天然氣壓力能綜合利用評估方法研究

程思杰 趙靚 紀(jì)文 陳文科 徐璐

摘 要：高壓天然氣經(jīng)門站調(diào)壓后進(jìn)入城市管網(wǎng)，此過程中蘊(yùn)含著大量的壓力能可供回收利用，目前最主要的壓力能利用方式為壓差發(fā)電和制冷兩個方面，而壓力能綜合利用評估仍缺乏系統(tǒng)性理論。本文從建設(shè)運(yùn)營、產(chǎn)能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)四個方面構(gòu)建壓力能綜合利用評估指標(biāo)體系，并介紹了幾種可用于天然氣壓力能綜合利用的評估方法，形成了標(biāo)準(zhǔn)化的評估體系和方法，為后續(xù)的天然氣壓力能利用綜合評估提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：天然氣;壓力能;評估指標(biāo);評估方法

0? 引言

現(xiàn)今，天然氣管道的總體發(fā)展趨勢為高壓力和大口徑。在國外，天然氣長距離輸氣管道的壓力大多不低于10MPa，如阿-意輸氣管道中，穿越西西里海峽段的最大工作壓力就達(dá)到了15MPa，我國“西氣東輸”、“陜京二線”等的輸氣壓力也達(dá)到了10MPa[1]。高壓力的天然氣要經(jīng)過降壓處理才能輸送給用戶使用，這個過程一般在接收門站或調(diào)壓站進(jìn)行，當(dāng)10MPa的高壓天然氣降至0.8MPa時，可回收的壓力能最大可達(dá)到359.1kJ/kg[2]。發(fā)電和制冷是現(xiàn)階段回收天然氣壓力能的兩種主要方式。在發(fā)電方面，由于傳統(tǒng)調(diào)壓閥的粗放調(diào)壓將壓力能白白耗散掉，取而代之的是利用膨脹機(jī)回收壓力能進(jìn)行發(fā)電，目前主要有3種方式：一，天然氣膨脹機(jī)與同軸發(fā)電機(jī)相聯(lián)，膨脹后的輸出功驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電;二，天然氣膨脹做功不直接用于發(fā)電，而是將膨脹后產(chǎn)生的冷能利用起來，冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣;三，既利用膨脹做功發(fā)電，又回收利用冷能，即將上述兩種方式結(jié)合起來。在制冷方面，天然氣膨脹后產(chǎn)生的冷能目前的利用方式主要包括低溫橡膠粉碎、冷庫制冰、輕烴回收、燃?xì)鈨庹{(diào)峰以及冷水空調(diào)等[3]。綜上，天然氣壓力能的回收利用正呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。

然而，對于壓力能的綜合利用評估方面目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也缺乏相對完善的評估體系，深入系統(tǒng)地對項(xiàng)目進(jìn)行評估的相關(guān)研究也相對較少。這不僅在投資收益評估方面對壓力能回收利用企業(yè)造成了一定的限制，也影響相關(guān)產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展[4]?；诖?，本文建立了一套綜合考慮建設(shè)運(yùn)營、產(chǎn)能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)的系統(tǒng)化評估指標(biāo)，并介紹了幾種可用于壓力能綜合利用能效評估的方法，形成了一體化的評估體系，為后續(xù)的天然氣管網(wǎng)壓力能綜合利用評估提供借鑒和支撐。

1? 壓力能利用的綜合評估指標(biāo)體系

1.1? 指標(biāo)體系構(gòu)建

指標(biāo)體系的設(shè)計與選取對天然氣壓力能綜合評估結(jié)果至關(guān)重要，要保障評估的質(zhì)量不僅要考慮評價指標(biāo)體系的綜合性，系統(tǒng)性和科學(xué)性要求也發(fā)揮著重要作用[5]。綜合多方面因素，本文建立的評估指標(biāo)體系涵蓋建設(shè)運(yùn)營、產(chǎn)能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)四個方面，具體指標(biāo)如圖2所示。

1.2? 關(guān)鍵指標(biāo)計算模型

（1）建設(shè)運(yùn)營

a.膨脹發(fā)電機(jī)組發(fā)電量

利用火用分析法可以對天然氣管網(wǎng)的可利用壓力能進(jìn)行估算。理論上，膨脹發(fā)電機(jī)做功與氣流壓力能之間的關(guān)系公式如下：

式中：L為膨脹發(fā)電機(jī)組終端發(fā)電量，Q為天然氣小時流量，ρ為天然氣密度，Cp為天然氣質(zhì)量等壓比熱容，T為天然氣入口溫度，P1 為天然氣入口絕對壓力，P2 為天然氣出口絕對壓力，k為天然氣絕熱指數(shù)，ηT為膨脹機(jī)效率，ηg為發(fā)電機(jī)效率[6]。

b.設(shè)備利用率

設(shè)備利用率是指在一段指定的時間內(nèi)，相比于計劃工作時間，某臺設(shè)備的實(shí)際使用時間占其的比值，利用該指標(biāo)可以評估在壓差發(fā)電過程中各設(shè)備的工作狀態(tài)，同時從側(cè)面體現(xiàn)壓差發(fā)電的生產(chǎn)效率，評估意義重大。

c.裝置故障率

裝置故障率指在一段計劃工作時間內(nèi)，設(shè)備由于一些自身運(yùn)行故障或者人為操作失誤導(dǎo)致的設(shè)備無法正常運(yùn)行，最終結(jié)果是生產(chǎn)效率降低。計算方法為裝置故障時間比上設(shè)備計劃工作時間。

d.建設(shè)進(jìn)度控制

項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度影響著壓差發(fā)電投產(chǎn)時間，最終影響項(xiàng)目收益，利用該指標(biāo)可以評估壓差項(xiàng)目建設(shè)效率，由專家基于建設(shè)規(guī)劃，結(jié)合實(shí)際建設(shè)工程進(jìn)度，綜合考慮建設(shè)延誤情況、出現(xiàn)的意外狀況等進(jìn)行評分。

（2）產(chǎn)能質(zhì)量

a.供電電壓合格率

受氣源影響，壓差發(fā)電電壓存在的一定的波動，供電電壓合格率指壓力能發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行中，與總的電壓監(jiān)測時間相比，監(jiān)測點(diǎn)電壓波動控制在可接受范圍內(nèi)的時間占比。

b.供電頻率合格率

供電頻率合格率指壓力能發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行中，監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測點(diǎn)電能頻率在合格范圍內(nèi)的時間總和占監(jiān)測總時間的百分比。

c.功率穩(wěn)定性

功率穩(wěn)定性常用來評估壓力能發(fā)電上網(wǎng)后的功率波動幅度，是衡量壓力能發(fā)電水平的一重要指標(biāo)。

d.供電可靠性

供電可靠性是壓差發(fā)電系統(tǒng)平均供電時間占評估統(tǒng)計時間的比率，利用該指標(biāo)可以評估系統(tǒng)持續(xù)供電能力的大小，同時能反映出供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

（3）經(jīng)濟(jì)效益

a.投資回收期

利用投資回收期可以評估壓力能綜合利用的經(jīng)濟(jì)性。投資回收期通常與壓力能綜合利用的投資費(fèi)用（含設(shè)備加工費(fèi)用）和年經(jīng)濟(jì)收益有關(guān)，其定義為：

式中：ηT為壓力能綜合利用的投資回收期，CT為壓力能綜合利用的投資費(fèi)用（含設(shè)備加工費(fèi)用），Ea為年經(jīng)濟(jì)收益。

b.配套設(shè)備成本

配套設(shè)備成本即配套設(shè)備初始裝設(shè)成本+運(yùn)行維護(hù)成本。

c.凈現(xiàn)值

凈現(xiàn)值指未來資金（現(xiàn)金）流入（收入）現(xiàn)值與未來資金（現(xiàn)金）流出（支出）現(xiàn)值的差額，是項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性評估中凈現(xiàn)值法的基本指標(biāo)。未來的資金流入與資金流出均按預(yù)計折現(xiàn)率各個時期的現(xiàn)值系數(shù)換算為現(xiàn)值后，再確定其凈現(xiàn)值。這種預(yù)計折現(xiàn)率是按企業(yè)的最低的投資收益率來確定的.是企業(yè)投資可以接受的最低界限。

d.靜態(tài)投資收益率

當(dāng)要對方案進(jìn)行一個粗略的評價時，可以采用不考慮時間價值的靜態(tài)投資收益率。

式中：E為靜態(tài)投資收益率，K為總投資。

（4）環(huán)境保護(hù)

a.碳排放指數(shù)

利用碳排放恢復(fù)指數(shù)（CER）可以評估壓力能綜合利用的環(huán)保性。定義碳排放恢復(fù)指數(shù)為：

式中：erel 和eWER 分別為相對過程碳排放（kW）和回收過程碳排放（kg/h）。

b.清潔能源電量占比

利用清潔能源電量占比可以有效評估壓力能利用場站在正常運(yùn)行時的用電來源中，通過清潔能源發(fā)出的電所占的比例。

c.可再生能源滲透率

可再生能源的滲透率能體現(xiàn)壓力能回收利用系統(tǒng)的發(fā)展水平，系統(tǒng)接納氣能、熱能以及電能等能源的能力越強(qiáng)，則滲透率較高，反之則較低，提高系統(tǒng)可再生能源滲透率的同時系統(tǒng)的魯棒性也會得到相應(yīng)的提高。

d.非可再生一次能耗節(jié)約率

該指標(biāo)指壓力能回收利用系統(tǒng)運(yùn)行時減少的一次能源消耗量，與傳統(tǒng)耗能模式下消耗的一次能源相比，其比值為大小，它可以反映壓差發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能水平，體現(xiàn)壓差發(fā)電系統(tǒng)能量梯級利用、多能互補(bǔ)的優(yōu)勢。

2? 綜合評估方法

由于天然氣壓力能綜合評估體系下包含的模塊眾多，很難用準(zhǔn)確定量描述各指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系，綜合評估方法的選取對評估結(jié)果的可參考性影響深遠(yuǎn)。本節(jié)主要介紹幾種常用的評估方法，為后續(xù)的壓力能綜合利用評估提供參考。

（1）層次分析法

層次分析法（AHP）是將一個復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個目標(biāo)或準(zhǔn)則，然后將其分解為多個層次的多個指標(biāo)（或準(zhǔn)則和約束），并計算層次單一排序的一種系統(tǒng)方法（權(quán)重）和總排序通過定性指標(biāo)模糊定量的方法[7]，以便作為目標(biāo)（多指標(biāo)）和多方案優(yōu)化決策。

（2）專家打分法

專家打分法又稱德爾菲法，在對有關(guān)專家進(jìn)行意見征詢時，采用的征詢方式為匿名方式，征詢后對意見進(jìn)行統(tǒng)計、處理、分析和歸納，將多數(shù)專家的經(jīng)驗(yàn)與主觀判斷進(jìn)行客觀地綜合，對大量的采用技術(shù)方法難以進(jìn)行定量分析的因素進(jìn)行合理估算，經(jīng)過多輪意見征詢、反饋和調(diào)整后，最終對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行分析[8]。該方法能較好地解決長期預(yù)測中的數(shù)據(jù)缺乏問題。

（3）熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，最早由美國數(shù)學(xué)家Shannon提出，在實(shí)際使用過程中，熵權(quán)法會綜合考慮各指標(biāo)的變異程度，各指標(biāo)熵權(quán)的計算也需要用到信息熵，此外，還需要對權(quán)重進(jìn)行修正，這個過程也是通過熵權(quán)進(jìn)行，最后得出較為客觀的指標(biāo)權(quán)重。熵權(quán)法可用于任何評價問題中的確定指標(biāo)權(quán)重，也可以用于剔除指標(biāo)體系中對評價結(jié)果貢獻(xiàn)不大的指標(biāo)[9-10]。具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

綜上分析，當(dāng)對某一具體壓力能項(xiàng)目進(jìn)行綜合評估時，可根據(jù)評估場景所確定的指標(biāo)選取合適的綜合評估方法。當(dāng)一些指標(biāo)難以進(jìn)行定量分析，如公司制度、人員配備等，就需要使用主觀賦權(quán)法來對這些因數(shù)進(jìn)行定性估算，如專家打分法。當(dāng)一些指標(biāo)的數(shù)據(jù)特征較為明顯，一些帶有明顯個人特征的賦權(quán)方法不能對其權(quán)重進(jìn)行理性認(rèn)定時，就需要選擇客觀賦權(quán)法來確定其權(quán)重，如，熵權(quán)法。除此之外，也有一些場合需要主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法相結(jié)合才能更好地來確定目標(biāo)權(quán)重，這就需要根據(jù)具體情況來進(jìn)行甄別。

3? 結(jié)語

對壓力能進(jìn)行回收利用既能夠提高能源的綜合利用水平，減少化石能源使用，又有利于解決傳統(tǒng)調(diào)壓方式中難以避免的噪音過大和安全隱患問題嚴(yán)重等問題，取得環(huán)保和社會雙重效益。針對目前壓力能綜合利用評估系統(tǒng)性理論缺乏的問題，本文構(gòu)建了以建設(shè)運(yùn)營、產(chǎn)能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)為原則的較為全面的評估指標(biāo)體系，提出了相應(yīng)的計算方法，并介紹了幾種常用的評估方法，形成了較為完備的壓力能綜合利用評估體系，有助于壓力能利用項(xiàng)目的運(yùn)營效益分析，推動壓力能回收利用領(lǐng)域發(fā)展，從而促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅東曉.國家天然氣主干管線互聯(lián)互通的戰(zhàn)略思考[J].中山大學(xué)學(xué)報論叢，2007，22（2）：28-32

[2]徐文東，鄭惠平，郎雪梅，陳玉娟，樊栓獅.高壓管網(wǎng)天然氣壓力能回收利用技術(shù)[J].化工進(jìn)展，2010，29（12）：2385-2389.

[3]王忠平，崔爽，樊倩，張曦.天然氣管網(wǎng)壓力能回收利用研究[J].煤氣與熱力，2020，40（01）：14-16+44-45.

[4]符仁義. S集團(tuán)天然氣壓力能發(fā)電項(xiàng)目后評估研究[D].華南理工大學(xué)，2018.

[5]李秋揚(yáng)，趙明華，任學(xué)軍，王樂樂，馮學(xué)書，牛亞琨.中國油氣管道建設(shè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].油氣田地面工程，2019，38（S1）：14-17.

[6]李白雪. 燃?xì)庹{(diào)壓過程壓力能及冷能用于發(fā)電的應(yīng)用研究[D].華中科技大學(xué)，2016.

[7]郭建英，原靜，職苗甜.層次分析法（AHP）在商業(yè)銀行代理國庫業(yè)務(wù)綜合評價中的應(yīng)用[J].金融理論與實(shí)踐，2013（06）：63-66.

[8]崔黎明. 面向設(shè)備健康管理的機(jī)電設(shè)備健康狀態(tài)評價研究[D].重慶大學(xué)，2013.

[9]張文軍. 基于加權(quán)模糊TOPSIS方法的系統(tǒng)失效風(fēng)險分析研究[D].南京航空航天大學(xué)，2016.

[10] Ermanno Lo Cascio，Davide Borelli，F(xiàn)rancesco Devia.Key performance indicators for integrated natural gas pressure reduction stations with energy recovery[J].Energy Conversion and Management，2018，164：219-229.

作者簡介：

程思杰，1992.10，男，漢族，四川仁壽，本科，工程師，從事節(jié)能減排工作。