天然氣壓力能回收利用研究進展及分析

李秉繁，劉培勝，潘振,孫 超

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

天然氣壓力能回收利用研究進展及分析

李秉繁1，劉培勝1，潘振1,孫 超2

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

隨著我國長輸管道（高壓）的發展，管道內的高壓天然氣的壓力能所具有的經濟價值是不容忽視的，天然氣壓力能利用包括直接利用和間接利用，介紹了高壓天然氣（CNG）直接膨脹發電、天然氣壓力能用于制冷技術和一種改進的將天然氣壓力能用于冷熱電三聯供的方法與裝置存在的問題及分析。

壓力能; 經濟價值; 壓力能利用

如表1所示國內部分天然氣管道基本參數［1］，輸送管道的發展在距離上、壓力上不斷的刷新歷史，為了經濟的可持續發展和節約資源，管道壓力能所蘊含的巨大經濟價值得到了人們廣泛的關注。

表1 國內部分天然氣管道基本參數Table 1 The basic parameters of the domestic partial natural gas pipelines

以西氣東輸二線管道（壓力可達到12 MPa）的設計運行，標志著我國長輸管道技術達到國際先進水平。

1 天然氣壓力能用于發電技術

1.1 用于直接膨脹發電

如圖1所示天然氣壓力能用于直接膨脹發電裝置，高壓天然氣經過加熱器加熱后進入透平膨脹機膨脹驅動發電機發電，再經過加熱器后以低壓天然氣的形式輸出。其中，加熱器的作用是防止天然氣膨脹后溫度降低到 0 ℃以下使天然氣中的水分凝結阻塞管路[2]。

圖1 天然氣壓力能用于直接膨脹發電裝置Fig.1 Gas pressure energy direct expansion power generation plant

1.2 膨脹后的低溫天然氣用于降低燃氣輪機的吸氣溫度

由布雷頓循環知，在定壓加熱過程中溫度達到臨界值時，若降低燃氣輪機的吸氣溫度，則循環作功和其效率將得到顯著提高。膨脹后的低溫天然氣用于冷卻燃氣輪機入口進入的空氣，提高進入燃氣輪機的空氣質量以提高其循環作功和效率[3]。

現存的天然氣壓力能用于直接膨脹和降低燃氣輪機的吸氣溫度相結合的一種新型天然氣壓力能發電技術，不僅減少了管網壓力能的浪費也提高了發電量綜合利用了資源[4]。

1.3 天然氣壓力能用于發電技術存在的問題

（1）高壓天然氣的爆炸極限較低，高壓天然氣進入透平膨脹機之前必須經過預熱，防止天然氣膨脹后溫度降低使天然氣中的水蒸氣凝結，天然氣局部溫度能以控制問題。

（2）建設大型天然氣壓力能回收發電工廠，需要大量地高壓天然氣而天然氣管網化、城市接收門站和調壓站的分散布局，建廠的困難問題。

（3）天然氣的使用由于用戶、時間、溫度、節氣的不同，天然氣的使用量不斷變化而利用高壓天然氣壓力能發電必須滿足天然氣供應的壓力和流量穩定問題[5]。

2 天然氣壓力能用于燃氣調峰

天然氣高壓管道調峰主要是指利用鄰近城市的壓氣站到城市接收門站這一管段，將天然氣以壓縮天然氣的形式儲存在這一管段中。城市燃氣使用量隨著時間、溫度、氣候等息息相關，用氣量波動巨大，每天都要面臨著“調峰”，當用氣量多時，天然氣管網的高壓天然氣膨脹輸送給用戶，當用氣量少時，天然氣以高壓天然氣的是形式儲存在管網中[6]。

3 天然氣壓力能用于制冷技術

3.1 天然氣壓力能制冷用于粉碎橡膠

我國橡膠消費量每年以 7.2%的速度增長，2013年增至3.7×106t[7]。廢舊橡膠的回收利用已成當務之急。將天然氣壓力能制冷用于廢舊橡膠冷卻至玻璃化溫度（-100 ℃左右）后在進行粉碎的方式與傳統的粉碎方式不僅節省了粉碎機的能耗、減少了噪音也合理利用了能源。以處理14 000 m3/h 天然氣的調壓站為例，壓力從5 MPa降至0.5 MPa的高壓天然氣能夠處理約10 000 t的廢舊橡膠[8]。

3.2 天然氣壓力能制冷用于不同品味的冷能用戶

圖2 天然氣壓力能制冷用于不同品位的冷能用戶流程圖Fig.2 Natural gas pressure energy refrigeration flowchart for different grade users

如圖2所示，天然氣壓力能制冷用于不同品位的冷能用戶，高壓天然氣經過氣波制冷機換熱器1、2、3后以低壓常溫天然氣的形式輸出，將-30 ℃用于低溫冷庫，將-15 ℃用于較低溫冷庫，0 ℃用于空調系統。將天然氣壓力能用于制冷不僅較少了壓縮機制冷的成本，低溫天然氣的冷量梯級利用也提高了壓力能的利用效率[9]。

3.3 天然氣壓力能制冷用于液化燃氣調峰

如圖3所示天然氣壓力能制冷用于液化天然氣調峰流程圖，高壓天然氣經過膨脹機1膨脹作功后變為中壓低溫天然氣，膨脹機驅動壓縮機5壓縮常溫常壓的冷媒，從膨脹機出來的高壓冷媒經過水冷卻再經過節流閥3進入換熱器2用于制取LNG；從膨脹機1出來的中壓低溫天然氣一部分經過換熱器6預熱后供給中壓天然氣管網，一部分經過換熱器2、節流閥7以常壓LNG的形式儲存在LNG儲罐中；當用氣高峰時，LNG經過壓縮機9供給中壓天然氣管網，實現了天然氣的調峰作用[10]。

圖3 天然氣壓力能制冷用于不同品位的冷能用戶流程圖Fig.3 Natural gas pressure energy refrigeration flowchart for different grade users

3.4 天然氣壓力能用于制冷技術存在的問題

（1）高壓天然氣在膨脹作功之前必須經過預熱防止混合在天然氣中的水分凝結，高壓天然氣產生的冷量效益與預熱效益收支問題；

（2）氣波制冷機的制冷效率低問題；

（3）天然氣壓力、流量不穩定問題。

用于低溫冷庫，將-15 ℃用于較低溫冷庫，0 ℃用于空調系統。將天然氣壓力能用于制冷不僅較少了壓縮機制冷的成本，低溫天然氣的冷量梯級利用也提高了壓力能的利用效率。

4 一種改進的將天然氣壓力能用于冷熱電三聯供的方法與裝置

如圖4所示一種改進的將天然氣壓力能用于冷熱電三聯供的裝置，高壓天然氣經過預熱后進入透平膨脹機膨脹作功驅動壓氣機汽輪機同軸轉動，經過透平膨脹機后的低溫常壓天然氣進入換熱器用于預冷燃氣輪機進口的空氣，換熱器還可以提供空調制冷系統所需的冷量。一種改進的將天然氣壓力能用于冷熱電三聯供的方法與裝置，其優點在于： 1)天然氣壓力能用于膨脹作功驅動壓氣機、汽輪機提高了傳統冷熱電三聯供的發電量減少了天然氣壓力能的浪費； 2)將從膨脹機出來的低溫常壓天然氣用于冷卻燃氣輪機的吸氣溫度，提高了燃氣輪機的工作效率； 3) 低溫常溫天然氣還可以為空調系統提供冷量，合理利用天然氣所蘊含的冷能[11]。

圖4 一種改進的將天然氣壓力能用于冷熱電三聯供裝置Fig.4 An improved natural gas pressure energy CCHP system

5 結束語

根據天然氣壓力能用于發電技術存在的問題提出的以下解決辦法： 1)凈化天然中的水分； 2)建設小型壓力能發電廠，與冷熱電三聯供相結合將天然氣壓力能用于直接膨脹發電，低溫天然氣用于冷卻燃氣輪機進口吸氣溫度； 3)建設調峰裝置，以便電廠的安全穩定運行[12]。

根據提出的以下解決辦法： 1)采用多能級梯度利用天然氣壓力能產生的冷量； 2)為穩定天然氣壓力、流量建設必要的調峰罐，提高膨脹機的穩定作功。

天然氣壓力能的利用不僅減少了壓力能資源的浪費，也減少了發電過程、制冷過程汽輪機和壓縮機能耗，壓力能的利用符合我國節能標準[13]。

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Research and Analysis of Recycling Pressure Energy From Nature Gas Pipelines

LI Bing-fan1，LIU Pei-sheng1，PEN Zhen1，SUN Chao2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Heibei Langfang 065000，China;）

With the development of China's long-distance pipelines (high pressure), economic value of the pressure energy of high pressure natural gas in the pipelines should not be ignored, application of the pressure energy includes direct utilization and indirect utilization. In this paper, the high-pressure natural gas (CNG) direct expansion power generation technology, natural gas pressure energy refrigeration technology and CCHP technology were introduced; existing problems in these units were analyzed.

Pressure energy; Economic value; Pressure energy use

TE 832

A

1671-0460（2014）12-2591-03

2014-04-12

李秉繁（1901-），男，遼寧撫順人，研究生在讀，遼寧石油化工大學油氣儲運專業，研究方向：油氣管道輸送技術。E-mail：670264522qq.com。