天然氣膨脹壓差發(fā)電回收余能技術(shù)研究進(jìn)展

魏江東 李治東 朱英如 徐 源 成慶林

（1.中國(guó)石油規(guī)劃總院；2.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

近年來(lái)，隨著世界各國(guó)消費(fèi)水平的提高，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越成為各個(gè)國(guó)家考慮的首要問(wèn)題， 全球能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)也逐漸有了向低碳環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的方向轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)， 天然氣作為一次能源中最清潔的能源之一，每年的消費(fèi)比重也在增加［1～3］。 氣田中天然氣自采集到輸送過(guò)程中大多采用高壓管輸方式， 從氣藏到井口、 從井口到集氣站、從集氣站到天然氣處理（凈化）廠處理為合格商品天然氣，再通過(guò)天然氣管網(wǎng)外輸至調(diào)壓站等，最終到達(dá)用戶， 其中很多環(huán)節(jié)都需要經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥進(jìn)行降壓處理， 同時(shí)管內(nèi)溫度驟降發(fā)生冰堵等事故，這就造成了大量壓力能和冷能的損失［4～6］。 因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究并提出將這部分浪費(fèi)掉的能量進(jìn)行合理回收利用，以減少資源的浪費(fèi)，為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的社會(huì)邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

目前，對(duì)于氣田天然氣壓力能的回收利用主要方式是采用膨脹機(jī)來(lái)替代調(diào)壓閥，通過(guò)使天然氣自然膨脹來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為其他所需形式的能量，通常利用這部分能量來(lái)發(fā)電并回收冷量［7～9］。2006 年，Shen D M 等提出了天然氣管網(wǎng)膨脹壓差發(fā)電工藝［10］，高壓天然氣經(jīng)透平膨脹機(jī)膨脹產(chǎn)生機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，到了2013 年，又將工藝進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種利用天然氣壓力差液化天然氣的工藝，其原理是利用透平膨脹機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功帶動(dòng)壓縮機(jī)壓縮制冷劑制冷，產(chǎn)生的冷量通過(guò)換熱器傳到天然氣使之液化；2014 年， 李秉繁等針對(duì)現(xiàn)有膨脹壓差發(fā)電技術(shù)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種利用天然氣壓力能的冷熱電三聯(lián)供的工藝流程，高壓天然氣經(jīng)自由膨脹后帶動(dòng)透平膨脹機(jī)使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能，主軸帶動(dòng)壓氣機(jī)和汽輪機(jī)工作，最后經(jīng)過(guò)換熱器換熱，以達(dá)到冷能、熱能和電能的聯(lián)合供給，最大限度地回收利用天然氣的壓力能［11］。

雖然多年來(lái)研究者們?cè)谔烊粴庥鄩豪眉夹g(shù)方面有了一定的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［12～18］，但對(duì)氣田膨脹壓差技術(shù)方面的研究尚未深入，針對(duì)此問(wèn)題，筆者根據(jù)近年來(lái)天然氣余壓利用的研究進(jìn)展， 歸納了膨脹壓差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷程，分別對(duì)適用于氣田氣井井口、集氣站、處理（凈化）廠、門(mén)站及調(diào)壓站等各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的膨脹壓差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

1 井口膨脹壓差發(fā)電技術(shù)

天然氣采氣樹(shù)的井口壓力通常在20～70 MPa 之間，為此常在井口或井筒內(nèi)安裝節(jié)流閥等節(jié)流裝置，將井口的天然氣壓力降低至管線允許輸送壓力。 由此可見(jiàn)，在氣田氣井井口處存在著大量的壓力能資源，且這些資源往往被調(diào)壓閥或節(jié)流閥所浪費(fèi)，因此合理利用氣田氣井井口的壓力能會(huì)降低氣田整體的能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益［19，20］。

2012 年，林牧和包耀宗設(shè)計(jì)了一套適用于氣井井口的天然氣膨脹壓差發(fā)電系統(tǒng)，其原理是利用一臺(tái)氣液兩相旋流膨脹機(jī)和一臺(tái)發(fā)電機(jī)組成一個(gè)發(fā)電單元，再將各發(fā)電單元串聯(lián)或并聯(lián)連接進(jìn)行高效發(fā)電，將存在于天然氣井井口的壓力能合理利用起來(lái)［21］；2014 年，劉競(jìng)偉提到一種往復(fù)式氣體余壓動(dòng)機(jī)，該裝置可以實(shí)現(xiàn)井口天然氣壓力能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到回收壓力能的目的［22］；晏耿成等針對(duì)氣井操作彈性波動(dòng)大、不穩(wěn)定等問(wèn)題，結(jié)合膨脹壓差發(fā)電理論與技術(shù)調(diào)研情況，設(shè)計(jì)了一種帶驅(qū)動(dòng)器的井口膨脹壓差發(fā)電裝置，該裝置采用撬裝化，安裝使用方便快捷并且實(shí)現(xiàn)了智能化控制［23］。

經(jīng)過(guò)學(xué)者們的理論研究與實(shí)際應(yīng)用， 氣田氣井井口膨脹壓差發(fā)電技術(shù)已具備了一定的研究基礎(chǔ)，但實(shí)驗(yàn)與研究的結(jié)果表明，在氣田氣井井口設(shè)計(jì)的膨脹壓差發(fā)電技術(shù)普遍具有壓力能利用率低的問(wèn)題，需要改進(jìn)發(fā)電設(shè)備、優(yōu)化技術(shù)流程。

2 集氣站膨脹壓差發(fā)電技術(shù)

一般采出氣僅在井口進(jìn)行一次加熱節(jié)流后便進(jìn)入集氣管網(wǎng)， 集氣管網(wǎng)的壓力等級(jí)分為：高壓（10 MPa 以上）、中壓（4～10 MPa）和低壓（4 MPa以下）3 種［24］。 通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一般集氣站中氣液分離、三甘醇脫水及排污管道伴熱等過(guò)程均需消耗電能，但所需電能通常較少，而氣體在進(jìn)站時(shí)需經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓， 這將造成大量壓力能的浪費(fèi)，若將該部分余壓利用起來(lái)， 并用于站內(nèi)供電，可為集氣站節(jié)省一定量的電能，緩解站外供電的壓力，甚至可以基本滿足全站的電能需求，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。 無(wú)論采用哪種集氣方式，當(dāng)氣體自集氣管網(wǎng)進(jìn)入集氣站時(shí)， 都會(huì)有調(diào)壓的環(huán)節(jié)，這部分被浪費(fèi)掉的氣體壓力能同樣是氣田余壓資源的重要組成部分。 但目前國(guó)內(nèi)對(duì)氣田集氣站膨脹壓差發(fā)電技術(shù)的研究不足，亟需開(kāi)展相關(guān)研究，對(duì)集氣站的天然氣壓力能進(jìn)行回收利用。

3 處理（凈化）廠膨脹壓差發(fā)電技術(shù)

天然氣經(jīng)集氣站集氣后，經(jīng)管道輸至天然氣處理（凈化）廠進(jìn)行凈化等處理，進(jìn)入處理廠（凈化）前的壓力范圍在1.1～20.0 MPa 不等，需進(jìn)行降壓處理，因此在天然氣處理（凈化）廠存在大量壓力能的浪費(fèi)，需要設(shè)計(jì)適用的膨脹壓差發(fā)電技術(shù)合理利用這部分壓力能。

2017 年，重慶天然氣凈化總廠開(kāi)展天然氣余壓發(fā)電節(jié)能改造項(xiàng)目，該項(xiàng)目根據(jù)天然氣資源情況，提出了一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)成熟且效益良好的余壓發(fā)電裝置建設(shè)方案，同時(shí)通過(guò)技術(shù)分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)對(duì)該項(xiàng)目的可行性進(jìn)行了探討。 該項(xiàng)目可以將天然氣進(jìn)入凈化總廠的壓力能回收并發(fā)電， 通過(guò)變速箱將透平膨脹機(jī)與發(fā)電機(jī)相連，發(fā)電機(jī)組布置如圖1 所示，進(jìn)裝置的原料天然氣組成成分見(jiàn)表1。

圖1 重慶天然氣凈化總廠膨脹壓差發(fā)電機(jī)組

表1 原料天然氣組成成分 mol%

該項(xiàng)目預(yù)測(cè)了未來(lái)4 年膨脹壓差發(fā)電機(jī)組在正常工況下運(yùn)行的發(fā)電量，年發(fā)電量達(dá)到450×104kW·h 以上， 接下來(lái)十年的年發(fā)電量接近200×104kW·h。 從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，凈化總廠年綜合節(jié)能量折合標(biāo)準(zhǔn)煤超過(guò)800 t/a，整個(gè)項(xiàng)目的投資回收期不到7 年。

4 天然氣門(mén)站及調(diào)壓站膨脹壓差發(fā)電技術(shù)

西氣東輸、川氣東送及西氣東輸二線等管道的建設(shè)象征著我國(guó)對(duì)天然氣的需求與日俱增，高壓天然氣經(jīng)長(zhǎng)輸管道輸送至城市門(mén)站、 調(diào)壓站等，降至中壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，再借助調(diào)壓箱將壓力降至低壓后供用戶使用。 一般長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，而城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿缐毫σ话銥?.6～4.0 MPa，因此天然氣門(mén)站和調(diào)壓站內(nèi)蘊(yùn)含大量天然氣壓力能資源，如能充分利用則具有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2006 年，美國(guó)蘭森能源公司（Langson Energy Inc） 發(fā)明了一種螺桿膨脹機(jī)——總流量發(fā)電機(jī)（Langson Total Flow Gas Letdown Generator），可用于回收蒸汽和天然氣壓力能，將這種發(fā)電機(jī)用于天然氣調(diào)壓站，并結(jié)合相應(yīng)的工藝流程，就可以取代原有天然氣調(diào)壓站的調(diào)壓方法，以實(shí)現(xiàn)天然氣高壓管網(wǎng)內(nèi)壓力能的回收［25］；2013 年我國(guó)首個(gè)天然氣管網(wǎng)壓力能利用項(xiàng)目——深圳求雨嶺門(mén)站建成并投入使用，該調(diào)壓站為深圳市高壓輸配系統(tǒng)的重要組成部分之一，西氣東輸二線為它提供氣源，每年供氣量超過(guò)40 億立方米，可產(chǎn)生約530×104kW·h 的電能，該項(xiàng)目的投資回收期約為7 年； 熊亞選等調(diào)研了北京市近百個(gè)天然氣調(diào)壓站的設(shè)計(jì)工況，通過(guò)Aspen 軟件模擬，計(jì)算并分析了北京市天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電的潛能［26～28］。

在城市配氣管網(wǎng)系統(tǒng)中，調(diào)壓站設(shè)置于不同壓力級(jí)別的管道或某些專門(mén)用戶之間，進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)以滿足客戶需求，城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)壓力（表壓）分級(jí)見(jiàn)表2。

表2 城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)壓力（表壓）分級(jí)

大流量的高壓A 天然氣， 經(jīng)過(guò)高高壓調(diào)壓站、高中壓調(diào)壓站調(diào)壓至高壓B 或中壓后輸配至城市管網(wǎng)，具有較多的壓力能，剩余壓力回收并轉(zhuǎn)換為電能可直接并入城市電網(wǎng)或供應(yīng)給建在高壓管網(wǎng)上的CNG 母站自用， 也可在其附近建設(shè)制冰廠、冷庫(kù)等，充分利用其膨脹產(chǎn)生的電能和冷能，因此在調(diào)壓站中適宜設(shè)置大型的余壓發(fā)電回收裝置。 以武漢為例，現(xiàn)有高壓中環(huán)線和高壓外環(huán)線分別接收中石油忠武線、淮武線和中石化川氣東送線的來(lái)氣，其中高壓中環(huán)線上設(shè)置了2 座門(mén)站和9 座高中壓調(diào)壓站， 高壓外環(huán)線目前建成了1 座門(mén)站和1 座高高壓調(diào)壓站。

由于城市門(mén)站主要承擔(dān)清管、加熱、計(jì)量及加臭等功能， 在采取膨脹壓差發(fā)電技術(shù)之前，需根據(jù)不同的狀況做好相應(yīng)的可行性研究。 目前，天然氣膨脹壓差發(fā)電技術(shù)在城市門(mén)站和調(diào)壓站的利用廣泛，效益可觀，具有很好的發(fā)展前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)調(diào)研與分析可知，目前在氣田開(kāi)展的天然氣膨脹壓差發(fā)電技術(shù)研究尚少，且這些技術(shù)主要是針對(duì)氣井井口和天然氣管網(wǎng)及一些天然氣門(mén)站、調(diào)壓站等，在集氣站、處理（凈化）廠等氣田其他重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的研究尚少，而在這些環(huán)節(jié)中天然氣的可回收壓力能豐富，這就造成大量能源的浪費(fèi)。 因此，在日后對(duì)天然氣壓差發(fā)電技術(shù)的研究中，應(yīng)將重點(diǎn)放在集氣站、處理（凈化）廠等前人研究成果較少的環(huán)節(jié)上，提高氣田的整體經(jīng)濟(jì)效益。