天然氣長(zhǎng)輸管道壓差發(fā)電技術(shù)可行性

賴瑞康 陳樂樂

摘要：天然氣以高壓方式通過長(zhǎng)輸管道輸送到終端用戶后，通常需要通過調(diào)壓設(shè)備進(jìn)行降壓處理，以便與城市居民和工商業(yè)終端用戶用氣設(shè)施匹配。國(guó)內(nèi)的現(xiàn)實(shí)情況是，調(diào)壓過程中天然氣內(nèi)蘊(yùn)含的巨大壓力能不僅輸送調(diào)壓過程中被白白浪費(fèi)掉，而且還因?yàn)榧眲〗禍貙?duì)調(diào)壓及管道設(shè)備運(yùn)行安全構(gòu)成威脅。研究壓力能回收利用技術(shù)，將其用于發(fā)電、冷庫(kù)、冷水空調(diào)、制冰、空氣分離、干冰生產(chǎn)、橡膠深冷粉碎以及天然氣輕烴分離等領(lǐng)域，能量循環(huán)利用，節(jié)能效果顯著，同時(shí)可消除生產(chǎn)過程產(chǎn)生的噪音和設(shè)備安全隱患。經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益都將十分可觀，市場(chǎng)推廣應(yīng)用前景廣闊，對(duì)于提高能源利用效率、促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，高效利用天然氣管網(wǎng)壓力能是天然氣產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：天然氣；高壓管線；膨脹機(jī)；輸氣管網(wǎng)；壓差；內(nèi)能

城市燃?xì)饨?jīng)過高壓（或次高壓）輸氣管線進(jìn)入城市輸氣管網(wǎng)（輸氣干線或支線），通過調(diào)壓器的節(jié)流，使壓力降低，再依次進(jìn)入壓力更低一級(jí)的管網(wǎng)。為回收利用天然氣管網(wǎng)的壓力差，可采用余壓透平發(fā)電系統(tǒng)（TRT）。通過透平膨脹機(jī)做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電進(jìn)行二次能源的回收。城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿缐毫Ψ旨?jí)如下表所示：

由工程熱力學(xué)理論可知，當(dāng)天然氣具備一定的壓力和溫度時(shí)，就具備了一定的能量，即由壓力所體現(xiàn)的勢(shì)能和由溫度所體現(xiàn)的動(dòng)能，二者合稱為天然氣的內(nèi)能。在用減壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，部分內(nèi)能損失。在膨脹機(jī)技術(shù)出現(xiàn)之前，人們還無法對(duì)這部分能量進(jìn)行回收。今天利用天然氣在膨脹機(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹，內(nèi)能降低而對(duì)外做功，并由膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)將能量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行回收。透平膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組的工作原理，按能量轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為速度式和容量式兩大類。速度式膨脹機(jī)適用于流量大、負(fù)荷穩(wěn)定的場(chǎng)合，如蒸汽透平、燃?xì)馔钙降龋蝗萘渴脚蛎洐C(jī)適用于小流量、負(fù)荷波動(dòng)大的場(chǎng)合，如螺桿膨脹機(jī)等。以速度式膨脹機(jī)為例，介紹其工作原理。透平膨脹機(jī)是一種使壓縮氣體膨脹并輸出功率的機(jī)械設(shè)備，因而壓力降低和能量減少的原動(dòng)機(jī)，在透平膨脹機(jī)中，氣體的能量交換發(fā)生在導(dǎo)流器的噴嘴葉片間與工作葉輪內(nèi)。高壓氣流在噴嘴內(nèi)進(jìn)行部分膨脹，然后以一定的速度進(jìn)入葉輪，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。氣流進(jìn)入葉輪后還會(huì)進(jìn)一步膨脹，氣流的反沖力進(jìn)一步推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的葉輪軸可驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，由于氣體在膨脹機(jī)中通過的時(shí)間極短，來不及與周圍環(huán)境進(jìn)行熱量交換，絕熱效率很高，因而，此過程可視為等熵膨脹。進(jìn)入透平膨脹機(jī)的氣體流量可以通過導(dǎo)流葉片來進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化。

目前，國(guó)外很多先進(jìn)國(guó)家很早對(duì)差壓發(fā)電的技術(shù)進(jìn)行了廣范應(yīng)用，我國(guó)長(zhǎng)輸天然氣大多采用高壓管輸方式，輸送的高壓天然氣經(jīng)調(diào)壓站降至中壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，再借助于調(diào)壓站箱將壓力降至低壓后供用戶使用。天然氣在調(diào)壓過程中會(huì)損失大量的壓力能，還會(huì)因?yàn)榧眲〗禍貙?duì)調(diào)壓及管道設(shè)備運(yùn)行安全構(gòu)成威脅。從天然氣高壓管線輸送來的高壓天然氣在送到用氣點(diǎn)之前，通常需要根據(jù)下游用戶的供氣壓力要求先進(jìn)行降壓，在此過程中將產(chǎn)生很大的壓力降，同時(shí)釋放出大量的能量。目前此降壓過程多通過大型減壓閥等調(diào)壓裝置實(shí)現(xiàn)，能量白白損失掉而沒有得到很好的利用。透平膨脹機(jī)組由于其工作特性，可替代減壓裝置，將這部分壓力能有效回收，用于發(fā)電及制取所需的冷量。

壓力能利用主要方式有：發(fā)電、天然氣液化、CNG加壓、制冰、空調(diào)及其他場(chǎng)站用電方面；所得到的冷量可用于冷庫(kù)、冷水空調(diào)、制冰等。

如果能采取適當(dāng)?shù)拇胧┗厥绽脡毫δ埽瑢⑻岣吣茉吹睦寐?，減少資源浪費(fèi)，對(duì)提高天然氣管網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有十分積極的意義。

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管道余壓透平發(fā)電系統(tǒng)（Top Pressure Recovery Turbine Unit，TRT）是利用燃?xì)獾膲毫⒐茌斕烊粴鈱?dǎo)入透平膨脹機(jī)，經(jīng)兩級(jí)動(dòng)靜葉片不斷膨脹做功，帶動(dòng)透平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，透平轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的能量回收系統(tǒng)。由TRT 透平主機(jī)系統(tǒng)、高低壓發(fā)配電系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等系統(tǒng)及配套設(shè)施組成。國(guó)內(nèi)第一臺(tái)安裝的 TRT 是在首都鋼鐵公司，于 1981 年引進(jìn)日立造船制造的設(shè)備，裝機(jī)容量 6800 kW。國(guó)內(nèi)從 20 世紀(jì) 70 年代末開始組織力量研究國(guó)產(chǎn) TRT 技術(shù)，1984 年國(guó)內(nèi)第一臺(tái) TRT 系統(tǒng)在梅山鋼鐵公司2號(hào)高爐（1080 m3）建成投產(chǎn)。2010年寶鋼股份冷軋廠 1420 管網(wǎng)蒸汽差壓發(fā)電“軋鋼區(qū)域低品位余熱資源梯級(jí)利用研究與示范”科研項(xiàng)目的成功投運(yùn)發(fā)電，不僅每年可獲得200萬千瓦時(shí)的電力和113 萬元的效益，而且形成了能源梯級(jí)利用相關(guān)應(yīng)用技術(shù)提供了范例。

目前在國(guó)內(nèi)眾多鋼鐵企業(yè)的高爐上都在使用煤氣余壓發(fā)電技術(shù)，同樣可將該技術(shù)引進(jìn)到天然氣管網(wǎng)的壓力能回收發(fā)電領(lǐng)域城市天然氣通過逐級(jí)降壓輸配至終端用戶，只要存在壓降就有余壓回收發(fā)電的可能性。由于各調(diào)壓站存在著天然氣降壓的過程，因此若在調(diào)壓站進(jìn)行壓力能回收，用透平膨脹機(jī)替代調(diào)壓設(shè)備回收壓力能是可行的。門站多是長(zhǎng)輸管線和城市輸配系統(tǒng)的交接站，主要包括清管、加熱、計(jì)量和加臭等功能。高高壓調(diào)壓站、高中壓調(diào)壓站將大流量的高壓天然氣調(diào)壓至中壓后輸配至城市管網(wǎng)，可利用的壓力能較多，余壓回收轉(zhuǎn)化的電能可直接并入電網(wǎng)或供應(yīng)給建在高壓管網(wǎng)上的 CNG 加壓站或生產(chǎn)、辦公自用，因此適宜設(shè)置大型的余壓發(fā)電回收系統(tǒng)。改造門站調(diào)壓裝置前的旁通管道，增加閥門、透平膨脹機(jī)及發(fā)電、配電設(shè)備。

以深圳燃?xì)饧瘓F(tuán)供氣量為例，目前深圳在西二線寶安求雨嶺建成 l 座門站和 2 座高高壓調(diào)壓站（求雨嶺230萬m3/天、留仙洞130萬 m3/天，壓力為4Mpa/1.6Mpa），按2014年深圳市上半年求雨嶺、留仙洞高高壓調(diào)壓站日平均供氣量計(jì)算，約平均管道輸送量為150000Nm3/h，

根據(jù)：

（1）流量適用計(jì)算公式

石油部標(biāo)準(zhǔn)（SYL04—83）中劃定天然氣流量公式為：

Qn=Anad2FG ×εFZFT√P1hW（19—1）

Qn——尺度狀況（20℃，101.325KPa）下的體積流量，m3/d

An——常數(shù)，流量用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，An=0.008686

a——流量系數(shù)；

d——孔板啟孔直徑，mm

FG ——相對(duì)密度系數(shù)

ε——流束膨脹系數(shù)

FZ——超緊縮系數(shù)

FT——固定暖度系數(shù)

P1——孔板上游側(cè)的靜壓力

hW——?dú)饬鹘?jīng)由孔板時(shí)發(fā)生的壓差，Pa

（2）日常氣質(zhì)計(jì)算公式

輸氣出產(chǎn)中的地然氣計(jì)量個(gè)別皆采取環(huán)室與壓安裝。該節(jié)淌裝置的棄壓方法、孔板直徑、丈量管內(nèi)徑、壓差計(jì)規(guī)格、自然氣絕對(duì)稀度等斷定后，式（19—1）中的局部參數(shù)是定值，所以日常氣量由下公式計(jì)算：

Qn=KO×ε×（√1/T1×Z）×P格×H格×FT（19—2）

近年去，四川氣田采輸氣廠站的日常氣量計(jì)算公式未通用以下符號(hào)：KO不變、Kε=ε、KT=√1/T1、KZ=√1/Z、P，= P格、H，= H格、φ= FT，由此，日常氣量計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

Qn= KO×Kε×KT×KZ×P，×H，天然氣發(fā)電機(jī)組和沼氣發(fā)電機(jī)組的區(qū)別，×φ

當(dāng)輸壓不大時(shí)，Kε 并入KO，且24小時(shí)持續(xù)生產(chǎn)，上式簡(jiǎn)化為：Qn= KO×KT×KZ×P，×H，式中各參數(shù)的確定辦法如下：

1）KO：KO是氣量計(jì)算常數(shù)，俗稱 K值，其值由下式確定：

KO=4.7031×10-4a0×Fr×λ Re×bk×d2×√PmHm/G

亦即：KO=4.7031×10-4a×d2×√PmHm/G

式中：Pm——單漣漪管差壓計(jì)附記壓力，天然氣加氣機(jī)項(xiàng)目建議書是怎樣的，MPa

Hm——雙波紋管差壓計(jì)壓差量程，Pa

式中其余參數(shù)共上。

應(yīng)流量、壓力變更不大時(shí)，ε值能夠按常數(shù)記進(jìn) KO值，即：

KO=4.7031×10-4×a0×Fr×λ

Re×bk×d2×ε√PmHm/G=4.7031×10-4×a×d2×ε√PmHm/G

此時(shí)，Qn= KO×[√1/T1×Z]×P 格×H格×FT、

2）ε：ε替氣體膨脹系數(shù)，由以下私式盤算：Z=1- KZ×P格2×T1-3.72

式中 KZ=4.6×105×Pm×TC3.72×PC-1P格、H格：為靜壓、壓差的百離開方格數(shù)。

P格、H 格確實(shí)定方式略睹下點(diǎn)：

FT：為生產(chǎn)時(shí)光系數(shù)，當(dāng)一生成產(chǎn)不腳 24 小時(shí)時(shí)，應(yīng)趁以生產(chǎn)時(shí)間系數(shù)。

FT=生產(chǎn)小時(shí)數(shù)/24

若是生產(chǎn)謙24小時(shí)，則FT=1

通過發(fā)電膨脹機(jī)后壓力能夠發(fā)電量 2120KWh，冷能利用在進(jìn)口溫度為 20 時(shí)出口可以降到-31.3，深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)按年度計(jì)算，單項(xiàng)差壓能量利用每年可獲得1831.7 萬千瓦時(shí)的電力和1025.75 萬元的效益。

高高壓調(diào)壓站余壓發(fā)電項(xiàng)目改造后的工藝流程如下圖所示，改造調(diào)壓站的旁通管道，增加閥門、超聲波流量計(jì)、透平膨脹機(jī)及發(fā)電、緩沖罐、配電設(shè)備。原有的調(diào)壓系統(tǒng)可作為透平發(fā)電系統(tǒng)故障檢修時(shí)的供氣備用系統(tǒng)。

余熱余壓綜合利用，符合國(guó)家宏觀產(chǎn)業(yè)政策，《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》第三十一條：國(guó)家鼓勵(lì)工業(yè)企業(yè)采用高效、節(jié)能的電動(dòng)機(jī)、鍋爐、窯爐、風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備，采用熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱余壓利用、潔凈煤以及先進(jìn)的用能監(jiān)測(cè)和控制等技術(shù)。國(guó)家經(jīng)貿(mào)委、財(cái)政部、國(guó)家稅務(wù)總局 1996年8月9日下發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步開展資源綜合利用的意見》、國(guó)務(wù)院國(guó)發(fā)<（1996）36 號(hào)>《國(guó)務(wù)院批轉(zhuǎn)國(guó)家經(jīng)貿(mào)委等部門關(guān)于進(jìn)一步開展資源綜合利用意見的通知》、國(guó)家經(jīng)貿(mào)委資源節(jié)約綜合利用司1996年 12月《關(guān)于“進(jìn)一步開展資源綜合利用的意見”若干主要問題的說明》、國(guó)務(wù)院 1996 年 8 月 3 日《國(guó)務(wù)院關(guān)于環(huán)境保護(hù)若干問題的決定》等文件中均明確指出，對(duì)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢渣、廢水（液）、廢氣、余熱、余壓等進(jìn)行回收和合理利用，支持資源綜合利用電廠生產(chǎn)電力。單機(jī)容量 0.5—12 MW 范圍內(nèi)的發(fā)電機(jī)組符合并網(wǎng)條件，電力部門都應(yīng)允許并網(wǎng)，簽訂并網(wǎng)協(xié)議，免交上網(wǎng)配套費(fèi)，并在核定的上網(wǎng)電量?jī)?nèi)優(yōu)先購(gòu)買，不參加電網(wǎng)調(diào)峰。

結(jié)論：

管網(wǎng)的壓力越高，燃?xì)獾撵手狄苍礁?，?yīng)該充分合理利用，高壓輸氣管道蘊(yùn)藏了大量的壓力能，簡(jiǎn)單調(diào)壓過程會(huì)造成巨大能源浪費(fèi)。天然氣透平膨脹余壓發(fā)電系統(tǒng)能有效地回收管網(wǎng)的壓力能。采用余壓透平膨脹發(fā)電系統(tǒng)投資少、見效快，充分利用天然氣在輸氣管道的壓力差膨脹發(fā)電，幾乎無需消耗其他能源，運(yùn)行費(fèi)用低?？山档吞烊粴廨斔统杀荆岣吖镜慕?jīng)營(yíng)收益。