基于壓差發電的天然氣井口一體化技術探討

陳 躍

（中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦自貢采氣作業區，四川 自貢 643000）

目前，全球傳統的化石能源企業都在向綠色低碳綜合性能源公司極速轉型[1]，在開采天然氣的過程中，如果將豐富的地層能量充分開發利用，在發展天然氣井口壓差發電技術的同時，用多功能集成一體化技術改變傳統技術，將促進油氣生產企業高質量發展。

1 天然氣井口壓差發電及相關技術現狀

天然氣壓差發電也稱為“壓能發電”“余壓發電”等，主要有2 種技術路徑，一種是膨脹類發電技術，為了增強做功效率及克服等熵膨脹降溫效應，工質在做功過程中通常需要燃燒加熱來實現膨脹與做功，有二氧化碳的產生與排放[2-3]。另一種是軸流式壓差發電，這種類型的發電技術與膨脹機類發電最大的區別在于做功前后無須對工質加熱，影響發電效率的主要因素有流量、壓差和流速的大小，設備構造簡單、制造成本低廉，發電全過程零碳排放，有專家學者通過Aspend HYSYS 模擬軟件對軸流式壓差發電進行了熱力學能效分析并結合現場實驗[4]，論證了軸流式壓差發電技術在天然氣采輸流程中轉換效率優于螺桿膨脹發電機。

近年來，隨著新能源的迅猛發展及電力削峰填谷的需求，儲能技術在不斷發展，儲能方式主要有電化學電池儲能、抽水儲能和壓縮空氣儲能等，對天然氣產業而言，儲氣庫的建設本身就是一種儲能，壓縮空氣儲能[5]被視為最具潛力的儲能技術，目前主要分類有：①蓄熱式壓縮空氣儲能系統（TS-CAES）；②等溫壓縮空氣儲能系統（I-CAES）；③水下壓縮空氣儲能系統（UW-CAES）；④液態壓縮空氣儲能系統（LAES）；⑤超臨界壓縮空氣儲能系統（SC-CAES），其中與井口天然氣工況條件相對最為接近的當屬等溫壓縮空氣儲能系統（I-CAES）。

絕大部分井口天然氣無須壓縮開采出來就具備高壓能量屬性，長期以來為了滿足集輸管網壓力要求，需要有效降壓的同時防止節流冰堵現象的發生，現行廣泛的技術方案為“節流閥+水套爐”或“注醇防凍劑+節流閥”模式，這一過程只注重如何滿足管輸壓力要求而忽略了原始能量的利用。目前，國內天然氣壓差發電技術仍處于起步階段，中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠引進分廠的天然氣“余壓發電”裝置，自2021年9 月9 日運行以來，創造了顯著的效益。這只是對天然氣輸送中間過程壓能的開發利用，而資源潛力更加巨大的天然氣井口壓力能仍等待著人們的開發。目前，制約天然氣井口壓差發電發展的關鍵技術瓶頸主要有：①極高的壓力需要有高強度的可靠材質；②需要克服硫化氫、二氧化碳等酸性腐蝕氣體帶來的腐蝕與氫脆現象；③需要有對高壓氣體可靠的密封技術；④需要克服氣田水干擾造成的流量壓力的大幅波動；⑤高效率的壓能采集轉化與發電技術。如果這些技術瓶頸全部突破，天然氣井口壓差發電的蓬勃發展就將到來。

2 天然氣降壓脫水與壓差發電井口一體化應用的探索

目前，在天然氣采出到用戶的全流程中，在地面井口區域需要克服的壓降能量最大，天然氣開采井口區域施展各種技術應用對氣藏采收率影響最大，因此，在采氣井口區域開展技術升級對提高天然氣開采價值最為有利，本文將以軸流式壓差發電技術為基礎，用新視角與新思路對天然氣井口一體化技術進行探討。

2.1 節流保溫、固液分離和壓差發電3 種技術的關聯性

在天然氣采輸氣井站中，常用的離心式分離器對固液雜質的分離原理就是通過對原料氣的導流產生旋轉，因密度不同產生的離心力不同而實現固液雜質分離，而在軸流式透平壓差發電技術里，同樣有旋轉運動的葉輪，旋轉就是其共性；在軸流式壓差發電技術中，既可以選擇徑向進徑向出的葉輪驅動方式，但也完全可以選擇徑向進側向出（圖1）的旋轉驅動方式，這中間只需用嚙合的圓錐齒輪組合做90°改變動力傳遞方向即可，而高速轉動的嚙合齒輪必然會因摩擦而生熱，且摩擦所產生的熱量與齒輪數和轉速成正比，在其他機械設備里，人們通常需要用輔助散熱系統進行散熱，避免連續運轉對設備造成高溫危害，同時，在天然氣開采過程中，對井口高壓天然氣體節流降壓會產生“焦耳－湯姆遜”效應而降溫，假如用前者不斷高速旋轉摩擦產生的熱能來克服后者節流和膨脹效應的降溫，只需將2 種應用融合在一個空間不斷循環就能基本實現冷熱能量的傳遞與互補，且各工質在各自獨立的系統中封閉循環運行，這樣就可以達到實現多功能集成一體和零碳排放開采天然氣的目的；當齒輪組合摩擦生熱不能克服后者的降溫時，輔助加熱器根據天然氣數據采集與監視控制系統（SCADA 站控系統）的指令信號而開始對潤滑循環機油加熱，而機油輔助加熱器和循環泵所須要的電能，正是來自裝置自發電產生，故此，就能實現無須燃燒排放二氧化碳的方式替代傳統的天然氣開采模式。

圖1 天然氣降壓脫水與發電裝置復合葉輪初步設計圖

2.2 天然氣降壓脫水與發電裝置系統的初步設計與構想

為了實現上述多功能集成一體達到改變傳統天然氣開采模式的目的，一種天然氣井口降壓脫水與發電裝置的結構與原理如圖2、圖3 所示。

圖2 天然氣降壓脫水與發電一體化裝置主視示意圖

圖3 天然氣降壓脫水與發電一體化裝置俯視示意圖

2.2.1 天然氣井口降壓脫水與發電裝置工作原理

天然氣井口高壓原料氣進入裝置后，在水氣分離閥段內，氣流從拉瓦爾噴射口噴出，驅動復合透平葉輪順時針旋轉，密度大的固液雜質從葉輪正面吸入后因高速旋轉的離心作用，從葉輪側孔方向流出后，沿著水氣分離閥段筒體內壁聚集且因重力作用而在固液排放口排出；分離后的密度更輕的天然氣，因為有壓差的存在其必定會向低壓區流動，流入排氣筒體內，并通過錐形壓力調節機構微調壓力后，從上部流出到輸氣管網，錐形壓力調節結構由遠程電動執行機構控制，流入閥體的原始高壓氣體通過做功轉化為機械能消耗能量及錐形壓力調節機構微調達到適度降壓；復合透平葉輪的高速旋轉必然會帶動閥腔內嚙合的圓錐形齒輪組合摩擦生熱，同時，在左側閥腔底部還設有齒輪組合及旋進葉片促進閥體底部機油流動實現充分換熱，在閥腔頂部設有油泵，將防凝凍機油加熱到設定溫度后，油泵抽吸泵出的機油沿封閉的循環通道流動并實現熱能交換，實現對錐形壓力調節結構及外圍空間內天然氣體的保溫防凍，達到降壓、分離和發電3 種功能集成一體的目的。所有數據信號的采集和顯示與自動調節控制均集中并入到采氣場站的SCADA 計算機管理系統中（圖4），實現流量、溫度、壓力與轉速、輸出電流和電壓等各種數據的全自動采集和電能沖、儲、放全自動遠程智能控制與運轉。

圖4 降壓脫水與發電系統邏輯關系圖

2.2.2 發電機、變速器的選擇

目前，寧德時代等國內外知名公司普遍采用直流充儲+電化學電池的儲能技術路徑，未來輸配氣場站分布式綜合能源系統采用高性能、高密度電化學儲電技術是現實可行的路徑，天然氣壓差發電領域參考有關新能源成熟技術或許可以少走彎路。發電機的選擇是影響天然氣壓差發電效率的重要因素之一，井口天然氣流量和壓力因為有氣田水干擾具有較大的波動性，故此，本裝置中的發電機主張選用防爆型恒壓勵磁直流發電機組，所發的直流電可以直接儲存在儲能電池柜中，從而可以減少逆變環節的不必要耗損，而變速器的選擇要充分考慮氣田水干擾造成井口壓力的寬幅波動，盡可能地滿足發電機最低發電轉速的需求，以利于實現長周期滿負荷運轉發電，故此適宜采用皮帶輪組合變速方式，如果不通過變速直驅葉輪發電，氣田水干擾造成的壓力波動會顯著影響發電效率，參考新能源風力發電技術，其葉片轉速一般都不高，卻能保持持續發電，根本原因正是利用了變速增速技術，故此，天然氣井口軸流壓差發電，充分利用變速增速與恒速技術是不可或缺也是決定發電總體效率的關鍵因素之一。

2.2.3 復合透平葉輪的設計及壓力能的采集與轉換

本裝置中，復合透平葉輪是壓力能轉化為機械能的關鍵采集元件，也是實現固液雜質分離的主要元件，也是降壓脫水與發電3 種功能關聯的紐帶。根據做功原理公式W=FScosθ 得知，功W 的大小與作用力F 和位移大小S 及受力角度θ 有關，當受力角度在0＜θ＜90°時，cosθ＞0，W＞0 做正功，從理論上講，復合透平葉輪45°傾斜時做功扭矩最大，但此時的振動與噪聲也最大，故此以45°的80%~90%較為適宜，復合透平葉輪上的孔洞一方面可以避免做功打滑，另一方面在旋轉中如海綿一般有利于固液雜質的正面吸收側面排出而實現有效分離，復合透平葉輪片在旋轉運動中，既應能避免與噴射口的碰撞又要能實現對壓能的充分采集與固液雜質的分離。

任何流體在機械內部的流動都遵循物理學三大守恒定律：質量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律。從能量守恒角度用平衡方程[6]對本裝置進行分析，能量的采集、轉化理論平衡方程為輸入系統的=輸出系統+損失+系統的變化，用公式（1）表達

在將壓力能轉化為電能的同時，本裝置還能替代傳統的“節流閥+水套爐”，實現零碳化生產，在本裝置中，熱能產生、傳遞與交換過程中的影響因子有：齒輪組合數量及摩擦轉速度，循環機油量及機油比熱容與熱導率，機油循環流動過程中熱能的損失，流經錐形閥節流段時內外空間熱能交換造成的熱能消耗，以及輔助加熱器所產生的熱能，這些影響因子之間同樣遵循以能量守恒為基準的熱力學第一定律和熱力學第二定律，且整個潤滑循環與保溫系統實際屬于前述理論平衡方程式（1）的子系統，用公式表述如下

假如在井口流程中只安裝一套天然氣壓差發電裝置，幾乎很難實現有效降壓、壓力能采集與轉化和固液雜質的充分分離，參考現有分布式新能源的普遍模式，筆者主張采用撬裝模塊化、串并聯梯度連接方式實施天然氣壓差發電的井口一體化技術應用場景模型如圖5 所示。

圖5 天然氣井口壓差發電及一體化技術應用場景模型

圖5 中A、B、C、D 分別為一套井口降壓脫水與發電裝置組成的一個模塊，模塊1～6 分別為一組模塊，在一個天然氣開采一定區域（平臺）內，只需要一套電力存儲與逆變設備即可，而井口降壓脫水與發電裝置的組裝數量，則可根據氣井所處地層能量而定，這種如“瀑布狀”的流程設計，可以有效解決井口壓力高流量大這一難題，并且可以充分提高對井口壓力能的采集與轉化效率及對固液雜質的分離效率。

當本裝置中因齒輪組合高速摩擦產生的熱能，不能滿足錐形壓力調節及膨脹因素而造成的降溫時，裝置內的機油加熱器接收SCADA 系統指令而自動啟動加熱工作，從而達到零碳排放的目的，在裝置內實現能量交換過程的動態平衡。在整個天然氣流動的過程中，其壓力能量的衰減主要應該用于發電做功的消耗上，設計錐形閥段的目的是微調壓力；設計機油循環及通道的目的是既不浪費裝置內的摩擦生熱能量又能對錐形節流閥段的保溫力求物盡其用，達到高效零碳的綠色理念。參考四川長寧頁巖氣井注醇與加熱工藝成本分析[7]，一口氣井開采若用水套爐保溫或用注醇工藝降低露點防凍，其年耗費成本都在四五十萬元，兩者成本都很高，而本裝置的目的就是希望替代傳統技術，節約相關費用，降低天然氣開采成本。

2.2.4 脫水、密封與材質的選擇

在天然氣開采與集輸中，高效的油氣分離裝置，對油氣生產與集輸十分有利[8]，現實生活中利用離心原理脫水最常見的設備是洗衣機，其脫水功能與天然氣開采過程中的粗脫水本質原理一樣，其脫水轉速通常在1 000 r/min 左右就能實現良好的脫水功能，在本裝置中，復合葉輪滿足發電機發電轉速區間在1 800~4 000 r/min，其轉速與脫水能力成正比，且是梯度多級分離，故此，本集成裝置的天然氣脫水功效，將完全滿足天然氣采輸氣流程中的粗脫水功能，而本裝置的建造耗材將比傳統分離器節省很多。

由于井口天然氣壓力通常極高，在將機械能采集轉化過程中，密封強度不夠導致的天然氣泄漏危害極大，有關論文與實驗中采用了磁力聯軸器[9]，由靜態密封替代動態密封防止高壓天然氣的泄漏，在本裝置中（圖2）設置了水氣分離閥段，如果再結合磁力聯軸技術，完全可以實現對高壓天然氣體的有效隔離密封與可靠的動能傳遞。

目前，我國已實現對四川普光氣田和安岳高含硫氣田成功開采多年的目標，積累了對高含硫氣田的開采經驗，西南油氣田在川東北鐵山坡高含硫氣田自主開發中采用了鎳基合金雙金屬復合材料來克服高含硫的腐蝕危害，完全可以運用到天然氣井口壓差發電領域。

2.2.5 儲能及規?；瘧?/p>

本裝置發電所產生的直流電流儲存于系統中的儲能電池柜中，再經過逆變器轉化為標準電流供井站自用或上網，一個天然氣開采井站平臺就會有一套儲電與逆變系統，通常一個氣田會有很多個井站（平臺），數量眾多的井站的儲電與逆變系統，匯聚起來就是一個規?；碾娏ο鞣逄罟认到y，這正是分布式新能源應用的普遍模式和傳統化石能源與新能源融合發展的轉型路徑之一。

3 結束語

在國家“雙碳”戰略目標的引領促進下，各種新能源的發展日新月異，天然氣開采中豐富的地層能量早就應該開發出來保障國家能源安全，傳統的天然氣開采模式遲早會被更加綠色低碳的技術替代，本文僅針對以軸流壓差發電技術為基礎的天然氣井口集成一體化技術提出初步的構想，理論結合實際進行了或為粗淺的探討（與本論文同步申請的發明專利“基于降壓脫水發電的天然氣井口一體化裝置、系統”已在國家知識產權局公布），對于復合透平葉輪的設計，還應用流體力學CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬軟件進行更加深入的仿真建模與流場分析后進行優化，需要有關科研團隊進行深入的探索，爭取早日應用于實際生產中，為國家建設助力加油。