多級膨脹天然氣壓差發(fā)電模擬及發(fā)電能力分析

1 概述

近年來，我國天然氣管網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模越來越大，天然氣長輸管道輸氣壓力也越來越高,如西氣東輸和陜京二線管道壓力達到10 MPa

。為保證城市各級管網(wǎng)安全、有序運行，天然氣輸送至城市時需在門站進行調(diào)壓。通過天然氣壓差發(fā)電工藝回收利用天然氣壓力能，符合節(jié)能減排政策，帶來經(jīng)濟和社會效益。

創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，是企業(yè)的第一驅(qū)動力。而核心能力是一種與眾不同的能力，它不是企業(yè)中某一種具體的能力或優(yōu)勢，而是一種將多種優(yōu)勢進行整合后形成的能力，它為企業(yè)帶來長期持續(xù)的競爭優(yōu)勢并使其獲取超額利潤，且一旦形成，便具有相對穩(wěn)定性，不易失去。企業(yè)核心能力是指在企業(yè)發(fā)展過程中整合能力已經(jīng)達成重要共識的能力，唯有如此才能培育出屬于本企業(yè)的持續(xù)競爭力，也才能提高企業(yè)的綜合能力，從而奠定企業(yè)更堅實的技術(shù)和管理基礎(chǔ)。

迄今為止，有關(guān)天然氣壓差發(fā)電技術(shù)的研究已逾30 a。2003年，日本東京電力公司率先建成利用天然氣壓差發(fā)電的發(fā)電站，功率達7 700 kW

。2011年，深圳燃氣公司與華南理工大學(xué)合作，在求雨嶺天然氣門站(流量設(shè)計規(guī)模為1.5×10

m

/h

)，建設(shè)了調(diào)壓設(shè)備壓差利用的天然氣發(fā)電和制冰的聯(lián)合工藝項目。盡管天然氣壓差發(fā)電工藝已有眾多項目落地，但天然氣壓差發(fā)電工藝尚不成熟，壓差發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量低的問題并沒有得到有效解決,因此本文提出一種等膨脹比兩級膨脹中間加熱的壓差發(fā)電系統(tǒng)，對比單級膨脹分析其原理,證明多膨脹級的發(fā)電工藝具有更強的發(fā)電能力，通過對實際項目做兩級膨脹工藝的數(shù)值模擬，計算其發(fā)電量增益，并驗證多級膨脹壓差發(fā)電的工藝的可行性。

2 常用天然氣壓差發(fā)電工藝特點分析

① 單級膨脹壓差發(fā)電

高壓天然氣流經(jīng)膨脹機，驅(qū)動膨脹機帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，膨脹機做功產(chǎn)生機械能，傳遞給發(fā)電機發(fā)電。天然氣在膨脹機中膨脹可視為等熵過程，產(chǎn)生焦耳-湯姆遜效應(yīng)，膨脹過后天然氣溫度降低

，需要在膨脹機后設(shè)加熱器。直接膨脹式發(fā)電工藝在膨脹機后設(shè)加熱器，優(yōu)點是建設(shè)投資少、工藝流程簡單、使用設(shè)備少、操作難度低，缺點是發(fā)電功率低。聯(lián)合式發(fā)電工藝的發(fā)電功率高于直接膨脹式，但其增加了一個朗肯循環(huán)，循環(huán)所用低溫工質(zhì)是工藝運行的關(guān)鍵因素

，聯(lián)合式發(fā)電工藝設(shè)備多、投資高、控制系統(tǒng)復(fù)雜。目前，聯(lián)合式發(fā)電工藝廣泛應(yīng)用于LNG冷能發(fā)電

。

天然氣在膨脹機中的膨脹過程是一個熱力過程，在天然氣上、下游壓力相同的情況下，忽略膨脹機的機械損失及管道、閥門的阻力，天然氣的膨脹過程可認(rèn)為是等熵過程，單級膨脹與兩級膨脹的

-

圖與

-

圖分別見圖 1、 2，單級膨脹與三級膨脹的

-

圖見圖 3。本文中二級膨脹指兩級膨脹或多級膨脹過程中的第二級膨脹過程。圖1～3中const表示常量。

——二級膨脹入口天然氣的比焓，kJ/kg

天然氣多級膨脹壓差發(fā)電工藝由多個膨脹機與多個加熱器串聯(lián)組成，高壓天然氣流經(jīng)多個膨脹機，壓力逐級降低，直至壓力降至下游所需壓力。在相鄰膨脹機之間設(shè)置加熱裝置，通過中間加熱提高每一級膨脹機的天然氣進口溫度，進而提高發(fā)電功率與出口天然氣溫度。該工藝可避免膨脹機長時間低溫工況運行，延長膨脹機壽命，同時可防止天然氣出口溫度低于管道韌脆轉(zhuǎn)變溫度而引起安全事故

。

3 單級膨脹、多級膨脹工藝發(fā)電功率分析

為研究單級膨脹與多級膨脹工藝發(fā)電功率差異，本文基于工程熱力學(xué)知識，利用

-

圖與

-

圖，探究單級膨脹與多級膨脹工藝天然氣膨脹過程，以及對外輸出的技術(shù)功與發(fā)電功率。

② 多級膨脹壓差發(fā)電

由圖 8 可知，隨著中間壓力增加，加熱功率呈增加趨勢。在中間壓力為2.7 MPa時，加熱功率為290.7 kW，此狀態(tài)為加熱功率曲線變化的拐點。

式中：P1、P2為斷面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ處的靜壓，Pa；ρ1、ρ2為斷面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ處的空氣密度，kg/m3；v1、v2為斷面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ處的風(fēng)速，m/s；Z1、Z2為斷面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ處的標(biāo)高，m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；hr為風(fēng)流從斷面Ⅰ—Ⅰ到斷面Ⅱ—Ⅱ過程中的阻力損失，Pa。

式中

——單級膨脹過程技術(shù)功，kJ/kg

雖然我有幸比同齡人走得快一點，但也只是走得快，我們要走的路很長，起步快，并不意味著一直都會特別快。順利歸順利，但千萬不能進入到一個溫水煮青蛙的環(huán)境里。

本課程采用雙線并行貫穿項目的課程模式。學(xué)生運用課內(nèi)項目中學(xué)到的知識和能力，基本上獨立完成課外項目，使學(xué)生在做的過程中，學(xué)到系統(tǒng)的知識和綜合職業(yè)技能。

(1)

單級膨脹過程在圖1、2中表示為過程線1→2′→3′，單位質(zhì)量天然氣單級膨脹輸出的技術(shù)功為：

——天然氣比體積，m

/kg

——天然氣壓力，Pa

——入口天然氣的比焓，kJ/kg

——出口天然氣的比焓，kJ/kg

膨脹過程的技術(shù)功在

-

圖上表示為過程線1→2′→3′與縱坐標(biāo)軸之間的面積。

② 多級膨脹壓差發(fā)電工藝

兩級膨脹中間加熱過程在圖1、2中表示為過程線1→2′→2→3，其中過程1→2′為第一級膨脹過程，過程2′→2為加熱過程，過程2→3第二級膨脹過程。兩級膨脹過程的技術(shù)功見式(2)，中間加熱過程的單位質(zhì)量加熱量見式(3)。

(

-

)

(2)

=

-

(3)

——一級膨脹入口天然氣的比焓，kJ/kg

式中

——兩級膨脹過程技術(shù)功，kJ/kg

——一級膨脹出口天然氣的比焓，kJ/kg

深入?yún)⑴c多邊國際合作。精心組織參加聯(lián)合國機構(gòu)有關(guān)會議等重要國際水事活動。積極參加第七屆世界水論壇籌備工作，跟蹤了解論壇籌備信息。積極支持我國水利專家擔(dān)任國際組織職位后開展工作。繼續(xù)充分利用中歐水資源交流平臺，結(jié)合水利現(xiàn)代化試點建設(shè)、水生態(tài)文明城市建設(shè)，精心策劃政策對話、科研交流、商務(wù)合作各方面的活動。

2.5 施工安全與安全管理人員的關(guān)系自從安全提到了施工生產(chǎn)、企業(yè)管理的議事日程后，施工工地、生產(chǎn)車間便設(shè)立了安全管理人員。安全員是企業(yè)安全的監(jiān)督者，無論是兼職安全員還是專職安全員其責(zé)任都很重大，這個崗位與職工安全密切相關(guān)。安全管理人員的專業(yè)水平、技術(shù)能力及安全管理的經(jīng)驗、責(zé)任心對所轄的范圍關(guān)系重大，是落實、執(zhí)行國家安全法規(guī)、企業(yè)安全制度、各工種工序的行為規(guī)范最具體的管理和監(jiān)督層。

——二級膨脹出口天然氣的比焓，kJ/kg

——單位質(zhì)量加熱量，kJ/kg

兩級膨脹工藝輸出的技術(shù)功在

-

圖上表示為過程線1→2′→2→3與縱坐標(biāo)軸之間的面積。分析可知，在上、下游壓力相同的情況下,單位時間內(nèi)兩級膨脹工藝輸出的技術(shù)功更多，多出的部分為圖形2′233′的面積。根據(jù)圖2,采用兩級膨脹工藝,膨脹機出口的天然氣溫度均高于單級膨脹工藝。因此，理論分析證明，兩級膨脹工藝在發(fā)電功率與天然氣出口溫度方面均高于單級膨脹工藝。

圖3中，三級膨脹過程線為1→2′→2→3′→3→4。三級膨脹較單級膨脹增加的技術(shù)功表示為圖形2′23′3″與圖形3″344′的面積之和。相同上、下游天然氣參數(shù)的兩級膨脹與三級膨脹工藝相比，圖3中圖形2′23′3″與圖形3″344′的面積之和大于圖1中圖形2′233′的面積，即三級膨脹工藝輸出的技術(shù)功大于兩級膨脹工藝。

如圖 1、3 所示，根據(jù)工程熱力學(xué)原理，單位質(zhì)量的天然氣在相同初終狀態(tài)下進行膨脹，過初始狀態(tài)點的等熵線斜率大于等溫線，等溫線與縱坐標(biāo)之間形成的面積最大。因此，想要獲取最大技術(shù)功，應(yīng)盡可能使膨脹過程趨于等溫膨脹，但等溫膨脹屬于一個理想過程，不可實現(xiàn)。多級膨脹過程介于等熵膨脹與等溫膨脹過程之間，且隨著膨脹級增加，多級膨脹過程無限接近等溫過程，輸出的技術(shù)功越來越多。

大面積燒傷可以引起嚴(yán)重的全身性反應(yīng)，同時出現(xiàn)各系統(tǒng)及器官的代謝紊亂和功能失調(diào)，機體產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng) [5]。應(yīng)激反應(yīng)雖然可以通過提高機體的免疫能力而減輕應(yīng)激原對機體的損傷，但是當(dāng)應(yīng)激反應(yīng)過強或者持續(xù)時間過長，同樣會引起機體內(nèi)環(huán)境明顯失衡，從而造成免疫功能的下降[6]。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，大面積燒傷之后，由于持續(xù)性過強的應(yīng)激反應(yīng)，淋巴細胞的特異性免疫功能明顯受到抑制，以T淋巴細胞受損最重。這種免疫受抑制現(xiàn)象在傷后一周左右可達最高水平，傷情不同，免疫受抑制的程度也不同[7]。

4 兩級膨脹工藝設(shè)計最佳工況確定

雖然利用

-

圖與

-

圖的熱力過程分析證明多級膨脹工藝的發(fā)電功率高于單級膨脹，但無法得知發(fā)電增益以及最佳工作工況。本文結(jié)合我國城市門站調(diào)壓情況，利用化工模擬軟件Aspen Hysys對天然氣兩級膨脹與單級膨脹進行模擬，探究兩級膨脹發(fā)電量增益以及天然氣出口溫度情況，確定兩級膨脹工藝的設(shè)計最佳工況。

① 單級膨脹、兩級膨脹壓差發(fā)電工藝模擬

對天然氣在城市門站調(diào)壓發(fā)電進行模擬，天然氣組成見表1，流量選用14 000 m

/h，選擇上游天然氣壓力4.5 MPa、溫度20 ℃，選擇下游天然氣壓力1.6 MPa、溫度5 ℃，環(huán)境壓力為101.325 kPa。單級膨脹、兩級膨脹壓差發(fā)電工藝流程(軟件截圖)見圖 4、5 。為了保證二級膨脹出口天然氣溫度為5 ℃，加熱器將天然氣加熱到合適的溫度。

對于兩級膨脹工藝而言，膨脹過程的中間壓力決定一、二級膨脹壓差，影響工藝輸出技術(shù)功，進而影響系統(tǒng)發(fā)電功率。同時，膨脹中間壓力決定一級膨脹后天然氣狀態(tài)參數(shù)，因此加熱過程加熱功率以及二級膨脹入口天然氣狀態(tài)也受其影響。為探究中間壓力不同對兩級膨脹工藝整體影響，以一、二級膨脹等膨脹比工況下的壓力(2.7 MPa)為中間壓力的基準(zhǔn)壓力，步長為0.3 MPa，取8個不同的中間壓力進行兩級膨脹過程的模擬，模擬時膨脹機等熵效率取75%。單級膨脹與膨脹中間壓力為2.7 MPa的兩級膨脹工藝模擬結(jié)果對比見表2。單級膨脹、兩級膨脹技術(shù)功功率分別為255.6 kW、286.2 kW，單級膨脹、兩級膨脹天然氣加熱功率分別為254.3 kW、290.7 kW。模擬時整個過程中天然氣未發(fā)生相變，且物質(zhì)的量流量不變。中間壓力與技術(shù)功功率、加熱前后溫度、加熱功率的關(guān)系分別見圖 6～8。

由表2及模擬結(jié)果可知，中間壓力為2.7 MPa的兩級膨脹技術(shù)功功率較單級膨脹提高12%，可利用的冷能及加熱功率較單級膨脹提高14%。

根據(jù)圖 6可知，兩級膨脹工藝技術(shù)功功率均高于單級膨脹工藝。隨著兩級膨脹工藝中間壓力增加，技術(shù)功功率增加，當(dāng)中間壓力達到3.9 MPa時，技術(shù)功功率達300 kW,較單級膨脹提高17%，故在設(shè)計天然氣壓差發(fā)電工藝時可以采用兩級膨脹工藝并通過提高膨脹中間壓力增加技術(shù)功功率。

② 兩級膨脹設(shè)計最佳工況

當(dāng)中間壓力達到3.9 MPa時，工藝總技術(shù)功功率達模擬最高值300 kW，但這并不是兩級膨脹工藝的最佳工況。在工藝設(shè)計時應(yīng)綜合考慮天然氣冷能、加熱溫度要求、工藝穩(wěn)定性等。

由圖 6 可知，在初、終狀態(tài)相同的情況下，隨著中間壓力升高，一級膨脹過程壓差和技術(shù)功逐漸減少，二級膨脹過程壓差和技術(shù)功逐漸增大。采用2.7 MPa的中間壓力時，一級膨脹與二級膨脹輸出的技術(shù)功大致相同，工藝穩(wěn)定性強。

計算得出每一年的評價等級矩陣Z，即Z=［z1，z2，…，zs］。然后根據(jù)最大隸屬度原理求出最終的評價結(jié)果。

由圖7可知，隨著中間壓力增加，加熱前后溫度均呈現(xiàn)出上升趨勢，加熱前后溫差維持在40 ℃左右。由于中間壓力增加，一級膨脹壓差縮小，膨脹后天然氣溫度升高；二級膨脹壓差增大，天然氣膨脹溫差變大。若要保持出口溫度在5 ℃，則需提高二級膨脹天然氣入口溫度。因此，在設(shè)計多級膨脹工藝時，應(yīng)根據(jù)所選熱源溫度確定膨脹比或根據(jù)膨脹比選擇加熱熱源。在中間壓力為2.7 MPa時，一級膨脹后天然氣溫度(-8.7 ℃)低于0 ℃，天然氣的冷能品質(zhì)高，加熱后溫度在35 ℃，該工況對加熱熱源溫度要求低。

電話里，魏昌龍聲音仍是大嗓門：“礦山復(fù)采、尾砂開發(fā)的所有資料，我都要孫主任給你備齊了，你來我這住幾天，快寫好快撒出去?！?/p>

① 單級膨脹壓差發(fā)電工藝

綜上，在進行兩級膨脹壓差發(fā)電工藝設(shè)計時，應(yīng)采用等膨脹比的形式。在等膨脹比工況下，一、二級膨脹的膨脹比相同，可有效避免單級膨脹發(fā)電負荷過重，延長設(shè)備使用壽命；低于0 ℃的天然氣具有良好的冷能可以利用，加熱過程對熱源溫度要求不高。

雖然理論分析與工藝流程模擬證明多級膨脹壓差發(fā)電工藝較單級膨脹壓差發(fā)電工藝可以輸出更多的技術(shù)功功率、發(fā)電功率和天然氣冷能，但多級膨脹系統(tǒng)的膨脹級多、設(shè)備投資高、工藝控制系統(tǒng)復(fù)雜、對技術(shù)管理人員要求高。在工程實際中是否采用多級膨脹工藝，需要結(jié)合設(shè)備成本、技術(shù)水平、冷熱源及配套產(chǎn)業(yè)情況綜合考慮。

5 案例分析

國內(nèi)某門站天然氣調(diào)壓壓差發(fā)電制冰項目，設(shè)計流量為16 000 m

/h，進口天然氣為4.0 MPa、20 ℃，經(jīng)透平膨脹機膨脹至1.6 MPa、-30 ℃；-30 ℃的天然氣與制冷劑R404a換熱后升高至5 ℃

。該項目采用單級膨脹壓差發(fā)電工藝，制冰采用朗肯循環(huán)。該工藝每小時發(fā)電量為200 kW·h,用于制冰的冷量470 kW·h。經(jīng)濟性方面，制冰系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)COP約為2，故該制冰工藝相當(dāng)于每小時節(jié)電235 kW·h。項目在經(jīng)濟性分析時，工藝年運行8 600 h，年節(jié)電量202×10

kW·h，按0.85 元/(kW·h)計，年收入171×10

元。

將該項目改用兩級膨脹工藝，模擬時選用參數(shù)與原項目保持一致，忽略流量波動情況，采用16 000 m

/h的設(shè)計流量，進口天然氣為20 ℃、4.0 MPa，出口天然氣為1.6 MPa、5 ℃，采用等膨脹比的工況(中間壓力為2.5 MPa)，制冰系統(tǒng)參數(shù)保持不變。對改進后的工藝進行模擬，工藝年運行時間8 600 h(與原項目保持一致)，計算其收益情況。模擬時膨脹機等熵效率取75%，發(fā)電機發(fā)電效率取95%，單級膨脹與兩級膨脹模擬結(jié)果對比見表3。

傳統(tǒng)知識服務(wù)商在集成海量二次文摘與引文數(shù)據(jù)庫的基本上，普遍會提供一些統(tǒng)計分析服務(wù)，如針對主題進行趨勢分析，如年度趨勢發(fā)展、機構(gòu)分布、區(qū)域分布等，以及發(fā)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展方向、跨學(xué)科研究主題等。

根據(jù)表3，采用兩級膨脹每小時發(fā)電量提高39%，每小時天然氣產(chǎn)生冷能較原工藝提高12%。采用兩級膨脹工藝，保持制冰系統(tǒng)不變，工藝年運行時間不變，制冰所需冷量仍然來自天然氣冷能與冷卻塔，制冰系統(tǒng)的COP仍為2，制冰工藝相當(dāng)于每小時節(jié)電326.65 kW·h，每年節(jié)電280×10

kW·h,年收入238×10

元。

市場風(fēng)險主要是由數(shù)據(jù)的真實性造成的，同時也包括金融交易中的不正當(dāng)行為以及對數(shù)據(jù)的壟斷。對大數(shù)據(jù)的分析存在質(zhì)和量兩大因素，但也只是數(shù)據(jù)之間行為，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯，那么對金融風(fēng)險的預(yù)測和防范就失真了，進而會引發(fā)市場風(fēng)險。此外，有實力的金融企業(yè)會把含金量高的數(shù)據(jù)進行壟斷，從而使金融市場的天平向某一方向傾斜，大數(shù)據(jù)也就因此失去了有效的市場調(diào)節(jié)作用，促使了市場風(fēng)險的加劇。

6 結(jié)論

① 多級膨脹壓差發(fā)電工藝由多個膨脹機與加熱器交錯串聯(lián)組成，通過加熱提高天然氣的比焓，提高輸出技術(shù)功功率與發(fā)電功率，解決天然氣出口溫度低于管道韌脆轉(zhuǎn)變溫度的問題。

與他相反，劉雁衡教外國文學(xué)史，卻常常跑到中國文學(xué)上來。在說到某部外國經(jīng)典時，總是抗衡似的，舉出中國相應(yīng)的一部著作，與洋鬼子理論一番，切磋一番。這使得學(xué)生廣為不滿，女生甚至給他起了個雅號：大唐進士。幸好，劉雁衡在報紙副刊發(fā)表的新詩，都是呼喚光明與民主的，這才抵消了學(xué)生的不滿心理。

② 多級膨脹工藝的膨脹級數(shù)越高，多級膨脹工藝越接近等溫過程，可利用多級膨脹工藝提高天然氣壓差發(fā)電工藝的發(fā)電功率。

③ 在天然氣初、終狀態(tài)相同的情況下，對兩級膨脹與單級膨脹工藝進行模擬對比，驗證了兩級膨脹工藝輸出技術(shù)功高于單級膨脹工藝。在等膨脹比工況下，可有效避免單級膨脹發(fā)電負荷過重，延長設(shè)備使用壽命；低于0 ℃的天然氣具有良好的冷能，對加熱熱源溫度要求不高。

④ 對國內(nèi)某門站調(diào)壓壓差發(fā)電制冰工藝進行兩級膨脹與單級膨脹工藝的模擬，與單級膨脹相比，等膨脹比的兩級膨脹每小時發(fā)電量高、經(jīng)濟性好。

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