輸氣管道放空天然氣回收技術

摘 要：長輸管道場站和閥室放空主要包括緊急搶險放空和計劃性放空，前者具有隨機性，不具備回收的技術條件，后者主要是管道整改或定期檢修放空，具有良好的回收條件和回收價值。輸氣管道整改或檢修情況下，通常采取利用下游分輸或壓縮機抽吸，將干線壓力降至一定壓力后點火放空。這種放空方式不僅造成了比較嚴重的環(huán)境污染，也導致了巨大的資源浪費。為了保護環(huán)境同時減少經(jīng)濟損失，放空天然氣的回收工作迫在眉睫，也具有十分重要的意義。為此，設計了一套以燃氣發(fā)電機和電解水制氫為中心的放空天然氣回收技術，可對計劃性放空天然氣進行回收制為高壓氫氣，達到節(jié)能減排的目的。

關鍵詞：天然氣;放空;回收;燃氣發(fā)電機;電解水制氫

0 前言

天然氣是一種不可再生資源，管道輸送天然氣是一種基本方式，但在輸氣管道整改和計劃檢修情況下，經(jīng)常需要對一段管線進行放空，通常采取先對管線存量天然氣進行部分抽吸，然后點火放空的方式。經(jīng)濟合理地回收利用輸氣管道放空天然氣，用最簡潔、快速、有效的方法使之轉化為可用資源，具有十分重要的意義[1]。目前，放空天然氣回收利用技術主要包括以下幾個方面：壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）、 吸附天然氣（ANG）、水合物（NGH）、天然氣發(fā)電 （GTW）、溴化鋰直燃機、信息化技術等[2]。由于這些回收技術存在很多技術難題并未得到廣泛采用，文章采用一套創(chuàng)新技術，以放空天然氣發(fā)電，再通過電解水產(chǎn)出高壓氫氣儲存和運輸，實現(xiàn)了長輸管道放空天然氣的高效回收。

1 工藝流程（見圖1）

啟動四輛分別載有壓縮機增壓撬、燃氣發(fā)電機撬、電解水制氫撬、壓縮機增壓回收撬的可移動板車駛入規(guī)劃好的放空區(qū)附近，壓縮機增壓撬與燃氣發(fā)電機撬用高壓軟管連接，燃氣發(fā)電機撬與電解水制氫撬用電纜連接，電解水制氫撬與壓縮機增壓回收撬用高壓軟管連接，燃氣發(fā)電機與兩臺增壓撬裝用電纜連接。打開4個球閥，啟動燃氣發(fā)電機開始發(fā)電，發(fā)出的電能為前后兩臺增壓壓縮機和電解水制氫裝置供電。

壓縮機增壓 放空區(qū)通過高壓軟管引出天然氣至一個裝置在板車上的緩沖罐，緩沖管與增壓壓縮機撬裝直接連通，通過壓縮機反向增壓抽取需要放空管段中的天然氣[3，4]。

燃氣發(fā)電 天然氣通過第二個緩沖罐后，直接進入燃氣發(fā)電機進行發(fā)電，根據(jù)放空量的.大小和時間要求來設置燃氣發(fā)電機的發(fā)電功率。

電解水制氫 發(fā)電機所產(chǎn)生的電能直接通往電解水制氫撬裝，根據(jù)放空量的大小和時間要求來設置電解水制氫的制氫功率[5-8]，電解水制氫采用質子交換膜電解水制氫技術[9]。

壓縮機增壓電解水制出的氫氣通過增壓壓縮機撬裝充入高壓氣瓶，根據(jù)放空量的大小計算可制氫氣的標準體積，提前準備合適容積和壓力的氫氣氣瓶。

結束 放空回收任務完成后依次關閉第一臺壓縮機增壓撬、球閥1、球閥2、燃氣發(fā)電機、球閥3、電解水制氫機、球閥4、第二臺壓縮機增壓撬，拆除設備間連接的高壓軟管和電纜，裝載撬裝的車輛駛離放空現(xiàn)場。

2 經(jīng)濟性研究

以靖西一線某分輸站放空為例，每年有1到3次計劃性放空，單次放空量1萬Nm3左右，這里模擬放空量為1萬Nm3的情況。

功率為37Kw的增壓壓縮機撬單價約10萬元，兩臺20萬元，1000Kw燃氣發(fā)電機撬約246萬元，電解水制氫裝置單價約200萬元，裝載貨車單價30萬元，4量約120萬元，DN110高壓軟管280米單價65元，4個球閥單價500元，高壓軟管和球閥約2萬元，7m3緩沖罐單價1萬元，3個約3萬元，合計約692萬元。1Nm3天然氣可放出8500大卡熱量，經(jīng)燃氣發(fā)電機能發(fā)出7.5度左右電量，1度電經(jīng)電解水制氫機能生產(chǎn)約0.28Nm3氫氣，故1萬Nm3天然氣可生產(chǎn)2.1萬Nm3氫氣。1Nm3純度為99.99%的氫氣價格為100元，2.1萬Nm3氫氣總價格約210萬元。

整套放空回收設備成本692萬元，而單次回收生產(chǎn)氫氣價值210萬元，需要30到40次回收作業(yè)方可回收成本。1000Kw的燃氣發(fā)電機1小時消耗420Nm3天然氣，消耗1萬Nm3天然氣需要23.8小時[10]。對于一般的計劃性放空作業(yè)23.8小時的回收時間是可行的。

3 安全性、可靠性研究

管道放空天然氣回收生產(chǎn)的氫氣是易燃、易爆氣體，一旦發(fā)生爆炸后果不堪設想，所以整套回收工藝系統(tǒng)必須提前做好安全實施方案，由專職安全員做好現(xiàn)場監(jiān)護工作。四輛板車只要留有足夠的安全距離且裝上防火帽，在有專人監(jiān)護的情況下可將安全風險降到最低。

由于這套放空回收工藝是針對計劃性放空，放空前根據(jù)放空量和放空時間選用合適功率的增壓壓縮機和燃氣發(fā)電機，所有裝置均為可移動撬裝，裝載在板車上，可非常高效的移動和裝卸，生產(chǎn)出的氫氣第一時間運送到需要高壓氫氣的中間商，也將安全風險以最快的時間消除。

4 結論和建議

該放空回收技術均采用現(xiàn)有成熟的壓縮、發(fā)電、制氫技術，工藝流程簡單。當放空量在1萬Nm3左右時比較適合實施，放空量太大時整個工藝流程耗時太長，影響下游正常供氣，放空量太小時經(jīng)濟性不強，安全性也需要格外注意，必須由專業(yè)人員操作回收。但由于這種回收工藝尚未投入現(xiàn)場實施，需要經(jīng)過多次實驗使得各項工藝參數(shù)得到進一步優(yōu)化并符合相應的安全規(guī)范。

參考文獻：

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[10]張彥，陶易剛，張韜，等.氫能與電力系統(tǒng)融合發(fā)展研究[J].中外能源，2021.9：19-28

作者簡介：范錦濤，1984-11，男，漢，山東臨沂，本科，高級工程師，輸氣管道輸送。