天然氣壓差發電技術在地下儲氣庫的應用

朱力洋 熊 波 王志軍 鄒 銀 鐘明朗

1.中國石油西南油氣田公司 2.中國石油西南油氣田公司市場開發部 3.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處

0 引言

壓差發電技術是利用工業生產中所產生的壓力差能量，將其回收轉化為機械能，驅動發電機發電的技術。天然氣壓差發電技術充分利用天然氣的壓力能來發電[1]，該技術可有效解決天然氣調壓過程中產生的管道振動、噪音和急速降溫產生冰堵等問題，充分利用天然氣內能且不產生污染，滿足零排放標準[2-4]。

國內外關于天然氣管網壓力能利用技術理論研究較多，主要包括將電能及冷能用于發電、調峰、制冷和天然氣管網調壓等[5-9]。近些年，我國天然氣消費量呈兩位數快速增長，天然氣消費的季節性、區域性差異更加明顯，地下儲氣庫（以下簡稱儲氣庫）用于天然氣應急調峰和戰略儲備的意義也愈加凸顯[10-11]。較之于常規天然氣管網調壓，儲氣庫有更大的、周期性的壓差及流量[12]，如果能將這部分能量回收，將極大地提高天然氣能量利用率和天然氣管網運行的安全性[13]。為此，以國內某儲氣庫為案例，探討了如何將國內應用廣泛的天然氣壓差發電技術應用到儲氣庫項目。

1 天然氣壓差發電技術

1.1 工作原理

膨脹機按能量轉換方式的不同，可分為速度式膨脹機和容量式膨脹機兩大類[14]。透平膨脹機壓差發電是指利用天然氣壓力能驅動透平膨脹機轉子，通過齒輪箱、聯軸器，把機械能傳遞給發電機，使發電機工作發電[15-17]。為了綜合利用能源，同時避免天然氣加熱消耗電能，可以利用冷能制冰或給冷庫供冷。因此，透平膨脹機的主要特點是既可降低輸氣壓力做功，又可獲得制冷效果。

1.2 膨脹機性能對比

膨脹機的性能直接影響到發電系統的整體發電效率[18-22]。幾種常見膨脹機的性能對比分析如表1所示。

綜上如述，按照不同的進出口壓力等級、流量和氣質組成，建議在天然氣儲氣項目中可采用透平膨脹機或螺桿膨脹機。

表1 幾種常見膨脹機性能對比分析表

2 實例應用分析

中國石油西南油氣田公司相國寺儲氣庫（以下簡稱相國寺儲氣庫）位于重慶市渝北區、北碚區境內，于2013 年6 月注氣投運，2014 年12 月調峰采氣。設計運行壓力介于13.2 ～28.0 MPa，庫容量為42.6×108m3，墊底氣量為19.8×108m3，工作氣量為22.8×108m3，最大日注氣量為1 253×104m3，同時考慮季節調峰和應急情況需要，最大日采氣量為2 855×104m3。2019 年采氣量為16.76×108m3，用電量為5 663×104kWh，電價為0.599 元/kWh。

2.1 采氣工藝流程

儲氣井采氣工藝流程如圖1 所示。采出的高壓天然氣（13.5 ～25.5 MPa，20 ～40 ℃）經計量、井口節流到外輸壓力（小于13.5 MPa）后，再通過采氣干線輸往集注站。井口設置有高、低壓安全截止閥，進、出站管線上設置有緊急截止閥，可在緊急、事故工況下及時截斷氣源。

2.2 注氣工藝流程

與采氣相比，注氣可視為采氣的逆過程，由于入口壓力一般為次高壓天然氣（壓力小于13.5 MPa，溫度介于－5 ～26 ℃），低于儲氣庫壓力。因此，實際工作過程中需要額外增加增壓設施以提高天然氣壓力。

2.3 透平膨脹機裝機規模

儲氣井工藝參數如表2 所示。

參考表2 參數，在350 000 ～430 000 m3/h 時，根據設備特點，擬采用1 套透平膨脹發電機組用于減壓發電，電力輸出額定功率為1 800 kW，項目在各工況下的輸出功率如表3 所示。

通過調研，暫定在相國寺儲氣庫5 號注采站井口采氣調節閥上設置旁通，安裝透平膨脹機（圖2、3）。

圖1 儲氣井采氣工藝流程圖

表2 儲氣井工藝參數表

2.4 項目經濟性分析

根據上述熱力學計算，在相國寺儲氣庫安裝1 臺1 800 kW 透平發電機，每小時凈發電量1 747 kWh，每年發電611×104kWh（按采氣3 500 h 計算），每年節省電費301 萬元。項目技術經濟性分析見表4。

根據項目投資估算，項目總投資為1 526 萬元（項目建筑工程投資約400 萬元，設備購置費600 萬元，安裝工程200 萬元，工程建設其他費用276 萬元，預備費50 萬元），項目利潤約301 萬元，稅后內部收益率為13.08%，動態投資回收期為7.84 年（含建設期）。

表3 項目各工況下的分析計算表

圖2 天然氣透平膨脹發電機組原理圖

3 結論

1）相國寺儲氣庫壓差發電項目投資較少，經濟效益較好，是天然氣行業實現節能降耗、綠色發展、提質增效的重要技術手段。如果項目試點成功，可在全國新建儲氣庫全面應用，將產生良好的示范作用。天然氣凈化廠、LNG 工廠和干線輸配氣站等單位的天然氣流量和壓差較大，有大量的壓能可以回收。

圖3 天然氣透平膨脹發電機在輸氣站場的安裝示意圖

表4 項目經濟性分析表

2）由于儲氣庫采氣期自身用電量少，將產生大量富余電力，有關單位可以和國家電網協調，交納一定過網費，向油田內部用電大戶（如天然氣增壓站、天然氣凈化廠等）定向供電，解決儲氣庫發電富余電力的銷售問題。

3）在實際應用中，壓差發電技術仍存在一些需要解決的問題，如膨脹機的密封問題，在透平膨脹機高轉速運行條件下，存在較大的噪音等，在天然氣壓差發電系統商業化運行前，必須經過多次中試實驗，以解決系統運行過程中可能存在的問題。