乏能利用發(fā)電技術(shù)的分析及經(jīng)濟(jì)性示例

上海航天能源股份有限公司 丁夢(mèng)琪

1 概述

1.1 乏能利用發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀

利用膨脹機(jī)發(fā)電技術(shù)可以對(duì)符合一定條件的余熱或者余壓資源進(jìn)行回收可再生發(fā)電。根據(jù)項(xiàng)目工況條件及介質(zhì)的不同，一般可以分為 ORC有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)(利用熱源加熱有機(jī)工質(zhì)產(chǎn)生壓力，推動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電)和 WST常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)(高溫高壓干濕飽和蒸汽或氣體直接進(jìn)入膨脹機(jī))，對(duì)乏能進(jìn)行回收，推動(dòng)膨脹機(jī)進(jìn)行運(yùn)行。

本文主要針對(duì)天然氣管網(wǎng)逐級(jí)降壓輸送過程中產(chǎn)生的差壓余能進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

1.2 目前天然氣調(diào)壓現(xiàn)狀

天然氣是一種的高效清潔能源，在國(guó)內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)現(xiàn)有西氣東輸管線兩條，干支線及境外管線總長(zhǎng)度達(dá)15000km以上，年總輸氣量近2 000億m3。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50025—2006)規(guī)定，城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)一般由門站、燃?xì)夤芫W(wǎng)、儲(chǔ)氣設(shè)施、調(diào)壓設(shè)施、管理設(shè)施和監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

天然氣從氣井通過干線調(diào)壓輸送至城市門站，然后由城市門站再次調(diào)壓后引接至各級(jí)燃?xì)夤艿?見圖 1所示)，其中城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)的壓力級(jí)制按照高壓管網(wǎng) 4.0～1.6 MPa、次高壓管網(wǎng)1.6～0.4 MPa、中壓管網(wǎng)0.4～0.01 MPa、低壓管網(wǎng)小于0.01 MPa執(zhí)行。

圖1 城市管網(wǎng)高、中、低壓配送示意

天然氣城市管網(wǎng)目前多采用節(jié)流閥(等焓節(jié)流)降壓方式，壓力降低的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的差壓余能，且釋放冷能降溫影響管道、閥門等設(shè)備的安全。傳統(tǒng)的解決方案是在降壓前將天然氣通過加熱設(shè)備，提前對(duì)高壓氣體預(yù)熱。如果能夠采用膨脹機(jī)在節(jié)流閥處吸收差壓能用以發(fā)電，可以回收差壓能，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果。

1.3 差壓余能發(fā)電運(yùn)用現(xiàn)狀分析

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外透平膨脹機(jī)發(fā)電基本都用于余熱、尾氣、蒸汽回收項(xiàng)目，透平膨脹機(jī)在輸氣管道降壓站發(fā)電項(xiàng)目的商業(yè)應(yīng)用比較少。

2015年我公司為上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司建設(shè)一套天然氣差壓發(fā)電機(jī)組，機(jī)組與上海天然氣 LNG末站并聯(lián)設(shè)置，為臨港燃機(jī)電廠提供機(jī)組運(yùn)行用電，這是膨脹機(jī)利用天然氣差壓在國(guó)內(nèi)電廠應(yīng)用的首例。

2 壓差余能回收技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 差壓發(fā)電原理

差壓發(fā)電是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)外做功轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，然后膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)將能量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行回收。

差壓余能發(fā)電系統(tǒng)采用如下配置，當(dāng)主路失效時(shí)，自動(dòng)切入備用調(diào)壓路運(yùn)行，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖2 差壓余能發(fā)電系統(tǒng)

2.2 膨脹機(jī)功率計(jì)算

膨脹機(jī)的功率計(jì)算公式可以根據(jù)絕熱膨脹公式進(jìn)行估算：

式中：W——發(fā)電機(jī)出口發(fā)電量，kW·h；

ΔHi——天然氣高壓端與低壓端之間的絕熱焓降，kJ/kg；

G——天然氣質(zhì)量流量，kg/s；

ηt——熱電轉(zhuǎn)換效率取65%；

ηg——發(fā)電機(jī)效率取65%；

cp——平均等壓比熱取 2.2，kJ/(kg·℃)；

T1——天然氣入口溫度，K；

p1——天然氣入口壓力，MPa；

p2——天然氣出口壓力，MPa；

K——天然氣的絕熱指數(shù)取1.3。

以某公司目前在建設(shè)的2×400 MW級(jí)燃?xì)鉄犭婍?xiàng)目為例，調(diào)壓站入口天然氣壓力 6MPa，溫度15 ℃。燃機(jī)入口天然氣壓力3 MPa。滿負(fù)荷情況下，兩臺(tái)機(jī)耗天然氣16.76萬m3/h，天然氣密度0.71 g/m。

根據(jù)上述公式(1)、(2)可計(jì)算得小時(shí)發(fā)電量Wh。

2.3 投資回收年限計(jì)算

投資回收年限=投資總額/(年發(fā)電量×電價(jià))

投資總額(包括設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、維修費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi))以1600萬元估算；售出電價(jià)按照上海市分布式能源政策上網(wǎng)售出電價(jià)為 0.454元/kW·h；透平機(jī)小時(shí)發(fā)電量 2 216.34 kW·h(利用上節(jié)計(jì)算結(jié)果)；透平機(jī)每年工作以360天計(jì)算；透平機(jī)每天利用小時(shí)分別按24 h、16 h和8 h計(jì)算，投資回收年限見表1。

表1 投資回收年限

3 膨脹機(jī)出口冷能利用技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 膨脹機(jī)出口冷能利用能力分析

以上述項(xiàng)目為例計(jì)算。

根據(jù)絕熱膨脹溫度公式：代入該項(xiàng)目數(shù)據(jù)計(jì)算得：

熱量公式計(jì)算為：

式中：T2、T1——天然氣出、入口溫度，K；

Q1——膨脹機(jī)出口冷能，kJ/h；

m1——天然氣每小時(shí)的質(zhì)量流量，kg/h；

c1——天然氣定容比熱容，取 1.78kJ/(kg·℃)。

計(jì)算得出：

3.2 膨脹機(jī)出口冷能用于冷卻電廠循環(huán)水回水

即：T3-T4=Q2/(m2×c2)

式中：Q2——膨脹機(jī)出口冷能，kJ/h；

m2——循環(huán)水每小時(shí)的質(zhì)量流量，t/h；

c2——水定容比熱容，取4.2kJ/(kg·℃)；

T3、T4——循環(huán)水進(jìn)、出口溫度，K。

其中設(shè)計(jì)水量m2約2 000 t/h。

代入(5)計(jì)算得出：T3-T4=Q2/(m2×c2)=2.12 K

由上述技術(shù)可知，如果利用膨脹機(jī)出口冷能，可以將循環(huán)水溫度降低約2.12 K左右。

4 結(jié)語

由以上分析可知：

(1)通過差壓余能回收技術(shù)發(fā)電，不僅可以節(jié)約能源，而且還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)若是能進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)膨脹機(jī)出口冷能的利用，收益也會(huì)進(jìn)一步增加。