川渝管網(wǎng)高低壓分輸壓力能回收利用技術(shù)分析

周建 羅敏 李翔 李健 劉穎

（1.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川 成都 610213；2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦，四川 遂寧 629000）

川渝管網(wǎng)高低壓分輸壓力能回收利用技術(shù)分析

周建1羅敏1李翔1李健2劉穎1

（1.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川 成都 610213；2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦，四川 遂寧 629000）

由于目前川渝管網(wǎng)高低壓分輸調(diào)壓過程中釋放的壓力能均未得到回收利用，因而造成大量能量損失。為此，對川渝管網(wǎng)調(diào)壓壓力能回收技術(shù)進(jìn)行分析，提出了基于壓力能回收的優(yōu)化運(yùn)行方法來優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行方案，提高整個管網(wǎng)壓力能回收能力；設(shè)置了高、低壓儲氣罐并保留旁通傳統(tǒng)調(diào)壓裝置來解決調(diào)壓閥前后存在壓力波動的問題；提出了3種不同形式的發(fā)電和供冷壓力能回收工藝流程來解決各站場壓力能回收能力差異很大的問題。分析結(jié)果表明：①高低壓分輸條件下，川渝管網(wǎng)蘊(yùn)藏著巨大的可回收壓力能，若采用透平膨脹機(jī)發(fā)電，年發(fā)電量在2.05×108kW·h以上；②現(xiàn)輸送條件下，通過采用基于壓力能回收的優(yōu)化運(yùn)行調(diào)配方案，川渝管網(wǎng)可回收壓力能回收能力約可提高5%，且可減少回收站場3座；③提出的發(fā)電、供冷壓力能回收工藝流程均能夠滿足川渝管網(wǎng)壓力能回收要求。

川渝管網(wǎng) 高低壓分輸 壓力能 節(jié)能降耗 回收利用 發(fā)電 供冷

0 引言

2012年7月，川渝天然氣管網(wǎng)（以下簡稱“川渝管網(wǎng)”）開始從中貴線下載中亞天然氣后，已初步實(shí)現(xiàn)“高低壓分輸、輸配氣分離”的運(yùn)行格局，形成多個高壓干線向低壓干線降壓輸送的調(diào)壓節(jié)點(diǎn)。然而，目前管網(wǎng)全部調(diào)壓過程中釋放的壓力能均未得到回收利用，造成大量能量損失。為解決此問題，對川渝管網(wǎng)調(diào)壓壓力能回收技術(shù)進(jìn)行分析，提出可行的壓力能回收技術(shù)方案。

1 川渝管網(wǎng)高低壓分輸壓力能回收利用特點(diǎn)

川渝管網(wǎng)布局高度環(huán)狀化，骨干管網(wǎng)形成東西南北各向均有多條通道的大型環(huán)網(wǎng)；各市縣（區(qū)）的供氣區(qū)域管網(wǎng)與骨干管網(wǎng)的低壓供氣管線節(jié)點(diǎn)站相連。管網(wǎng)存在3類調(diào)壓過程：一是高壓干線向低壓干線調(diào)壓；二是高壓干線直接向供氣管線調(diào)壓；三是低壓干線向供氣管線調(diào)壓。壓力能回收利用主要考慮前兩類。川渝管網(wǎng)高低壓分輸示意圖見圖1。

高低壓分輸條件下，川渝管網(wǎng)壓力能回收利用具有如下特點(diǎn)：

圖1 川渝骨干管網(wǎng)高低壓分輸示意圖

1）不能僅單純考慮站場工藝流程改造和回收裝置，還必須結(jié)合管網(wǎng)調(diào)配方案。調(diào)配方案不同，各調(diào)壓站的運(yùn)行參數(shù)可能存在較大差異，而壓力能回收技術(shù)方案設(shè)計必須依據(jù)運(yùn)行參數(shù)。這也是川渝管網(wǎng)壓力能回收的優(yōu)勢，因?yàn)橥ㄟ^優(yōu)化調(diào)配方案來優(yōu)化壓力能回收站場布局，能使壓力能回收利用效益最大化。

2）多數(shù)高低壓分輸調(diào)壓站調(diào)壓前后壓力、氣量范圍一般都存在較大的波動幅度。這是因?yàn)閷τ诖ㄓ瀛h(huán)狀管網(wǎng)，氣量調(diào)配靈活，管線間運(yùn)行狀況相互影響程度大，不論高壓干線還是低壓干線，壓力、氣量均存在波動。

3）不同站場回收能力差異很大，宜分類制定回收工藝，既要做到因地制宜，也要避免回收工藝形式過多。

2 川渝管網(wǎng)壓力能回收技術(shù)方案

2.1 基于壓力能回收的管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方案

為了獲得最佳的壓力能回收站場布局及最大的壓力能回收效應(yīng)，需對管網(wǎng)進(jìn)行基于壓力能回收的優(yōu)化運(yùn)行分析?；舅悸肥牵哼x擇靠下游的高低壓分輸站，固定調(diào)壓閥后的壓力為最低允許壓力，讓上游高低壓分輸站的調(diào)壓閥閥后壓力在允許范圍內(nèi)變化，得出各種調(diào)壓方式下的壓力能回收情況，再根據(jù)壓力能回收經(jīng)濟(jì)性比較，確定優(yōu)化運(yùn)行方案。

2.1.1 可回收壓力能計算方法

可回收壓力能是指在給定管網(wǎng)運(yùn)行壓力、氣量、溫度和回收工藝條件下可回收壓力能的計算值，不同運(yùn)行壓力、氣量、溫度和回收工藝對應(yīng)不同的可回收壓力能。

從熱力學(xué)角度看，天然氣管道可以看成是一種開口系統(tǒng)［1］。根據(jù)熱力學(xué)理論，單位質(zhì)量的穩(wěn)定物流從狀態(tài)1以可逆方式變化到狀態(tài)2時所能回收的最大可用能，等于初、終態(tài)穩(wěn)定物流的焓之差［2］。給出天然氣管網(wǎng)調(diào)壓前后焓變計算公式［3］如下：

天然氣定壓比熱容［4］：參照多變過程對透平膨脹過程［5］有：

式中，Δe、Δet、Δep為焓損、比溫度、比壓力，kJ／kg；Rg為天然氣氣體常數(shù)，kJ／kg·K；p1、p2、p0為透平膨脹機(jī)進(jìn)口、出口、環(huán)境壓力，MPa；T1、T2、T0為透平膨脹機(jī)進(jìn)口、出口、環(huán)境溫度，K；Cp為定壓比熱容，kJ／kg·K；n為多變指數(shù)。

2.1.2 優(yōu)化運(yùn)行方法及方案

為了闡明具體優(yōu)化方法，構(gòu)建了理想的分析模型（圖2）。①在上游調(diào)壓站，為了同時滿足用戶用氣要求和管線安全，調(diào)壓閥（T1）后壓力p1′不低于2.2 MPa、不高于3.8MPa。②在下游調(diào)壓站，為了滿足用戶需求和下游輸氣要求，調(diào)壓閥（T2）后壓力p′2不低于2.8MPa。為了獲得盡量多的壓力能，設(shè)固定為最低允許壓力2.8MPa。當(dāng)上游調(diào)壓站T1后壓力變化時，經(jīng)過T1、T2的流量會發(fā)生變化，導(dǎo)致兩調(diào)壓站回收的壓力能之和也發(fā)生變化。當(dāng)p′1在2.2～3.8MPa變化時，上下游獲得的壓力能變化情況見圖3。圖中W、W1、W2分別為兩調(diào)壓站調(diào)壓獲得的總功率、上游調(diào)壓站功率、下游調(diào)壓站功率。從圖3可以看出：W先上升后下降，W1先上升后下降，W2一直下降，3條曲線各存在1個峰值，分別為1923kW、1266kW、1786kW。若要回收1923kW的壓力能，需對兩個站都實(shí)施壓力能回收，固定投資較高；若僅回收W1或W2，則只需對1個站實(shí)施壓力能回收，固定投資較低，但壓力能回收能力也較低。為了獲得最優(yōu)的壓力能回收效益且投資低，應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)性評價結(jié)果決定。對于本例，顯然僅回收W2較為經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槠浞逯祪H比同時回收W1、W2的峰值少7.12%，但固定投資會約少50%。根據(jù)TGNET軟件模擬結(jié)果，此時p′1、p2、p′2分別為2.2MPa、5.1MPa、2.8MPa。

圖2 基于壓力能回收的管網(wǎng)優(yōu)化分析模型示意圖

圖3 不同調(diào)壓方式下壓力能回收功率圖

對于上下游具有3個及以上調(diào)壓分輸站的情形，思路和方法與上面相同，只是需要列出更多的方案。

利用式（1）～（5）計算出現(xiàn)運(yùn)行、優(yōu)化運(yùn)行條件下川渝管網(wǎng)可回收壓力能，結(jié)果見表1、表2。計算時，天然氣組成近似全部為甲烷，調(diào)壓前溫度取25℃，環(huán)境溫度取20℃，透平膨脹機(jī)效率取0.75。

從表1、表2可以看出，川渝管網(wǎng)蘊(yùn)藏著巨大的可回收壓力能?？紤]透平膨脹機(jī)與發(fā)電方式的齒輪箱效率為0.98，發(fā)電機(jī)效率為0.96，則現(xiàn)運(yùn)行、優(yōu)化運(yùn)行條件下發(fā)電總功率分別為23405kW、24571 kW，年發(fā)電分別為2.05×108kW·h、2.15×108kW·h。對比表1、表2可知：通過優(yōu)化運(yùn)行調(diào)配方案，可回收壓力能回收能力約提高5%，且可減少回收站場3座（GD3、GD7、GD9），大大降低投資。

表1 川渝管網(wǎng)現(xiàn)運(yùn)行條件下可回收利用壓力能計算表

2.2 站場壓力能回收工藝

目前天然氣壓力能回收主要用于直接膨脹發(fā)電、LNG調(diào)峰、冷庫等。已進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用階段的天然氣壓力能回收利用技術(shù)見表3。

表2 川渝管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行后理論可回收利用壓力能情況表

表3 天然氣壓力能回收利用表

由于川渝管網(wǎng)各調(diào)壓站調(diào)壓后的天然氣溫度均達(dá)不到LNG調(diào)峰和冷庫要求的低溫和其他客觀條件，故主要考慮直接膨脹發(fā)電和制冷實(shí)現(xiàn)天然氣壓力能回收利用。將高壓管網(wǎng)天然氣壓力能回收發(fā)電主要是以膨脹機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)壓閥來回收高壓天然氣降壓過程中的壓力能，將其用于發(fā)電［7］P2386。在借鑒現(xiàn)有工藝流程研究成果［8-14］并結(jié)合川渝管網(wǎng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出川渝管網(wǎng)天然氣壓力能回收工藝流程。

2.2.1 單一膨脹發(fā)電工藝

高壓天然氣經(jīng)凈化裝置、高壓儲氣罐后進(jìn)入透平膨脹機(jī)，天然氣在此膨脹降壓降溫，向發(fā)電機(jī)輸出機(jī)械功發(fā)電，出口低壓低溫天然氣經(jīng)低壓儲氣罐后進(jìn)入低壓天然氣管道。傳統(tǒng)調(diào)壓裝置作為備用也可在流量突然過大時用作調(diào)節(jié)透平膨脹機(jī)入口流量用。該工藝主要特點(diǎn)是：采用高壓儲氣罐和低壓儲氣罐作為氣流緩沖、調(diào)節(jié)設(shè)施，避免透平膨脹機(jī)入口壓力、氣量波動過大，同時滿足下游用戶用氣波動的需求；不回收天然氣膨脹產(chǎn)生的冷能，也不對透平膨脹機(jī)出口低溫天然氣進(jìn)行升溫。該工藝流程見圖4。

圖4 單一膨脹發(fā)電工藝原理示意圖

該工藝適用條件：調(diào)壓壓差、氣量不大，透平膨脹機(jī)出口天然氣溫度在0℃以上。川渝管網(wǎng)GD4、GD10、GD11等3個站場可采用此工藝。

2.2.2 膨脹發(fā)電、供冷工藝

該工藝在單一膨脹發(fā)電基礎(chǔ)上增加兩個換熱器，位于透平膨脹機(jī)和低壓儲氣罐之間。換熱器1用于回收膨脹產(chǎn)生的冷量，向站內(nèi)供冷，換熱器2用于向從換熱器1出來的溫度可能仍然很低的天然氣加熱，使之升溫到0℃以上。該工藝主要特點(diǎn)是：采用高壓儲氣罐和低壓儲氣罐作為氣流緩沖、調(diào)節(jié)設(shè)施，避免透平膨脹機(jī)入口壓力、氣量波動過大，同時滿足下游用戶用氣波動的需求；回收了部分冷量用于站內(nèi)供冷；需要額外熱能對低溫天然氣加熱。該工藝流程見圖5。

圖5 膨脹發(fā)電、供冷工藝流程圖

該工藝適用條件：調(diào)壓壓差、氣量較大，天然氣膨脹產(chǎn)生的冷量能滿足小用戶需求。川渝管網(wǎng)

GD1、GD5、GD6等9個站場可采用此工藝。

2.2.3 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電工藝

該工藝透平膨脹機(jī)輸出機(jī)械功同軸驅(qū)動壓氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)；出口低壓低溫天然氣經(jīng)過進(jìn)氣冷卻器對空氣進(jìn)行冷卻，同時提高自身溫度；冷卻器出來的天然氣經(jīng)余熱回收器回收燃?xì)廨啓C(jī)余熱，自身溫度提高到0℃以上后進(jìn)入低壓儲氣罐。利用該工藝，1m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）天然氣可發(fā)電7kW·h，是一般的熱電聯(lián)供機(jī)組的兩倍［6］P45。該工藝主要特點(diǎn)是：采用高壓儲氣罐和低壓儲氣罐作為氣流緩沖、調(diào)節(jié)設(shè)施，避免透平膨脹機(jī)入口壓力、氣量波動過大，同時滿足下游用戶用氣波動的需求；回收的全部冷量用于冷卻壓氣機(jī)進(jìn)口空氣和燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收，不需額外功加熱低溫天然氣；需要燃燒小部分低壓天然氣。該工藝流程見圖6。

圖6 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電工藝流程圖

該工藝適用條件：調(diào)壓壓差、氣量很大，天然氣膨脹產(chǎn)生的壓力能和冷能均很大。川渝管網(wǎng)GD2、GT1兩個站場可采用此工藝。

3 結(jié)論及建議

1）高低壓分輸條件下，川渝管網(wǎng)蘊(yùn)藏著巨大的可回收壓力能，若采用透平膨脹機(jī)發(fā)電，理論年發(fā)電量在2.05×108kW·h以上。

2）基于壓力能回收的優(yōu)化運(yùn)行方法，可用于優(yōu)化調(diào)配方案、提高壓力能回收經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)輸送條件下，通過采用基于壓力能回收的優(yōu)化運(yùn)行調(diào)配方案，川渝管網(wǎng)可回收壓力能回收能力約可提高5%，且可減少回收站場3座。

3）提出的3種不同形式的發(fā)電、供冷壓力能回收工藝流程均能夠滿足川渝管網(wǎng)壓力能回收的特殊要求。

4）對川渝管網(wǎng)高低壓分輸壓力能回收利用的工藝技術(shù)方案進(jìn)行了分析，下一步應(yīng)對實(shí)施各方案的經(jīng)濟(jì)性、具體技術(shù)要求及綜合可行性進(jìn)行深入的分析論證。

［1］論立勇，謝英柏，楊先亮.基于管輸天然氣壓力能回收的液化調(diào)峰方案［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（7）：114-116.

［2］聞菁，徐明仿.天然氣管網(wǎng)壓力能的回收及利用［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（7）：106-108.

［3］鄭志，王樹立，王幫華.天然氣城市門站調(diào)壓過程的分析［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（5）：104-106.

［4］彭世尼，陳建倫，楊建.天然氣絕熱節(jié)流溫度降的計算［J］.煤氣與熱力，2006，26（1）：1-4.

［5］鄭斌，劉俊德，劉鳳國.天然氣壓力能回收的熱力學(xué)分析與研究趨勢［J］.節(jié)能技術(shù)，2010，28（4）：310-318.

［6］《中國能源》編輯部.日利用天然氣壓差發(fā)電［J］.中國能源，2002（11）：45.

［7］徐文東，鄭惠平，郎雪梅，等.高壓管網(wǎng)天然氣壓力能回收利用技術(shù)［J］.化工進(jìn)展，2010，29（12）：2385-2 389.

［8］劉宗斌，徐文東，邊海軍，等.天然氣管網(wǎng)壓力能利用研究進(jìn)展［J］.城市燃?xì)猓?012，1（3）：14-18

［9］Mahmood Farzaneh-Gord，Mahdi Deymi-Dashtebayaz.A new approach for enhancing performance of a gas turbine（case study：Khangiran refinery）［J］.Applied Energy，2009，86（12）：2 750-2 759.

［10］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）：18-20.

［11］鄭志，王樹立，陳思偉，等.天然氣管網(wǎng)壓力能用于NGH儲氣調(diào)峰的設(shè)想［J］.油氣儲運(yùn)，2009，28（10）：47-51.

［12］鄭志.天然氣壓力能透平回收分析與聯(lián)合循環(huán)研究［J］.節(jié)能，2010（6）：18-21.

［13］論立勇，謝英柏.天然氣管網(wǎng)壓力能在燃?xì)廨啓C(jī)做功領(lǐng)域的回收利用裝置：中國，201202536Y［P］.2009-03-04.

［14］徐文東，王燕鴻，樊栓獅，等.天然氣管網(wǎng)壓力能制冷與水合物的集成利用方法及裝置：中國，200910039128.8［P］.2009-10-07.

（編輯：李臻）

B

2095-1132（2014）04-0040-05

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.04.012

修訂回稿日期：2014-06-15

周建（1980-），工程師，從事天然氣管輸工藝技術(shù)研究工作。E-mail：zhoujian_sq@petrochina.com.cn。

時間：2013-06-23網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.2095-1132.2014.04.000.html。