天然氣透平膨脹發(fā)電技術(shù)在燃機(jī)電廠的應(yīng)用

梁慶林

（廣東大唐國(guó)際肇慶熱電有限責(zé)任公司，廣東 肇慶526000）

0 引言

天然氣作為高效清潔能源，近年來(lái)獲得了廣泛應(yīng)用。天然氣在進(jìn)入城市門站或燃?xì)怆姀S前，根據(jù)不同的壓力要求，常用調(diào)壓器進(jìn)行降壓處理。由工程熱力學(xué)理論可知，當(dāng)天然氣具備一定的壓力和溫度時(shí)，就具備了一定的能量，即由壓力所體現(xiàn)的勢(shì)能和由溫度所體現(xiàn)的動(dòng)能，二者合稱為天然氣的內(nèi)能。在用調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，會(huì)造成部分內(nèi)能損失。以日處理50萬(wàn)m3的門站為例，壓力從4.0 MPa降至0.4 MPa，壓力能損失大約有101.7萬(wàn)kJ／h，天然氣透平膨脹發(fā)電技術(shù)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，并由膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)將能量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行回收。

圖2 天然氣透平膨脹發(fā)電示意圖

1 天然氣透平膨脹發(fā)電技術(shù)介紹

1.1 透平膨脹機(jī)工作原理

透平膨脹機(jī)是一種使壓縮氣體膨脹并輸出功率，因而壓力降低和能量減少的原動(dòng)機(jī)。在透平膨脹機(jī)中，氣體的能量交換發(fā)生在導(dǎo)流器的噴嘴葉片間與工作葉輪內(nèi)。高壓氣流在噴嘴內(nèi)進(jìn)行部分膨脹，然后以一定的速度進(jìn)入葉輪，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。氣流進(jìn)入葉輪后還會(huì)進(jìn)一步膨脹，氣流的反沖力進(jìn)一步推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的葉輪軸可驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。由于氣體在膨脹機(jī)中通過(guò)的時(shí)間極短，來(lái)不及與周圍環(huán)境進(jìn)行熱量交換，因而絕熱效率很高，此過(guò)程可視為等熵膨脹。進(jìn)入透平膨脹機(jī)的氣體流量可通過(guò)導(dǎo)流葉片進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷。

1.2 透平膨脹機(jī)用于天然氣管道壓差發(fā)電

天然氣管道壓差分配圖如圖1所示，天然氣透平膨脹發(fā)電示意圖如圖2所示。

圖1 天然氣管道壓差分配圖

1.3 壓能回收能力分析

絕熱膨脹透平發(fā)電機(jī)做功與氣流壓能之間的關(guān)系如下：

式中，W 為透平發(fā)電機(jī)端的出力（k W）；ΔHi為天然氣高壓端與低壓端之間的絕熱焓降（kJ／kg）；G為天然氣質(zhì)量流量（kg／s）；ηt為透平機(jī)效率；ηg為發(fā)電機(jī)效率。

絕熱焓降的計(jì)算：

式中，Cp為天然氣質(zhì)量等壓比熱［kJ／（kg·K）］；T1為天然氣入口溫度（K）；p1為天然氣入口壓力（MPa）；p2為天然氣出口壓力（MPa）；K為天然氣的絕熱指數(shù)。

2 天然氣透平膨脹發(fā)電技術(shù)在燃機(jī)電廠中的應(yīng)用

廣東大唐國(guó)際肇慶熱電有限責(zé)任公司有2臺(tái)套F級(jí)燃?xì)鈾C(jī)組。入廠天然氣壓力為5.4 MPa，通過(guò)調(diào)壓撬進(jìn)行調(diào)壓，將壓力降到約3 MPa再送給燃機(jī)。若采用透平膨脹發(fā)電機(jī)取代調(diào)壓撬，即可實(shí)現(xiàn)在對(duì)天然氣進(jìn)行降壓的同時(shí)發(fā)出電能。現(xiàn)根據(jù)本公司調(diào)壓站設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行差壓發(fā)電能力分析。

從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知，供氣量為流量14萬(wàn)m3／h，天然氣密度為0.717 4 kg／m3，供氣量為100.436 t／h，調(diào)壓撬入口壓力p1為5.4 MPa，調(diào)壓撬出口壓力p2為3 MPa，調(diào)壓撬入口溫度T1為288 K，透平機(jī)效率按0.8，發(fā)電機(jī)效率按0.95，減速箱效率按0.97，天然氣絕熱指數(shù)K為1.3，取平均等壓比熱Cp為2.2 kJ／（kg·K）。

每小時(shí)利用天然氣差壓可發(fā)電1 648 k W。

2.1 天然氣壓差發(fā)電方案

2.1.1 天然氣壓差參數(shù)

管道公司供氣壓力5.4～6.5 MPa，溫度6～15℃，進(jìn)入電廠經(jīng)調(diào)壓站調(diào)整到3 MPa、15～50℃供燃?xì)廨啓C(jī)使用，壓差約2.4～3.5 MPa。

2.1.2 壓差發(fā)電系統(tǒng)工藝流程

壓差發(fā)電系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。

圖3 壓差發(fā)電系統(tǒng)工藝流程圖

2.1.3 發(fā)電機(jī)組選型

天然氣經(jīng)膨脹做功后，氣體溫度會(huì)降到0℃以下，國(guó)產(chǎn)汽輪發(fā)電機(jī)組都是熱機(jī)，無(wú)法滿足要求。當(dāng)膨脹機(jī)運(yùn)行溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，對(duì)制造材料和工藝要求更高，國(guó)產(chǎn)民用設(shè)備目前還不能滿足要求。

考慮以上因素，我們選用UniEco透平膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組轉(zhuǎn)子、變速箱在美國(guó)生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)做配套組裝完成。其是由高譜公司與聯(lián)優(yōu)機(jī)械共同開(kāi)發(fā)的用于天然氣等特殊氣體壓差發(fā)電的專用設(shè)備。

2.1.4 裝機(jī)方案

經(jīng) 測(cè) 算：140 000 m3／h 流 量 的 天 然 氣，壓 力 從 5.4～6.5 MPa降到3 MPa，發(fā)電量約1 626 k W左右。需要安裝1臺(tái)2 000 k W發(fā)電機(jī)組。

2.1.5 發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益

此燃機(jī)電廠2臺(tái)燃機(jī)計(jì)劃全年運(yùn)行5 000 h，電費(fèi)按照0.7元／k W·h進(jìn)行計(jì)算：

全年發(fā)電量1 626 k W×5 000 h＝813萬(wàn)k W·h，折合電費(fèi)569萬(wàn)。

項(xiàng)目總投資約1 680萬(wàn)元，投資回收期3年左右。

2.3 社會(huì)效益（減排指標(biāo)）

年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤：813萬(wàn)k W·h×330 g（1 k W·h電消耗標(biāo)準(zhǔn)煤）＝2 683 t；

年減排SO2量：2 683×0.008 5＝23 t；

年減排 NOx量：2 683×0.007 4＝20 t；

年減排CO2量：2 683×2.6＝6 976 t。

表1 發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

天然氣透平膨脹發(fā)電技術(shù)利用天然氣管道壓力能發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了天然氣的高效利用，減少了能量的浪費(fèi)，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。體現(xiàn)了企業(yè)積極主動(dòng)開(kāi)展節(jié)能減排活動(dòng)，踐行節(jié)能減排的承諾，履行了社會(huì)責(zé)任，突出了企業(yè)的科技創(chuàng)新能力。

天然氣透平膨脹發(fā)電技術(shù)符合國(guó)家能源政策和節(jié)能減排政策，實(shí)施后可申請(qǐng)市、省、國(guó)家相關(guān)的新能源利用、節(jié)能減排以及產(chǎn)學(xué)研領(lǐng)域的基金和獎(jiǎng)勵(lì)，彰顯企業(yè)節(jié)能減排示范作用。

天然氣透平膨脹發(fā)電技術(shù)促進(jìn)了天然氣產(chǎn)業(yè)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)天然氣企業(yè)的升級(jí)，可增強(qiáng)天然氣行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)燃機(jī)電廠的健康發(fā)展。

［1］江楚標(biāo).透平膨脹機(jī)及發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.深冷技術(shù)，2001（5）

［2］鄒云.160萬(wàn) m3／d天然氣透平膨脹機(jī)的研制［J］.深冷技術(shù)，2006（3）

［3］祁圣華.小型天然氣透平膨脹機(jī)技術(shù)改造［J］.油氣田地面工程，2006（1）