淺析天然氣管網(wǎng)壓力能利用

焦洋

摘 要：隨著2001年西氣東輸管線的開工建設，我國正在逐步調(diào)整當前能源結(jié)構(gòu)，大規(guī)模發(fā)展天然氣。我國燃氣輸配管網(wǎng)的輸氣壓力可分為：高壓A、高壓B、次高壓A、次高壓B、中壓A、中壓B和低壓管道7級。從上游供氣高壓管線至燃氣用戶使用的低壓管線之間需要逐級降壓。高壓天然氣在調(diào)壓過程中會產(chǎn)生很大壓力降，此過程將釋放出大量壓力能。采用適當方式將這部分壓力能加以回收利用，將在很大程度上提高天然氣管網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和能源的綜合利用率。

本文對天然氣高壓管網(wǎng)壓力能進行了[用][火]分析，以2006年西氣東輸管道供氣量99×108m3/年為例進行計算，該管道天然氣可回收的[用][火]相當于一座裝機容量接近7.5×104kW的電站一年的發(fā)電量?？梢娞烊粴夤芫W(wǎng)壓力能回收利用的潛力巨大。天然氣高壓管壓力能的回收利用的主要方式是余壓發(fā)電和余壓制冷兩大方面，其中余壓發(fā)電主要方式有直接膨脹發(fā)電、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電;而余壓制冷的應用，主要包括：冷庫、LNG調(diào)峰、天然氣脫水等。

關鍵詞：燃氣管網(wǎng);壓力能;利用技術

中圖分類號： TE973 ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2016）33-81-3

0 ?引言

目前，天然氣因其在三大一次能源中污染?。ǘ趸?、粉塵的排放接近于零，二氧化碳和氮氧化物的排放量相較于煤炭分別降至40%和50%）、燃燒效率高、經(jīng)濟性好的特點，使得其在世界能源中的地位日益提高。據(jù)統(tǒng)計，2014年全世界天然氣消耗3020.4億噸油當量的天然氣，占世界總能耗的23.73%，天然氣在各國總能耗中占比不斷增加。依據(jù)BP統(tǒng)計，2013年，我國消耗145.4億噸油當量的天然氣，占全國總能耗的5.1%，比2012提高0.3%。但與世界天然氣資源消耗平均水平相比，我國仍有較大差距，但也正因如此，我國天然氣的未來發(fā)展空間廣闊。2012年制定的《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中明確指出在十二五期間要加快天然氣管網(wǎng)建設。

近年來，以京津冀為代表的我國中東部地區(qū)冬季霧霾天氣不斷出現(xiàn)，大氣環(huán)境污染形勢嚴峻，國內(nèi)各個地區(qū)開始謀劃利用天然氣資源以減少環(huán)境污染，天然氣資源的需求急劇上漲。管道天然氣作為天然氣輸運的主要途徑，將在天然氣快速發(fā)展過程中率先發(fā)展，天然氣管網(wǎng)亦將進入快速發(fā)展期。

早在1963年我國就已敷設了第一條天然氣管線：巴縣—重慶天然氣管道。然而2001年開始的西氣東輸管線建設，才從真正意義上拉開了我國天然氣管道大規(guī)模建設的序幕。截至2012年底，我國已建天然氣管道約6.2萬km，形成了由西氣東輸系統(tǒng)、陜京線系統(tǒng)、川氣東送系統(tǒng)為骨架的全國性供氣網(wǎng)絡，從而基本形成了我國現(xiàn)在的天然氣供氣格局，干線管網(wǎng)的輸氣能力超過1500×108m3/年。

西一線：干線總長3839km，西起新疆輪南，東止上海市白鶴鎮(zhèn)，輸氣管徑1016 mm，設計輸氣壓力10MPa，設計年輸氣量170×108m3。2003年10 月東段建成投產(chǎn)，2004年12月西段建成投產(chǎn)。

西二線：干線總長4918km，包括1干8支，西北起自新疆霍爾果斯，東南止于廣東廣州，輸氣管徑1219mm，設計輸氣壓力10—12MPa，設計年輸氣量300×108m3。2009年12月干線西段及靖邊聯(lián)絡線投產(chǎn);2012年底全線投產(chǎn)。

圖2 ?西氣東輸二線管網(wǎng)走勢圖

陜京一線：干線總長約846km，西起陜西靖邊首站，東止北京市石景山區(qū)衙門口門站，輸氣管徑660mm，設計輸氣壓力6.3MPa，設計年輸氣量30×108m3。1997年建成投產(chǎn)。

陜京二線：干線總長約980km，西起陜西省靖邊首站，東止北京市通州門站，輸氣管徑1016mm，設計輸氣壓力10MPa，設計年輸氣量170×108m3。2005年建成投產(chǎn)。

陜京三線：干線總長約1000km，西起陜西省榆林首站，東止北京昌平區(qū)西沙屯門站，輸氣管徑1016mm，設計輸

氣壓力10MPa，設計年輸氣量150×108m3。2010年底建成投產(chǎn)。

川氣東送管道：干線總長約1700km，西起川東北普光首站，東止上海門站，輸氣管徑1016mm，設計輸氣壓力10MPa，設計年輸氣量120×108m3。2010年建成投產(chǎn)。

1 ?管網(wǎng)壓力能利用基本理論分析

天然氣從上游高壓管網(wǎng)到用戶使用的低壓管網(wǎng)，需要經(jīng)過多級調(diào)壓，逐級降壓過程會造成大量的壓力能損失，如果能將這部分壓力能損失回收并加以利用，將有效提高管網(wǎng)運行經(jīng)濟性，提高能源利用率。

[用][火]是工質(zhì)（如天然氣）的狀態(tài)參數(shù)，是其能量中理論上能夠可逆地轉(zhuǎn)換為功的最大數(shù)量，即為該能量中所具有的可用能。因而一定狀態(tài)的天然氣的[用][火]是指其具有的最大理論作功能力，可表示為：

ex=cp（T-T0）-T0（cpln-ln） （1-1）

式中：ex——天然氣比[用][火]，kJ/kg;

cp——天然氣定壓比熱容，kJ/（kg？K）;

T——天然氣溫度，K;

T0——環(huán)境溫度，K;

R——摩爾氣體常數(shù)，一般取8.3145kJ/（kmol·K）;

M——天然氣的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。

p——天然氣壓力，MPa（絕對壓力）;

p0——環(huán)境壓力，MPa（絕對壓力）。

就管道天然氣而言，[用][火]受到環(huán)境溫度、管網(wǎng)系統(tǒng)壓力等因素的影響，[用][火]值與天然氣管網(wǎng)壓力成正比。

天然氣高壓管網(wǎng)輸氣壓力一般為10MPa，溫度為20℃（293.15K），當通過絕熱膨脹把壓力降低到次高壓管網(wǎng)的0.8MPa，溫度為零下63℃（210.15K）時，通過降壓天然氣能夠提供的[用][火]為：

Δex=cp（T1-T2）-T0（cpln-ln）

Δex=1.93（293.15-210.15）-293.15（1.93ln-ln）=356.63kJ/kg（1-2）

若以2006年西氣東輸管道共計供氣99×108m3/年，為例進行計算，則該管道天然氣可回收的[用][火]為：

Ex=356.63×99×108×0.7174×273.15/293.15

=23600.75×108kJ ? ? ? ? ? ? ? ?（1-3）

這相當于裝機容量接近N=23600.75×108/8760/3600≈7.5×104kW的電站一年的發(fā)電量。如果能采用適當?shù)姆绞綄@部分能量損失加以回收利用，可在很大程度上提高能源利用率和天然氣管網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

2 ?天然氣管網(wǎng)壓力能回收技術分析

隨著我國天然氣需求的快速增長和天然氣管網(wǎng)的建設步伐不斷加快，長距離、大口徑、高壓力、網(wǎng)絡化已經(jīng)成為我國天然氣輸氣管網(wǎng)的發(fā)展趨勢。目前我國部分管網(wǎng)輸氣壓力普遍達到10MPa。若以管網(wǎng)上游輸氣壓力為10MPa，下游用戶端壓力0.8MPa時，可回收的壓力能將為356.63kJ/kg為例，將這部分能量加以回收利用，可以有效減少壓力能損失，實現(xiàn)能源的高效利用。

目前，天然氣管網(wǎng)余壓余能的回收利用主要是余壓發(fā)電和余壓制冷兩大方面，其中余壓發(fā)電主要方式有直接膨脹發(fā)電、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電;而余壓制冷的應用，主要包括：冷庫、LNG調(diào)峰、天然氣脫水等。

2.1 余壓發(fā)電技術的應用

高壓氣體在降壓過程中，因體積不斷膨脹，會釋放出大量的壓力能，若降壓過程在透平膨脹機中進行，則可對外做功，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。目前日本東電公司已利用此原理于2003年初建成一座7700kW的壓差發(fā)電站。

利用輸氣管網(wǎng)余壓能發(fā)電主要是基于天然氣管網(wǎng)壓力能回收的聯(lián)合循環(huán)構(gòu)思。目前國內(nèi)比較有代表的方案是王松嶺教授提出的：管道天然氣壓力能利用燃氣—蒸氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，高壓天然氣經(jīng)過膨脹機膨脹做功后形成低壓低溫天然氣，把低壓低溫天然氣送入進氣冷卻器，在進氣冷卻器中冷卻進入壓氣機的空氣，而后在進氣冷卻器中升溫的天然氣進入凝汽器，進一步吸收蒸汽輪機排氣余熱從而溫度進一步升高，再經(jīng)過排煙余熱回收器進一步吸熱后天然氣溫度進一步升高，升溫后的天然氣被送入燃燒室與空氣實現(xiàn)混合燃燒，推動燃氣輪機發(fā)電。這種系統(tǒng)把天然氣管道余壓充分應用，并與燃氣輪機、蒸汽輪機緊密結(jié)合，最大程度實現(xiàn)了系統(tǒng)化用能，有效地提高了能源的綜合利用效率。天然氣管道壓力能回收利用的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 ?基于天然氣管網(wǎng)壓力能回收的燃氣

——蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)

2.2 余壓制冷原理及應用

高壓天然氣在降壓過程中因放熱導致溫度降低，氣體體積膨脹后產(chǎn)生的低溫流體中蘊含著巨大的冷量，因而可以利用高壓天然氣的調(diào)壓過程的壓力能進行制冷，這就是利用天然氣余壓制冷的原理。

利用高壓天然氣壓力能實現(xiàn)燃氣調(diào)峰一直是天然氣壓力能利用的重點研究方向，高壓管道天然氣經(jīng)過膨脹機做功后變成低溫低壓天然氣，將這部分低溫冷能用于天然氣液化，將生成的LNG輸入儲罐，用于用氣高峰時調(diào)峰使用。天然氣管道壓力能用于天然氣液化流程示意如圖4所示。

圖4 ?天然氣膨脹機液化流程示意圖

總體而言，目前天然氣管網(wǎng)壓力能利用在較大層面上仍處于理論研究階段，實際的工程應用仍不多見。

3 ?天然氣管網(wǎng)壓力能利用的現(xiàn)實意義

雖然，天然氣輸氣管網(wǎng)中所蘊含的巨大的余壓能資源，可以廣泛應用于發(fā)電、制冷、調(diào)壓儲氣、生產(chǎn)LNG等諸多方面，但因天然氣輸氣過程中需經(jīng)過多級調(diào)壓，且調(diào)壓站布局比較分散，因此也給天然氣余壓能的實際利用帶來了困難。

如果天然氣運營企業(yè)能就近取材，在天然氣調(diào)壓站設置余壓發(fā)電裝置，利用調(diào)壓站的調(diào)壓前后氣體的壓力差來進行發(fā)電，則可提供場站內(nèi)部所需的照明、冬季供熱和遠程監(jiān)控等電力，解決調(diào)壓場站內(nèi)現(xiàn)實問題，則具有以下現(xiàn)實意義。

①每1kWh的發(fā)電量，相當于燃燒0.35kg標準煤，照此推算，每小時將產(chǎn)生0.785kg二氧化碳的排放。若利用高壓管網(wǎng)天然氣余壓余能發(fā)電，可以有效減少碳排放，有利于節(jié)能環(huán)保。

②從長遠來看，利用余壓能進行發(fā)電可降低天然氣企業(yè)的運營成本，帶動天然氣企業(yè)的升級，有效解決了偏遠場站電力需求的問題。

4 ?結(jié)論

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，天然氣管線的不斷建成通氣，天然氣事業(yè)正面臨前所未有的發(fā)展機遇的同時。然而蘊含在天然氣管網(wǎng)中的巨大壓力能往往被人忽視。通過本文[用][火]的分析可知，若能將管網(wǎng)壓力能加以回收，用于發(fā)電和制冷，將極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參 考 文 獻

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