城市燃?xì)忾T站壓力能回收熱力學(xué)分析

吳玉國(guó)，李小玲

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

城市燃?xì)忾T站壓力能回收熱力學(xué)分析

吳玉國(guó)，李小玲

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

長(zhǎng)輸來(lái)氣需在門站內(nèi)經(jīng)調(diào)壓過(guò)程將高壓燃?xì)饨档捷^低的壓力方可送入城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)，節(jié)流降壓過(guò)程存在壓力能的損失。采用能量系統(tǒng)的(火用)分析法對(duì)城市門站調(diào)壓過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析，結(jié)果表明節(jié)流閥節(jié)流降壓雖能滿足工藝要求，但過(guò)程的(火用)損較大，(火用)效率低，應(yīng)考慮可代替節(jié)流閥的其它壓力能回收設(shè)備，如透平膨脹機(jī)、渦輪機(jī)等，從而有效回收城市門站調(diào)壓過(guò)程損失的壓力能。

節(jié)流閥； 壓力能； (火用)分析； (火用)效率

燃?xì)饨?jīng)長(zhǎng)輸管線送至城市，為配合城市各級(jí)輸氣管網(wǎng)的正常運(yùn)行，需在門站內(nèi)經(jīng)調(diào)壓過(guò)程將高壓燃?xì)猓ㄈ缥鳉鈻|輸和川氣東送輸氣管道設(shè)計(jì)壓力為10 MPa）降到較低的壓力（管道沿線城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力多為1.6~4.0 MPa）[1]。傳統(tǒng)的調(diào)壓過(guò)程中，燃?xì)饨?jīng)節(jié)流閥降壓降溫（焦耳-湯姆遜效應(yīng)），壓降完全消耗在克服流動(dòng)阻力上，沒(méi)有推動(dòng)任何機(jī)械做功，壓力能未得到回收利用。如何回收這部分壓力能，并使其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益達(dá)到最大化是值得深入研究的課題之一。節(jié)能減排受到前所未有重視的同時(shí)科學(xué)用能顯得至關(guān)重要，科學(xué)用能即如何把能源用好。為此能源回收利用時(shí)，必須同時(shí)依據(jù)熱力學(xué)第一定律和第二定律，不僅要分析能量的“數(shù)量”損失，還要分析能量的“質(zhì)量”貶值情況。采用能量系統(tǒng)的(火用)分析法對(duì)城市門站調(diào)壓過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)分析，對(duì)用能狀況做出評(píng)價(jià)，找出系統(tǒng)中用能薄弱環(huán)節(jié)。

1 門站調(diào)壓過(guò)程的熱力學(xué)理論分析

1.1 （火用）及（火用）分析法

各種不同形式的能量轉(zhuǎn)換為功的能力是不同的，在周圍環(huán)境條件下，任一形式的能量中理論上能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰?，我們稱其為該能量的(火用)或有效能[2]。實(shí)際能量系統(tǒng)中不可避免地存在摩擦、溫差等，引起能的品質(zhì)貶值，產(chǎn)生(火用)損。因此，(火用)表征能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰图夹g(shù)上的有用程度，可以用(火用)來(lái)評(píng)價(jià)能量的品質(zhì)和級(jí)位。

能量的熱平衡分析法是應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，從能量的“數(shù)量”方面分析、評(píng)價(jià)用能設(shè)備的有效程度，指標(biāo)是熱效率。這種方法可以獲得所供應(yīng)的能量中有多少得到了有效利用，但不清楚所供應(yīng)能量的質(zhì)量是否適合用戶的需要。而能量的(火用)平衡分析法是依據(jù)熱力學(xué)第二定律，從能量的“品質(zhì)”方面分析、評(píng)價(jià)用能裝置或系統(tǒng)的優(yōu)劣，揭示其熱力學(xué)完善程度及其存在的薄弱環(huán)節(jié)，指標(biāo)是(火用)效率。(火用)具有能的量綱，所以(火用)分析比熱分析更科學(xué)，比熵分析更便于理解。

1.2 門站調(diào)壓過(guò)程(火用)分析

燃?xì)夤芫W(wǎng)是典型的穩(wěn)定流動(dòng)開(kāi)口系統(tǒng)，從給定的進(jìn)口狀態(tài)到出口環(huán)境狀態(tài)的穩(wěn)定物流的(火用)為：

則，單位質(zhì)量溫度物流的比火用為：

忽略穩(wěn)定流動(dòng)工質(zhì)的宏觀動(dòng)能和位能，則穩(wěn)定物流的火用就僅考慮焓一種形式的能量的火用，即：

根據(jù)熱力學(xué)熵的關(guān)系式：

將（4）式帶入（3）式得：

由（5）式可以看出，穩(wěn)流物質(zhì)的焓(火用)可分解為兩部分，即在某一壓力下系統(tǒng)與環(huán)境之間因熱不平衡而具有的溫度(火用)ex，T和在環(huán)境溫度時(shí)系統(tǒng)與環(huán)境之間因力不平衡而具有的壓力(火用)ex，p。分析表明燃?xì)廨斉溥^(guò)程中蘊(yùn)含著壓力(火用)和溫度(火用)。

天然氣經(jīng)調(diào)壓節(jié)流后溫度降低出現(xiàn)管道低溫的現(xiàn)象，如杭州市北門站高-中壓調(diào)壓器2008年1月中旬結(jié)冰情況比較嚴(yán)重，調(diào)壓器后地上管道管外結(jié)冰厚度為5～6 cm，埋地管道周圍凍土沿管長(zhǎng)方向的長(zhǎng)度約30 m[3]。低溫對(duì)管道輸送的主要影響在于管道可能結(jié)冰、產(chǎn)生水化物而影響輸送，且低溫對(duì)管材、管件也有影響，如管道脆性斷裂。因此，燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)要考慮天然氣的加熱問(wèn)題，如管道伴熱。

城市門站傳統(tǒng)的調(diào)壓方法是通過(guò)節(jié)流閥膨脹降壓，設(shè)管道伴熱輸入的熱量(火用)為ex，q，進(jìn)入系統(tǒng)的(火用)為ex，h入，離開(kāi)系統(tǒng)的(火用)為ex，h出，(火用)損為ex，h損，則根據(jù)(火用)效率的關(guān)系式：

根據(jù)能量平衡方程：

進(jìn)入體系的(火用)=離開(kāi)體系的(火用)+ (火用)積累+(火用)損

即：

節(jié)流閥的(火用)損為：

2 實(shí)例分析

以某城市燃?xì)忾T站冬季運(yùn)行為例，設(shè)輸氣量為34 000 m3/h, 每2 h記錄一次進(jìn)出站壓力和溫度等參數(shù)，設(shè)該站早8點(diǎn)開(kāi)機(jī)，晚10點(diǎn)關(guān)機(jī)，保持出口壓力穩(wěn)定在2.5 MPa。計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculation result of the example

計(jì)算結(jié)果表明，門站節(jié)流閥節(jié)流降壓過(guò)程的(火用)損較大，(火用)效率僅為38.05%，這主要是因?yàn)楣?jié)流閥調(diào)壓雖能滿足工藝要求，但壓力(火用)和溫度(火用)得不到合理利用。因此，應(yīng)進(jìn)一步考慮可代替節(jié)流閥的其它壓力能回收設(shè)備。

目前，可替代節(jié)流閥的設(shè)備主要有透平膨脹機(jī)和渦流管兩種。燃?xì)忾T站利用膨脹機(jī)回收壓力能主要用于發(fā)電和副產(chǎn)LNG，利用渦流管回收壓力能主要用于加熱和副產(chǎn)LNG。

透平膨脹機(jī)的應(yīng)用已是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，但將其應(yīng)用在長(zhǎng)輸管道上以回收壓力能的研究最早始于20世紀(jì)80年代。除了可利用膨脹機(jī)輸出的軸功發(fā)電外，由于天然氣輸出軸功后溫度下降幅度很大（超過(guò)節(jié)流閥在同等壓力降下的溫度降），因此還可以獲得冷能，利用膨脹機(jī)的制冷特性生產(chǎn)LNG[1，4]。當(dāng)前我國(guó)應(yīng)用于石化、天然氣領(lǐng)域的膨脹機(jī)基本依賴進(jìn)口。

渦流管因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、運(yùn)行安全可靠、造價(jià)低等特點(diǎn)在石油化工、低溫制冷等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)外從20世紀(jì)90年代就嘗試將渦流管技術(shù)應(yīng)用于天然氣工業(yè)。我國(guó)渦流管加熱技術(shù)率先應(yīng)用于中國(guó)石油管道公司華中輸氣公司管轄的武漢西計(jì)量站[5]。此外，渦流管技術(shù)也可應(yīng)用于城市門站生產(chǎn)LNG。

文獻(xiàn)[6]以西氣東輸豫北支線門站的氣源條件，對(duì)天然氣透平膨脹做了(火用)分析，結(jié)果表明天然氣溫度(火用)和壓力(火用)經(jīng)透平膨脹后的(火用)降占1.3%?？梢?jiàn)用透平膨脹機(jī)代替節(jié)流閥能使得(火用)效率顯著提高，(火用)損失降低。

3 結(jié) 論

利用(火用)分析法評(píng)價(jià)燃?xì)夤芫W(wǎng)可利用的壓力能是比較科學(xué)的，不僅可得能量的“數(shù)量”損失，還能得到能量的“質(zhì)量”貶值情況。燃?xì)忾T站傳統(tǒng)的節(jié)流閥節(jié)流降壓雖能滿足工藝要求，但過(guò)程的(火用)損較大，(火用)效率低，因此，應(yīng)進(jìn)一步考慮可代替節(jié)流閥的其它壓力能回收設(shè)備，如透平膨脹機(jī)、渦輪機(jī)等，從而改進(jìn)城市門站壓力能回收利用的方式，科學(xué)用能，提高能源利用率。

[1] 孫潔.城市門站壓力能回收設(shè)備研究應(yīng)用進(jìn)展[J].煤氣與熱力，2010，30(7) ：A18-A20.

[2] 傅秦生.能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析方法[M].西安交通大學(xué)出版社，2006.

[3] 張鴻鵬，李顏強(qiáng).門站調(diào)壓節(jié)流引起管道低溫的分析[J]. 煤氣與熱力，2009，29(1) ：B01-B04.

[4] 鄭志,王樹(shù)立等.天然氣輸配過(guò)程流體壓力能回收技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].天然氣與石油.2009,27(1) ：11-15.

[5] 熊長(zhǎng)征，陳川,等．渦流管加熱技術(shù)在天然氣工業(yè)中的應(yīng)用[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28(6)：69-72.

[6] 鄭斌，陳文，白興利.基于工業(yè)化回收的天然氣壓力能熱力學(xué)研究[J]．安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9(4)：22-25.

Thermodynamic Analysis on Recovery of Pressure Energy at the City Gas Gate Station

WU Yu-guo, LI Xiao-ling
（College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The gas from long-distance pipeline should be regulated to lower pressure before it enters the city gas distribution system. This throttling process causes a loss of pressure energy. In this paper, the exergy analysis method was adopted to carry out thermodynamic analysis of the pressure regulation at the city gas gate station. The result shows that reducing pressure by throttle valve can meet the technological requirements, but exergy loss is great and exergy efficiency is low in throttling process. So it is necessary to consider other equipments for pressure energy recovery to replace throttle valve in order to recovery the pressure energy lost in pressure regulation process. The equipments include turbo expander, turbine and so on.

Throttle valve; Pressure energy; Exergy analysis; Exergy efficiency

TK123

A

1671-0460（2011）11-1166-03

2011-10-18

吳玉國(guó)（1977-），男，遼寧撫順人，副教授，博士，研究方向：從事石油天然氣儲(chǔ)配技術(shù)工作。E-mail：wyg0413@126.com。