透平膨脹機回收天然氣管道壓力能的氣體動力性能分析

曾偉力

（中石化九江分公司，江西 九江332000）

節(jié)能減排是我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項基本國策。天然氣管網(wǎng)的壓力高達10MPa，遠遠高于城市居民用戶壓力0.4MPa，在節(jié)流降壓中就蘊藏有巨大的壓力能可供回收。利用透平發(fā)電系統(tǒng)將壓力能轉(zhuǎn)化成電能，并將部分發(fā)電電力用于加熱降壓段天然氣管道，可以解決實際生產(chǎn)中的安全問題，這種透平發(fā)電系統(tǒng)慣常用的就是透平膨脹機。基于此，下面就用一元穩(wěn)定流動理論對透平膨脹機流通部分的熱力學(xué)和動力學(xué)性能進行分析。

1 天然氣管道壓力能回收的重要意義

天然氣是當(dāng)前世界上綜合品質(zhì)最高、應(yīng)用最廣泛的工業(yè)與民用燃?xì)?，也是一種重要的化工原料。在天然氣長輸管道輸送系統(tǒng)中，高壓天然氣必須經(jīng)各地的天然氣門站里的調(diào)壓裝置降壓后才能供給普通用戶使用。經(jīng)過調(diào)壓裝置，10MPa的高壓天然氣逐步被降至中壓。中壓天然氣通過城市燃?xì)夤芫W(wǎng)進入小區(qū)或各樓棟，借助于調(diào)壓箱或調(diào)壓柜將壓力降至低壓供用戶使用。若采用減壓閥等減壓設(shè)備對天然氣進行節(jié)流減壓時天然氣溫度降低，天然氣中水分結(jié)冰如發(fā)生冰阻現(xiàn)象影響生產(chǎn)，更為嚴(yán)重的是管道周圍的泥土凍結(jié)膨脹引起天然氣管道局部應(yīng)力增加可能會導(dǎo)致管道破損，發(fā)生天然氣泄漏事故和引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故的重大危險。在天然氣輸配、凈化等其他諸環(huán)節(jié)中，存在許多工序，需按生產(chǎn)工藝，將高壓流體經(jīng)減壓閥降壓，甚至直接排放。在這些環(huán)節(jié)中，高壓流體降壓時，不僅會產(chǎn)生重大危險，而且其壓力能都沒有得到合理利用。

研究表明：若能合理有效地回收天然氣管道壓力能，將其轉(zhuǎn)化為電能或其他形式能，將能夠有效地提高能源利用率，使管網(wǎng)的運行更經(jīng)濟。例如高壓管網(wǎng)壓力為10MPa，若用戶端的壓力為0.8MPa，則可回收的最大壓力能為359.12kJ／kg。以西氣東輸工程為例，干線管道的設(shè)計輸氣量120×108m3／a，如果取氣體比容為1.5m3／kg（0.1MPa、20℃時甲烷的比容），則質(zhì)量輸氣量為80×108kg／a，那么每年可回收的最大壓力能為28 729.6×108kJ。

2 天然氣管道壓力能回收裝置－－透平膨脹機

多年研究表明：在長輸天然氣管道的天然氣門站、調(diào)壓站和大型工業(yè)用戶用氣起點處的節(jié)流降壓閥處，可利用各種壓力能回收裝置來代替節(jié)流閥回收高壓天然氣壓力能。回收來的管網(wǎng)壓力能可用來生產(chǎn)液化天然氣，或?qū)μ烊粴膺M行深度純化，以滿足特定用戶的要求。其中，最簡單回收天然氣管道壓力能的方法是利用透平膨脹機裝置（圖1）將壓力能轉(zhuǎn)化為機械功。

透平膨脹機是利用絕熱等熵膨脹過程實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的一種有效設(shè)備。它利用工質(zhì)流動時速度的變化來進行能量轉(zhuǎn)換，將工質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)化為機械功。具體過程是：工質(zhì)在透平膨脹機的通流部分中膨脹獲得動能，降低膨脹機出口工質(zhì)的內(nèi)能和溫度同時由工作輪軸輸出機械功。

3 透平膨脹機流通部分的熱力學(xué)和氣體動力學(xué)的計算和分析

透平膨脹機是一種高速旋轉(zhuǎn)的低溫機械，它所牽涉的內(nèi)容和所需要的基礎(chǔ)理論是多方面的。下面僅就透平膨脹機流通部分的熱力學(xué)及氣體動力學(xué)原理進行分析。

3.1 實際工質(zhì)氣體狀態(tài)方程式

透平膨脹機中工質(zhì)多數(shù)是雙原于或單原子的氣體。在常溫區(qū)，它們與理想氣體比較接近，隨著溫度的下降就逐漸偏離理想氣體的狀態(tài)方程式。工程計算中可利用實際氣體的熱力性能圖（又稱諾模圖）查圖計算。在實際設(shè)計計算中，因諾模圖不便于進行氣動性能的計算，且計算的精確度較低等缺點，因此常用壓縮性系數(shù)來修正理想氣體狀態(tài)方程式得到實際氣體狀態(tài)方程式來計算：

式中：Z－壓縮性系數(shù)；p－指理想氣體的壓強；v－理想氣體的體積；T－表示理想氣體的熱力學(xué)溫度；R－理想氣體常數(shù)。

公式1壓縮性系數(shù)Z已表達成曲線圖或表格的形式，設(shè)計時只需要查圖取值。若缺乏具體工質(zhì)的圖表時，亦可以利用對比壓縮性系數(shù)圖。

多組分氣體混合物的情況下，采用經(jīng)過多項修正的實際氣體狀態(tài)方程式進行更準(zhǔn)確的計算。這類狀態(tài)方程式的形式很多，比如維里方程、兩狀態(tài)參數(shù)方程、多狀態(tài)參數(shù)方程等，應(yīng)根據(jù)實際工況選擇其中之一進行計算或者經(jīng)過對比，擇優(yōu)選用。

3.2 實際工質(zhì)氣體的過程方程式

根據(jù)工程熱力學(xué)可知，理想氣體的絕熱等熵膨脹過程方程式為：

在實際透平膨脹機中，工質(zhì)偏離了理想氣體，且膨脹工程中存在各種損失，故需要對其進行修正。修正公式很多，如利用壓縮性系數(shù)來修正方程式，則得到完全形式相同的過程方程式，但等熵絕熱指數(shù)變成：

由摩擦而轉(zhuǎn)換成的熱量正比于膨脹過程的實際焓降，根據(jù)工程熱力學(xué)，可得到與多變過程相似的實際氣體的絕熱非等熵過程方程式：

式中：指數(shù)n和等熵指數(shù)k以及流動過程的損失有關(guān)。

設(shè)Cs為理論等熵比焓降（i0－i2s）全部轉(zhuǎn)換為氣流的動能時所能獲得的理論氣流速度，C為實際焓降（i0－i2）全部轉(zhuǎn)換為動能所獲得的實際氣流速度，則兩者存在關(guān)系：

式中為表征速度損失大小的速度系數(shù)。

由上述建立能量損失系數(shù) 與速度系數(shù) 的關(guān)系：

根據(jù)式6，已知等熵過程指數(shù) 與非等嫡過程的速度系數(shù) ，可求得絕熱非等熵過程的指數(shù) ，進而確定絕熱非等熵膨脹過程的方程式。

3.3 實際工質(zhì)氣體流動過程分析

高壓天然氣管網(wǎng)來氣經(jīng)過城市門站凈化穩(wěn)定后，進入膨脹機。在噴嘴中，高壓氣體經(jīng)過噴射的作用，氣體的速度迅速上升并可以達到音速，壓力和溫度則迅速下降。高速氣體從半徑方向流入葉輪流道中，葉輪受其高速沖擊的作用，高速旋轉(zhuǎn)輸出軸功，工質(zhì)氣體的速度則迅速降低，同時，在不斷變大的葉輪流道截面內(nèi)氣體的壓力亦進一步降低。上述過程周而復(fù)始，不斷地輸出機械能。

根據(jù)流體力學(xué)中的控制容積與隨體微商分析透平膨脹機內(nèi)的工質(zhì)的流動狀態(tài)。全微商的物理意義是該物理量是非流動場中它隨時間和坐標(biāo)的變化率；而隨體微商則是處于流動場中的某一控制容積內(nèi)該物理量隨時間和坐標(biāo)的變化率等可以直接求得相應(yīng)的連續(xù)方程式、動量矩方程式和能量方程式。

1）在透平膨脹機中，通流部分的流動過程簡化為一元管流，可得一元穩(wěn)定管流的流量連續(xù)方程式：

故在一元穩(wěn)定管道流動過程中，每一個與流速C相垂直的橫截面單位時間內(nèi)流過的質(zhì)量始終保持不變。

2）牛頓第二定律是聯(lián)系作用于流體上的力與流體速度變化的基本方程。

由Fex＝DP／dt可算出動量方程式：

此動量方程式是研究流動過程的一個重要關(guān)系式，也是計算透平膨脹機工作輪的一元穩(wěn)定絕熱等熵流動過程的重要公式。初步計算時，噴嘴和擴壓器都可以看作為這種絕熱等熵的一元穩(wěn)定流動。第二式也是適用絕熱非等熵過程，此時，方程式左邊應(yīng)改為 。此外，也可推算出向心徑流式工作輪具有最大的焓降和溫降。

3）能量方程是能量守恒定律的數(shù)學(xué)表達式。

將熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于控制容積 ，根據(jù)E的隨體微商可得：

即可推算出：單位質(zhì)量所做的功（歐拉公式）。

4 結(jié)論

圍繞石化企業(yè)實際生產(chǎn)中遇到高壓氣體節(jié)流降壓問題，可采用天然氣管道壓力能回收的最簡單技術(shù)－－利用膨脹機裝置將壓力能轉(zhuǎn)化為機械功。

1）通過對透平膨脹機中實際氣體的熱力學(xué)和動力學(xué)性能的研究，對流道內(nèi)實際工作氣體的流動過程的計算，可證明用透平膨脹機回收利用天然氣管道壓力能的可行性。

2）采用一元穩(wěn)定流動理論對透平膨脹機進行熱力學(xué)和氣體動力學(xué)計算，能達到在天然氣長輸管線的城市門站內(nèi)采用透平膨脹機代替節(jié)流降壓閥降壓目的。

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