城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)壓力能綜合利用裝置

龔曉科

【摘要】銀川某縣天然氣長輸管道壓力4.0MPa，以前通過調(diào)壓站直接調(diào)壓后輸送到下游城市管網(wǎng)使用，壓力能未得到利用。近年來，該縣的LNG汽車逐步發(fā)展起來，所需的車用LNG產(chǎn)品需從外地購買?，F(xiàn)利用4.0MPa的壓力能制取LNG，，可以得到車用LNG產(chǎn)品滿足周邊LNG汽車的燃料需求，同時將低壓閃蒸氣作為下游管網(wǎng)燃?xì)馐褂?。該?xiàng)目采用特定的LNG生產(chǎn)工藝，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際燃?xì)庑枨蠛蛙囉肔NG需求，最大限度的降低能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

【關(guān)鍵詞】管道天然氣；車用LNG；能耗；低溫

1、簡述

天然氣高中壓輸送過程中，其輸送壓力遠(yuǎn)高于實(shí)際用戶需要的壓力，其壓力能的利用通常可以通過降壓設(shè)備將這部分能量有效回收，用于發(fā)電、天然氣脫水、LNG生產(chǎn)、冷庫等領(lǐng)域[1]、[2]。銀川某縣的天然氣長輸管道壓力為4.0MPa，直接降壓后作為城市居民用氣，損失了大量的能量，形成資源浪費(fèi)?，F(xiàn)建設(shè)了一套天然氣壓力回收生產(chǎn)液化天然氣（LNG）的裝置，該裝置利用高壓天然氣進(jìn)行絕熱膨脹以獲得低溫冷量用于將天然氣液化生產(chǎn)LNG。LNG可用于城市燃?xì)庹{(diào)峰和滿足車輛LNG燃料需求，生產(chǎn)過程中的低壓天然氣可用于下游燃?xì)夤芫W(wǎng)使用。該裝置采用特定的工藝流程，不需要外界能量就可直接生產(chǎn)得到LNG，使高壓天然氣壓力能得到充分利用，目前已經(jīng)運(yùn)行投產(chǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中可根據(jù)現(xiàn)場情況隨時調(diào)整LNG和低壓燃?xì)獾漠a(chǎn)量，以適應(yīng)城市燃?xì)?、天然氣調(diào)峰和車輛燃料市場的需求。

2、技術(shù)方案分析

長輸管道的天然氣的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷等組成的氣體混合物，具有較高的壓力。高壓天然氣經(jīng)過調(diào)壓后壓力降低可送入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，這是一種開口系統(tǒng)，沒有燃?xì)獾难h(huán)流動，可以利用焓火用分析法對這一系統(tǒng)可利用的能量進(jìn)行分析。

若假設(shè)天然氣輸送為穩(wěn)定狀態(tài)，則其焓火用值為：

（1）

其中To為環(huán)境溫度，ho，so為物流在環(huán)境壓力及環(huán)境溫度下對應(yīng)的比焓和比熵，h和s為物流所在狀態(tài)的比焓和比熵。

高壓天然氣通過降壓后，其可利用的能量為：

（2）

研究表明當(dāng)10MPa的天然氣降壓至0.8MPa，則可利用的壓力能為359.1kJ/kg[3]，因此高壓天然氣具有大量的壓力能可供利用。高壓天然氣可通過節(jié)流或者膨脹來降低壓力，其中利用膨脹機(jī)降壓是較好的方式[4]。天然氣通過膨脹機(jī)做等熵膨脹后，天然氣壓力和溫度均會降低，若在低溫下膨脹則會得到-160℃左右的低溫冷量。在天然氣膨脹降溫的同時，可利用增壓端回收膨脹機(jī)輸出的軸功，用于進(jìn)一步壓縮天然氣使之具有更高的壓力。這樣一方面充分利用天然氣膨脹輸出的軸功，另一方面利用低溫天然氣冷卻高溫天然氣生產(chǎn)LNG，使高壓天然氣具有的能量得到充分應(yīng)用。

3、工藝流程

利用高壓天然氣膨脹生產(chǎn)LNG的工藝過程包括穩(wěn)壓計量、預(yù)處理（氣體凈化）、液化、儲存、裝車及輔助系統(tǒng)等，其中主要工藝流程是天然氣凈化和液化工藝。凈化工藝采用MDEA醇胺法脫除酸性氣體，然后利用分子篩吸附天然氣中的水分，液化工藝采用CH4串聯(lián)膨脹獲得冷量，高壓高溫天然氣被冷卻后節(jié)流獲得LNG，整個工藝流程示意圖見圖1。

圖1 天然氣壓力能綜合利用流程示意圖

高壓天然氣在35℃，4.0MPa.G條件下進(jìn)入裝置，首先經(jīng)過原料氣過濾分離器盡可能除去可能攜帶的游離液體和機(jī)械雜質(zhì)，再經(jīng)計量、調(diào)壓以后進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)。

高壓天然氣中含有二氧化碳、硫化氫和水分，在低溫狀態(tài)下會造成設(shè)備凍堵或?qū)υO(shè)備造成腐蝕破壞，因此需要事先對天然氣進(jìn)行凈化處理。MDEA醇胺法脫酸是常用的工藝方法，可將天然氣中的二氧化碳脫除至50ppm，硫化氫脫除至1ppm以下。天然氣脫酸后需要對其進(jìn)行脫水，目前能滿足深冷要求的脫水方法是分子篩吸附脫水。分子篩對水分的吸附能力強(qiáng)，同時還能吸附部分酸氣，使氣體達(dá)到-70℃的露點(diǎn)，是合適的脫水材料，也是現(xiàn)有的項(xiàng)目普遍采用的脫水材料[5]、[6]。

脫水采用三固定床吸附塔，一塔進(jìn)行脫水操作，一塔進(jìn)行吸附劑的再生、一塔進(jìn)行吸附劑的冷卻，切換操作。處理后的天然氣中水含量小于1ppmV，露點(diǎn)低于-70℃，C6+重?zé)N含量≤100ppm。再生氣進(jìn)吸附塔溫度230～290℃，再生氣出吸附塔175～220℃溫度，通過氣氣換熱器可以回收預(yù)熱，再進(jìn)入水冷卻氣使其溫度降到常溫，進(jìn)行氣液分離后進(jìn)入天然氣管網(wǎng)。

天然氣液化和制冷流程見圖2，采用冷卻節(jié)流閃蒸的方式獲得LNG。高壓天然氣被冷卻后進(jìn)入節(jié)流閥節(jié)流減壓，通過閃蒸得到LNG，閃蒸氣為低壓天然氣，在換熱器內(nèi)回收熱量后送入下游燃?xì)夤芫W(wǎng)。

天然氣液化的冷量由高壓天然氣串聯(lián)膨脹制冷提供。高壓天然氣首先進(jìn)入增壓端被進(jìn)一步增壓，增壓端由膨脹機(jī)帶動。增壓后的天然氣然后進(jìn)入換熱器被冷卻到低溫后進(jìn)行一級膨脹，膨脹后溫度壓力降低并再次被冷卻后進(jìn)行二級膨脹，膨脹后的低溫天然氣用于冷卻高壓天然氣，自身復(fù)熱后送入下游燃?xì)夤芫W(wǎng)。

在上述流程中通過合理的工藝設(shè)計，可使所有低壓天然氣進(jìn)入低壓管網(wǎng)作為燃?xì)馐褂?，包括酸氣、再生氣、制冷用天然氣和?jié)流閃蒸氣，因此整個流程中沒有廢氣排放，使天然氣得到充分的利用。另外，在裝置運(yùn)行過程中優(yōu)先保證對下游低壓燃?xì)庑枨蟮墓?yīng)，可以靈活地調(diào)節(jié)用于膨脹制冷的天然氣流量和高壓天然氣節(jié)流閃蒸壓力，這樣能在不影響生成連續(xù)性的前提下調(diào)節(jié)低壓天然氣的流量，具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)性，對原料組分變化的適應(yīng)性也較強(qiáng)。

LNG生產(chǎn)出后儲存在低溫儲罐中，該裝置采用5000m3的低溫儲罐，可容納1個月的LNG產(chǎn)量，在城市燃?xì)夤?yīng)緊張時，所儲存的LNG還可以氣化供城市燃?xì)馐褂谩?/p>

圖2 天然氣液化制LNG流程示意圖

4、經(jīng)濟(jì)性分析

采用上述液化工藝可利用高壓天然氣壓力能生產(chǎn)LNG，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。結(jié)合城市壓力能回收的實(shí)際情況，銀川某縣的天然氣用氣量為15000Nm3/h，管網(wǎng)門站調(diào)壓前的壓力為4MPa。天然氣從4MPa降至0.4MPa，通過液化裝置進(jìn)行壓力能回收后，能生產(chǎn)5600Nm3/h的LNG，生產(chǎn)過程中得到的低壓燃?xì)饬髁繛?6000Nm3/h，剛好滿足城市燃?xì)庑枨蟆?/p>

從該裝置經(jīng)濟(jì)性上分析，若所生產(chǎn)的LNG完全用于銷售，按照設(shè)計工況得到的LNG產(chǎn)量為3t/h，市場年平均售價按照5000元/t計算，則裝置連續(xù)運(yùn)行8000小時的年產(chǎn)值可達(dá)1.2億，成本主要是原料天然氣、公用工程和人員消耗，其年凈利潤超過2000萬。該綜合利用裝置設(shè)備建設(shè)成本主要包括土地費(fèi)用，設(shè)備費(fèi)用和安裝運(yùn)行費(fèi)用，設(shè)備包括預(yù)處理、換熱器、膨脹機(jī)、閃蒸罐、LNG儲罐及附屬設(shè)備，總投資約3000萬，投資回收期為1.5年。

從該裝置的社會效益分析，所生產(chǎn)的LNG可用于城市燃?xì)庹{(diào)峰，按照儲罐容量的95%儲存容量計算，則其儲存的天然氣為2570000Nm3，可單獨(dú)為城市提供7天以上的燃?xì)夤?yīng)，作為補(bǔ)充燃?xì)馐褂没究蓾M足城市燃?xì)饩o缺時期的供應(yīng)。

從節(jié)能角度考慮，LNG的生產(chǎn)能耗約為0.5kwh/Nm3，則按照設(shè)計工況的產(chǎn)量，每小時可節(jié)約電耗2800kw，年節(jié)約電耗22400000kwh，折合2750噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

綜上所述，該裝置在經(jīng)濟(jì)性上可行，同時還能節(jié)約能源，為城市發(fā)展，保障人民生產(chǎn)生活發(fā)揮巨大作用。

5、總結(jié)

結(jié)合當(dāng)?shù)剀囉肔NG需求和城市燃?xì)夂牧浚跐M足低壓城市燃?xì)夤┙o的同時，采用特定的工藝流程，充分利用高壓天然氣長輸管道壓力能制取車用LNG產(chǎn)品。該裝置具有良好的適應(yīng)性和可調(diào)性，能靈活得滿足城市燃?xì)狻④囉肔NG和燃?xì)庹{(diào)峰的需求。該裝置連續(xù)運(yùn)行，可為當(dāng)?shù)刎暙I(xiàn)年1.2億的產(chǎn)值，年凈利潤2000萬元，每年能節(jié)約2750噸標(biāo)準(zhǔn)煤，為當(dāng)?shù)氐某鞘邪l(fā)展和節(jié)能減排發(fā)揮巨大作用。

參考文獻(xiàn)

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