天然氣輸配節流過程中能量損失的利用探索

陳實 蔣偉 張建聰 何波 何春燕

(西南油氣田公司重慶氣礦，重慶 404300)

1 引言

天然氣集輸配氣過程中，由于用戶的使用條件不同，需求不同，存在不同的集輸壓力，因此我們最常使用的調壓閥在集輸過程中起到舉足輕重的作用，幾乎成為集輸場站的標配。而在實際使用過程中，不同的調壓方式，不同的結構形式的調壓閥，都離不開節流效應和壓力損失。那么這樣的損失能不能合理利用呢？

目前，國內天然氣管網壓力能的利用方式主要是發電和制冷。同時也有部分輕烴回收和天然氣脫水，化工制冷的運用案例，其原理主要是利用節流效應中的溫度變化或膨脹過程的能量釋放做功。而天然氣輸配氣過程中的壓力能利用實際運用卻不多。

能量損失分析及應用探索：從節流降壓的原理來看：節流降壓一般利用流通截面或長度的變化通過改變流體的流速和流量進行降壓，其節流過程可以看做一個近似等焓的過程，而熵在這個過程中不斷增加。這個過程中，壓力不斷降低，動能不斷減小。當壓力、速度下降時，流體密度必然發生改變，為克服分子之間的作用力，溫度發生改變，這個現象也叫焦耳湯姆遜效應。而其膨脹過程中，根據伯努利方程：動能+壓力勢能+重力勢能=常數。忽略氣體重力勢能的作用可以得到簡略計算公式即：

式中：p為流體中某點的壓強；ν為流體該點的流速；ρ為流體密度；C是一個常量。

我們得到一個簡單的結論：通過降低壓力，能獲得能量和較低的氣體溫度。也就是說如果利用透平壓縮機、渦輪壓縮機等膨脹做功設備完全可以對壓力能進行再利用。某石化天然氣減壓站提出以高壓天然氣降壓產生的壓力能驅動透平膨脹機做功并同軸帶動空氣壓縮機，實現了冷能的回收和利用。該項目實施每年可產生經濟效益1676.58 萬元，每年可減排二氧化碳2603.9t。

對于天然氣大氣量輸配環節的壓力能利用目前已有成功案例，但小氣量環節中天然氣壓力能能得到充分的利用嗎？可以從能量損失和需求兩個方面對壓力能利用進行綜合分析。某閥室位置偏僻，使用的太陽能等供電設備供能不穩，其進站壓力1.2～1.8MPa,節流至0.8MPa 內，供給直線距離500m 內一配氣場站8×103Nm3/d 天然氣，最低瞬時2×103Nm3/d。由于焦耳湯姆遜效應影響，其管線外壁冷凝水現象嚴重，腐蝕較快。

根據概算公式：

其中，Δex 為天然氣壓力比(火用)KJ/Kg；Cp 為天然氣定壓比熱容KJ/(Kg·K)；T 為天然氣溫度K；T0 為環境溫度K；R 為摩爾氣體常數kJ/(Kmol·K)一般取8.3145kJ/(Kmol·K)；M 為天然氣摩爾質量kg/Kmol 取16；P2 是節流前端絕對壓力MPa；P1是節流后端絕對壓力MPa。

Cp 根據CH4 比熱容量(25℃)KJ/(kg·K)選擇2 進行概算，T 取現場進氣溫度25℃(298.15K)取值，T0 按計量溫度20 ℃ (293.15K)計算，大氣壓力按0.1MPa 計算。

按最低流量2×104Nm3天然氣，密度0.71Nm3/kg 計算，實際能穩定提供2×104×0.71×56.1÷86400,相當于9Kw·h 能量。

圖1 管道內置發電裝置工藝流程

也就是說可以如果利用管道內置的透平膨脹機或渦輪離心機進行發電充能，按轉換效率50%計算，相當于至少4.5KW電機的不間斷供能。這對于一些小型無人值守站、閥室的能量供給有重要意義，如儀表系統、自動閥門、陰極保護裝置的穩定供能，可以避免因采用太陽能供電不足產生的潛在安全隱患，在減少壓差損失的同時，還可以利用電伴熱預加熱的方式減輕設備凍堵腐蝕等，達到設備保護的目的。

2 結語

目前輸配場站的調壓方式仍然采用節流裝置降壓為主，沒有壓力能有效利用體系。在輸配氣計量過程中，也沒有將壓力能作為一個有效能量進行計算(只計天然氣標準下的燃燒熱值)，從井口到用戶的過程中，大多數能量被白白消耗。

大量采用的調壓裝置其實存在非常巨大的節能空間，但是我們在分析中也發現，壓力能的利用在天然氣輸配氣企業中的推廣存在兩個不良因素：一是環境因素。實際上，我們在直接面對用戶的調壓系統中，由于流量變化頻繁，壓差較小，單獨用戶實際壓力能損失較小，利用前景不大。而非化工類調壓過程中，能量需求不高，再利用條件受到限制。其次是設備因素。使用節流效應的調壓設備使用普遍，基本能滿足變化調壓環境下的不同流量需求，而透平膨脹壓縮機、渦輪離心壓縮機小型化設備的可選范圍窄，運用范例較少，安全性和可靠性待進一步驗證。同時，我們也看到，在一些儲氣庫、集輸管線，閥室的壓力節流過程中，其壓力能發電或充能項目有巨大前景，西氣東輸的部分壓力能發電項目就是壓力能應用的典范。在一些較大的輸配增壓場站，經常出現一方面需要對輸配的部分用戶天然氣進行節流降壓，另一方面又需要對進入下游的管網天然氣進行壓縮升壓的情況。我們同樣可以利用渦輪同軸原理一邊降壓做功，一邊增壓輸送。或者在氣質較好的單井采氣過程中利用壓力能進行脫水等能量利用，利用前景廣闊。

隨著增壓設備小型化，多樣化趨勢變化，相信在不遠的將來，我們還能找到并使用更多，更節能的新型增壓設備及發電設備。新的能源使用方式，必定會帶來更加廣闊的節能前景，增壓設備和發電設備可能會在未來的某一天替代調壓設備成為輸配場站的標配。

總之，從能量損失的角度看問題，再從需求的角度尋找解決的辦法，可以為我們節能減排找到新的突破口。就輸配氣過程中的能量損失而言，調壓過程的壓力損失，如果利用得當，有極大的潛力可以挖掘。