天然氣減壓能發(fā)電技術(shù)的研究

敖曼+++李剛

摘 要：城鎮(zhèn)燃?xì)夤舅邮盏母邏禾烊粴猓?jīng)過減壓后送入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)。目前我國天然氣門站的工藝均無法利用天然氣的壓力能，因此，大量的能源被白白損失。天然氣壓力能發(fā)電技術(shù)，可將壓力能轉(zhuǎn)化為電能，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：天然氣減壓能；發(fā)電；研究

1 城鎮(zhèn)天然氣門站工藝

城鎮(zhèn)燃?xì)夤句N售經(jīng)營天然氣，通常是由上游大型能源企業(yè)通過長輸管道供應(yīng)的。為了長距離輸送氣體，天然氣在埋地管道中的運(yùn)行壓力往往高達(dá)4.0-6.0MPa以上。以西氣東輸為例，國內(nèi)段埋地管道經(jīng)過十幾個省市，國內(nèi)主線長度超過四千公里，主線設(shè)計(jì)壓力為10MPa。而城鎮(zhèn)燃?xì)庥脩?，使用的天然氣只有幾千帕，例如：居民用戶的灶臺燃?xì)鈮毫χ挥?kPa。高壓天然氣通過上游能源企業(yè)的埋地管道，首先進(jìn)入城鎮(zhèn)燃?xì)夤镜奶烊粴忾T站。天然氣門站的主要工藝由過濾、計(jì)量、調(diào)壓、加嗅、分輸幾部分組成。過濾是將高壓天然氣通過長途輸送過程中攜帶的雜質(zhì)去除；計(jì)量是為了與上游能源企業(yè)貿(mào)易結(jié)算設(shè)置的；調(diào)壓是將高壓天然氣的壓力降低；加嗅是防止天然氣泄露用戶無法查別；最后的天然氣經(jīng)過分輸，送入城鎮(zhèn)管網(wǎng)。城鎮(zhèn)燃?xì)馓烊粴忾T站的調(diào)壓工藝，并不是一次性地將來自上游來的高壓天然氣調(diào)壓至最終用戶使用的低壓力。通常，門站將來自上游的4.0-6.0MPa的高壓天然氣調(diào)壓之0.8-1.6MPa次高壓進(jìn)行分輸。次高壓天然氣再通過城鎮(zhèn)內(nèi)的各級調(diào)壓站調(diào)壓，最終調(diào)至低壓力級別0.01MPa以下，到用戶的燃燒器進(jìn)行燃燒。

2 能源的損失問題

上游大型能源企業(yè)在天然氣輸送首站，將從LNG接收站氣化或是油井開采出來經(jīng)過預(yù)處理的天然氣用大型天然氣壓縮機(jī)加壓至6.0-10.0MPa后，通過管線把燃?xì)廨斔偷匠擎?zhèn)天然氣門站。而在天然氣加壓過程中，需要消耗的大量的電能。同時，天然氣在長埋地管道的輸送過程中，其壓力能也會有所消耗，所以在輸送途中建有天然氣加壓站。由此可見，大型能源企業(yè)為輸送天然氣，消耗了大量的電能。

而從城鎮(zhèn)天然氣門站工藝中可以看到，來至上游大型能源企業(yè)的4.0-6.0MPa的高壓天然氣，最終調(diào)到0.01MPa以下進(jìn)行燃燒。這一過程中，天然氣的壓力降高達(dá)400倍以上。以目前的燃?xì)夤?yīng)工藝，這些大量的天然氣減壓能，被白白的浪費(fèi)掉了。

近年來，我國大力推動能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，鼓勵以科技創(chuàng)新、技術(shù)改造等各種方式方法來建設(shè)節(jié)約型社會。如果將門站接受的高壓天然氣中所蘊(yùn)藏的大量壓力能回收利用，這將為城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)企業(yè)帶來大量的經(jīng)濟(jì)效益。既響應(yīng)了國家要建設(shè)節(jié)約型社會的號召，又能為企業(yè)運(yùn)行節(jié)約大量的資本金。因此，回收天然氣壓力能是一個即有創(chuàng)新意義、又有實(shí)際需要的課題。

3 天然氣壓力能的回收的可行性

一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始意識到，長輸天然氣壓力能的可利用性。而我們的鄰國資源匱乏的日本，早在2003年，就已經(jīng)實(shí)驗(yàn)性的簡稱了一座天然氣壓力能回收電站，其發(fā)電能力為7700kW，因投資較大，其經(jīng)濟(jì)效益一般。美國和加拿大都是天然氣使用大國，因此，兩國對天然氣減壓能的回收技術(shù)尤為重視。美國在90年代天然氣減壓能發(fā)電技術(shù)就已經(jīng)開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性的應(yīng)用。2008年，加拿大多倫多天然氣門站建設(shè)的天然氣壓力能回收裝置，其發(fā)電功率為2 200kW。

4 天然氣減壓能發(fā)電原理

4.1 減壓發(fā)電系統(tǒng)工藝流程

天然氣減壓是一個降溫過程，首先，高壓天然氣要首先經(jīng)過預(yù)熱。然后，高壓天然氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)，這是一個降溫降壓的過程。高壓天然氣通過透平膨脹機(jī)，將其內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。而后，由透平膨脹機(jī)速出的機(jī)械能在通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。而降壓后的天然氣，可以分輸進(jìn)入城鎮(zhèn)管網(wǎng)。

4.2 透平膨脹機(jī)的工作原理

高壓天然氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)，通過其導(dǎo)流器的噴嘴后高速噴出，推動葉輪轉(zhuǎn)動。而進(jìn)入葉輪的高壓天然氣繼續(xù)迅速減壓膨脹，膨脹做功又再一次推動葉輪轉(zhuǎn)動。隨著高壓天然氣的不斷進(jìn)入，膨脹機(jī)葉輪飛速運(yùn)轉(zhuǎn)，由此，高壓天然氣所蘊(yùn)含的大量內(nèi)能轉(zhuǎn)化為膨脹機(jī)的機(jī)械能。

5 天然氣減壓能回收計(jì)算

某一大型城鎮(zhèn)燃?xì)夤?，每小時供應(yīng)天然氣量為200000m3，門站從上游接著天然氣的到站壓力為4.0MPa，天然氣減壓至0.8MPa后送入城鎮(zhèn)次高壓管網(wǎng)。

以此燃?xì)夤緸槔?，?jì)算一下一年通過天然氣加壓能回收發(fā)電，可以節(jié)約多少電能。

天然氣減壓過程是一個吸熱過程，因此，天然氣減壓時，氣體溫度會降低。為了保證下游管網(wǎng)運(yùn)行安全，通常燃?xì)庠谶M(jìn)入埋地管網(wǎng)，應(yīng)保證其溫度大于10℃。在城鎮(zhèn)燃?xì)膺\(yùn)行過程中，門站內(nèi)天然氣減壓前預(yù)熱也是一項(xiàng)重要工況。

5.1 進(jìn)口溫度計(jì)算

天然氣的減壓過程可以簡化視為理想氣體（甲烷CH4）的絕熱恒外壓膨脹，其減壓過程如下：

W=-Pex△V

=-Pex （V2-V1）

=-Pex（nRT2/P2-nRT1/P1）

W=△U=nCv，m（T2-T1）

r=Cp，m/Cv，m

Cp，m-Cv，m=R

r=Cp，m/Cv，m

由上述五式得：

T1=T2[■]

P1：甲烷減壓前的壓力，4.0MPa。

Pex：甲烷減壓時對抗恒外壓力，0.8MPa。

P2：甲烷減壓后壓力，0.8MPa。

T2：甲烷減壓后溫度，283K（10℃）。

r：甲烷的絕熱系數(shù)，值為1.314。

n：1mol。

Cp，m：甲烷定壓摩爾熱容。

Cv，m：甲烷定容摩爾熱容。

W：功。

△U：甲烷熱力學(xué)能。

通過計(jì)算得：T1=350K（77℃）。

5.2 單位體積天然氣絕熱焓降絕熱焓降的計(jì)算

△Hi=nCp，m×T1×[1-（P2/P1）（r-1）/r]

Cp，m：甲烷摩爾等壓比熱2.2kJ/kgK

T1：天然氣入口溫度350K（77℃）。

P1：甲烷減壓前的壓力，4.0MPa。

P2：甲烷減壓后壓力，0.8MPa。

r：甲烷的絕熱系數(shù)，值為1.314。

n：1mol。

△Hi=246.4kJ/kg

天然氣密度為0.75kg/m3，因此，單位體積的△Hi=184.8 kJ/m3。

5.3 透平膨脹發(fā)電計(jì)算

內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為電能的過程，如下：

L=G△HiηTηg

L：每小時透平發(fā)電機(jī)能力（kJ/h）。

G：天然氣質(zhì)量流量200000m3/h。

△Hi：單位體積天然氣絕熱焓降kJ/m3。

ηT：透平機(jī)效率，取0.8。

ηg：發(fā)電機(jī)效率，取0.9。

通過將數(shù)據(jù)帶入上述公方，L=26611200kJ/h=7392kW/h。

即每小時可以發(fā)電7392度，每年約64000000度，按0.3元每度計(jì)算，每年可節(jié)約資金1900萬元。

6 結(jié)束語

結(jié)合城鎮(zhèn)燃?xì)夤咎烊粴鉁p壓工藝以及參考國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，可得出利用天然氣減壓能發(fā)電是可行的。通過實(shí)例，可得出減壓能回收具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，天然氣減壓能發(fā)電，具有深刻的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。