力水套爐，可實現壓力能發電供自身開采流程設備用電。

頁巖氣減壓發電流程：井口采氣樹出口壓力為20～70 MPa的頁巖氣經電力水套爐加熱至65℃后，進行一級膨脹機降壓至12～14 MPa，溫度降至35℃，再進行二級節流壓降至5～6 MPa，溫度降至10℃，壓降后氣體從低壓側管道排入管網去往集輸站。膨脹機輸出端安裝發電機，將壓力能轉換成的機械能直接驅動發電機發電，發出的電能為電力水套爐供電，多余電能可供其他井場照明等輔助設備用（圖5）。

此流程實現頁巖氣開采同時發電，不需要額外的能量供應，不涉及天然氣燃燒設備，綠色環保，節能減排。壓力能發電裝置主要設備見表1，其中單螺桿膨脹機是發電的核心設備。

表1 壓力能發電裝置主要設備

圖5 頁巖氣壓力能發電流程

2.2 單螺桿膨脹機工作原理

目前高壓管網余壓發電系統普遍采用透平膨脹技術，但由于透平膨脹機無法實現氣流帶液，無法應用于頁巖氣井壓力能發電。通過技術對比確定只有單螺桿膨脹機才能適用于頁巖氣壓力能發電方案。

單螺桿膨脹機是20世紀70年代末發展起來的新型余熱余壓發電裝置。其工作原理是：蒸汽進入機內齒槽，推動螺桿轉動，隨著螺桿轉動，齒槽間的容積逐漸增大，介質降壓降溫膨脹做功，最后從齒槽末端排出；功率從主軸螺桿輸出，驅動發電機發電。其特點[6-7]在于：

1）星輪對稱布置，具有理想的力平衡，不受任何徑向或軸向氣體力，對各種工況的適應性很強，可以在不同壓力狀態下有效工作，適合油田作業條件及高壓場所。

2）單機容量大，無余隙容積。螺桿每轉1周，每一螺槽均使用2次，螺槽充分利用；排量大，最高轉速約為透平膨脹機的1/8～1/10。

3）允許氣流帶液，最適合于帶液工藝流程，帶液量愈大，膨脹機的間隙越小，泄漏越低，絕熱效率越高。

與使用透平膨脹機的天然氣余壓發電系統相比，核心部件使用螺桿膨脹機能夠很好解決氣流帶液的問題，對各種工況的適應性較強，轉速低，同時也提高了運行的可靠性，可適應于頁巖氣井壓力能發電。

3 頁巖氣壓力能發電可行性分析

3.1 涪陵頁巖氣開采情況

1）工程概括。中石化在涪陵頁巖氣區域共有300多口井，日總產量1 600×104m3，每口井平均日產量（標準）60 000 m3（其中含水10 m3），井口最高壓力30 MPa，最低壓力12 MPa，管網集輸壓力6 MPa。為達到輸出壓力，需要對高壓天然氣進行節流減壓處理，壓力能在節流過程中損失，未被利用。

2）頁巖氣生產現場裝備介紹。燃氣水套加熱爐：將頁巖氣氣井采出的頁巖氣進行加熱，防止其在節流降壓時發生冰堵，影響生產。調壓撬：將氣井采出氣進行二級節流降壓，由12～30 MPa降至5～6 MPa。分離撬：分離采出氣中的水分、砂等雜質。值班房、井場照明、污水輸送用電設施：井場用電總功率約為15 kW左右。

3）壓力能發電用途。壓力能發出的電能主要供水套爐加熱，替代原采用的燃氣加熱方式，以及凈化后的電能用以驅動污水泵和供給井場輔助設備用。

3.2 壓力能發電技術可行性

以涪陵焦石壩頁巖氣每天平均產能（60 000 m3，其中含水10 m3）、平均井口壓力（20 MPa）、集輸管線壓力（6 MPa）、井口溫度（20℃）、集輸管線氣體溫度（10℃）的工況條件為設計依據，具體計算如下所述[8]。

1）燃氣水套加熱爐功率。

若節流系數 μ=3.5，T2=10℃， P1=20 MPa，P2=6 MPa，則得出T1=59℃。該結果與現場實際情況相符，現場設定溫度為60℃。

式中： ρ——標準狀態天然氣和水密度，0.75 kg/m3和1 000 kg/m3；

C——天然氣和水常壓下熱容，2.16kJ/（kg·K）和 4.2kJ/（kg·K）；

m——天然氣和水質量；

t2——調壓后的溫度，℃；

t1——調壓前的溫度，℃。

經過計算Q=5 412.48 MJ，則燃氣水套加熱爐功率（燃氣水套加熱爐效率85%）為73.7 kW。

2）電力水套加熱爐功率。天然氣的減壓過程可簡化視為理想氣體（甲烷CH4）的絕熱恒外壓膨脹，不考慮液態水對膨脹降溫的影響，其減壓過程如下所述[9-12]

一級單螺桿膨脹機降壓（20 MPa降至13 MPa）：

式中：P1——減壓前壓力，MPa；

Pex——減壓時對抗恒外壓，MPa；

P2——減壓后壓力，MPa；

T1——一級減壓入口溫度，℃；

T2——減壓后溫度即二級減壓的初始溫度，℃；

r——甲烷的絕熱系數，取值1.314。

二級降壓為針型閥方式（13 MPa降至6 MPa）：

利用公式（1）、（2）、（3）計算，得出一級減壓入口溫度為65℃，電力水套加熱爐功率為82.9 kW。

3）壓力能發電功率計算。按照焦石壩頁巖氣生產流程采用兩級等梯度膨脹降壓，即一級從20 MPa降到13 MPa，二級再降到6 MPa，每級降壓為6 MPa。考慮發電機組標準化和通用性，仍采用兩級膨脹降壓。一級使用單螺桿膨脹機降壓，降壓6 MPa；二級使用針型閥降壓至6 MPa，同時二級針型閥也是單螺桿膨脹機的背壓調節閥。

式中：Cp,m——甲烷摩爾等壓比熱，kJ/h；

n ——1 mol。

式中：W——螺桿膨脹發電機組發電功率，kW；

G——天然氣氣質流量，m3/h；

ΔHi——單位體積天然氣絕熱焓降，kJ/m3；

η1——螺桿膨脹機效率，%；

η2——發電機效率，%。

考慮頁巖氣（天然氣）組分復雜、含砂和含水，為了保障可靠性和運行壽命，會加大螺桿與星輪之間的間隙，從而降低效率，初步設計螺桿膨脹機效率為40%，發電機效率為0.95，則螺桿膨脹發電機組發電功率約為105 kW。通過以上計算結果可得出結論，利用壓力能發電提供井場所需能量技術上是可行的。

3.3 應用壓力能的經濟可行性

1）制造成本。節流降壓方案和壓力能發電方案的成本對比如表2所示。

表2 節流降壓方案與壓力能發電方案的成本對比 萬元

由表2可知，節流降壓方案采用燃氣水套爐加熱，壓力能發電方案采用電力水套爐加熱，節流降壓方案的成本為29萬元，壓力能發電方案（單井）的成本為40萬元，新增投資11萬元。

2）運營成本。頁巖氣（天然氣）節流降壓裝備燃氣水套爐將井口采出氣（20 MPa，20℃）加熱至60℃需要73.7 kWh能量（相當于天然氣180 m3/d），則年用氣量（標準）為65 700 m3；以天然氣作為燃料，按內部價1.326元/m3計算，每年僅燃料費用是8.71萬元。井場輔助用電年支出是6.57萬元（表3）。

表3 節流降壓方案與壓力能發電方案運營成本 萬元

在不考慮燃氣水套加熱爐維保費用，使用燃氣水套加熱爐的生產流程年總營運成本為13.28萬元，而頁巖氣（天然氣）壓力能發電的生產流程沒有燃氣成本和網電成本。由表2、表3可知，壓力能發電方案增加的制造成本1年內即可收回。

3）碳排放計算。按每口井水套爐加熱180 m3/d天然氣，天然氣碳排放量0.94 kg/m3，碳排放價格20元/t計算，每口井1年水套爐碳排放量為61.75 t。使用壓力能發電方案無碳排放，增加碳排放收益1 235元。

4 結論及認識

1）頁巖氣開采過程中常規節流減壓流程會造成大量能源浪費，采用單螺桿膨脹機代替減壓閥吸收壓力能發電，并將電能用于水套爐加熱和井場其他輔助用電，技術方案可行。

2）單螺桿膨脹機是頁巖氣減壓發電系統的核心部件，北京工業大學重點實驗室已經成功研制出10 kW和40 kW樣機，而100 kW以上的單螺桿膨脹機國內還沒有相關產品的報道，單螺桿膨脹機在壓力能發電工程中具有良好的應用前景，可進一步開發和推廣應用。

3）涪陵地區頁巖氣開采中，用單螺桿膨脹機發電機組發出電力供水套爐加熱用，1年內即可收回新增成本，以后每年可節約成本13.28萬元，降低了頁巖氣的開采成本，能為企業帶來可觀經濟效益。