淺析天然氣管網壓力能利用

焦洋

摘 要：隨著2001年西氣東輸管線的開工建設，我國正在逐步調整當前能源結構，大規模發展天然氣。我國燃氣輸配管網的輸氣壓力可分為：高壓A、高壓B、次高壓A、次高壓B、中壓A、中壓B和低壓管道7級。從上游供氣高壓管線至燃氣用戶使用的低壓管線之間需要逐級降壓。高壓天然氣在調壓過程中會產生很大壓力降，此過程將釋放出大量壓力能。采用適當方式將這部分壓力能加以回收利用，將在很大程度上提高天然氣管網運行的經濟性和能源的綜合利用率。

本文對天然氣高壓管網壓力能進行了[用][火]分析，以2006年西氣東輸管道供氣量99×108m3/年為例進行計算，該管道天然氣可回收的[用][火]相當于一座裝機容量接近7.5×104kW的電站一年的發電量。可見天然氣管網壓力能回收利用的潛力巨大。天然氣高壓管壓力能的回收利用的主要方式是余壓發電和余壓制冷兩大方面，其中余壓發電主要方式有直接膨脹發電、聯合循環發電;而余壓制冷的應用，主要包括：冷庫、LNG調峰、天然氣脫水等。

關鍵詞：燃氣管網;壓力能;利用技術

中圖分類號： TE973 ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2016）33-81-3

0 ?引言

目前，天然氣因其在三大一次能源中污染小（二氧化硫、粉塵的排放接近于零，二氧化碳和氮氧化物的排放量相較于煤炭分別降至40%和50%）、燃燒效率高、經濟性好的特點，使得其在世界能源中的地位日益提高。據統計，2014年全世界天然氣消耗3020.4億噸油當量的天然氣，占世界總能耗的23.73%，天然氣在各國總能耗中占比不斷增加。依據BP統計，2013年，我國消耗145.4億噸油當量的天然氣，占全國總能耗的5.1%，比2012提高0.3%。但與世界天然氣資源消耗平均水平相比，我國仍有較大差距，但也正因如此，我國天然氣的未來發展空間廣闊。2012年制定的《天然氣發展“十二五”規劃》中明確指出在十二五期間要加快天然氣管網建設。

近年來，以京津冀為代表的我國中東部地區冬季霧霾天氣不斷出現，大氣環境污染形勢嚴峻，國內各個地區開始謀劃利用天然氣資源以減少環境污染，天然氣資源的需求急劇上漲。管道天然氣作為天然氣輸運的主要途徑，將在天然氣快速發展過程中率先發展，天然氣管網亦將進入快速發展期。

早在1963年我國就已敷設了第一條天然氣管線：巴縣—重慶天然氣管道。然而2001年開始的西氣東輸管線建設，才從真正意義上拉開了我國天然氣管道大規模建設的序幕。截至2012年底，我國已建天然氣管道約6.2萬km，形成了由西氣東輸系統、陜京線系統、川氣東送系統為骨架的全國性供氣網絡，從而基本形成了我國現在的天然氣供氣格局，干線管網的輸氣能力超過1500×108m3/年。

西一線：干線總長3839km，西起新疆輪南，東止上海市白鶴鎮，輸氣管徑1016 mm，設計輸氣壓力10MPa，設計年輸氣量170×108m3。2003年10 月東段建成投產，2004年12月西段建成投產。

西二線：干線總長4918km，包括1干8支，西北起自新疆霍爾果斯，東南止于廣東廣州，輸氣管徑1219mm，設計輸氣壓力10—12MPa，設計年輸氣量300×108m3。2009年12月干線西段及靖邊聯絡線投產;2012年底全線投產。

圖2 ?西氣東輸二線管網走勢圖

陜京一線：干線總長約846km，西起陜西靖邊首站，東止北京市石景山區衙門口門站，輸氣管徑660mm，設計輸氣壓力6.3MPa，設計年輸氣量30×108m3。1997年建成投產。

陜京二線：干線總長約980km，西起陜西省靖邊首站，東止北京市通州門站，輸氣管徑1016mm，設計輸氣壓力10MPa，設計年輸氣量170×108m3。2005年建成投產。

陜京三線：干線總長約1000km，西起陜西省榆林首站，東止北京昌平區西沙屯門站，輸氣管徑1016mm，設計輸

氣壓力10MPa，設計年輸氣量150×108m3。2010年底建成投產。

川氣東送管道：干線總長約1700km，西起川東北普光首站，東止上海門站，輸氣管徑1016mm，設計輸氣壓力10MPa，設計年輸氣量120×108m3。2010年建成投產。

1 ?管網壓力能利用基本理論分析

天然氣從上游高壓管網到用戶使用的低壓管網，需要經過多級調壓，逐級降壓過程會造成大量的壓力能損失，如果能將這部分壓力能損失回收并加以利用，將有效提高管網運行經濟性，提高能源利用率。

[用][火]是工質（如天然氣）的狀態參數，是其能量中理論上能夠可逆地轉換為功的最大數量，即為該能量中所具有的可用能。因而一定狀態的天然氣的[用][火]是指其具有的最大理論作功能力，可表示為：

ex=cp（T-T0）-T0（cpln-ln） （1-1）

式中：ex——天然氣比[用][火]，kJ/kg;

cp——天然氣定壓比熱容，kJ/（kg？K）;

T——天然氣溫度，K;

T0——環境溫度，K;

R——摩爾氣體常數，一般取8.3145kJ/（kmol·K）;

M——天然氣的摩爾質量，kg/kmol。

p——天然氣壓力，MPa（絕對壓力）;

p0——環境壓力，MPa（絕對壓力）。

就管道天然氣而言，[用][火]受到環境溫度、管網系統壓力等因素的影響，[用][火]值與天然氣管網壓力成正比。

天然氣高壓管網輸氣壓力一般為10MPa，溫度為20℃（293.15K），當通過絕熱膨脹把壓力降低到次高壓管網的0.8MPa，溫度為零下63℃（210.15K）時，通過降壓天然氣能夠提供的[用][火]為：

Δex=cp（T1-T2）-T0（cpln-ln）

Δex=1.93（293.15-210.15）-293.15（1.93ln-ln）=356.63kJ/kg（1-2）

若以2006年西氣東輸管道共計供氣99×108m3/年，為例進行計算，則該管道天然氣可回收的[用][火]為：

Ex=356.63×99×108×0.7174×273.15/293.15

=23600.75×108kJ ? ? ? ? ? ? ? ?（1-3）

這相當于裝機容量接近N=23600.75×108/8760/3600≈7.5×104kW的電站一年的發電量。如果能采用適當的方式對這部分能量損失加以回收利用，可在很大程度上提高能源利用率和天然氣管網運行的經濟性。

2 ?天然氣管網壓力能回收技術分析

隨著我國天然氣需求的快速增長和天然氣管網的建設步伐不斷加快，長距離、大口徑、高壓力、網絡化已經成為我國天然氣輸氣管網的發展趨勢。目前我國部分管網輸氣壓力普遍達到10MPa。若以管網上游輸氣壓力為10MPa，下游用戶端壓力0.8MPa時，可回收的壓力能將為356.63kJ/kg為例，將這部分能量加以回收利用，可以有效減少壓力能損失，實現能源的高效利用。

目前，天然氣管網余壓余能的回收利用主要是余壓發電和余壓制冷兩大方面，其中余壓發電主要方式有直接膨脹發電、聯合循環發電;而余壓制冷的應用，主要包括：冷庫、LNG調峰、天然氣脫水等。

2.1 余壓發電技術的應用

高壓氣體在降壓過程中，因體積不斷膨脹，會釋放出大量的壓力能，若降壓過程在透平膨脹機中進行，則可對外做功，從而帶動發電機發電。目前日本東電公司已利用此原理于2003年初建成一座7700kW的壓差發電站。

利用輸氣管網余壓能發電主要是基于天然氣管網壓力能回收的聯合循環構思。目前國內比較有代表的方案是王松嶺教授提出的：管道天然氣壓力能利用燃氣—蒸氣聯合循環系統，高壓天然氣經過膨脹機膨脹做功后形成低壓低溫天然氣，把低壓低溫天然氣送入進氣冷卻器，在進氣冷卻器中冷卻進入壓氣機的空氣，而后在進氣冷卻器中升溫的天然氣進入凝汽器，進一步吸收蒸汽輪機排氣余熱從而溫度進一步升高，再經過排煙余熱回收器進一步吸熱后天然氣溫度進一步升高，升溫后的天然氣被送入燃燒室與空氣實現混合燃燒，推動燃氣輪機發電。這種系統把天然氣管道余壓充分應用，并與燃氣輪機、蒸汽輪機緊密結合，最大程度實現了系統化用能，有效地提高了能源的綜合利用效率。天然氣管道壓力能回收利用的燃氣—蒸汽聯合循環系統示意如圖3所示。

圖3 ?基于天然氣管網壓力能回收的燃氣

——蒸汽聯合循環系統

2.2 余壓制冷原理及應用

高壓天然氣在降壓過程中因放熱導致溫度降低，氣體體積膨脹后產生的低溫流體中蘊含著巨大的冷量，因而可以利用高壓天然氣的調壓過程的壓力能進行制冷，這就是利用天然氣余壓制冷的原理。

利用高壓天然氣壓力能實現燃氣調峰一直是天然氣壓力能利用的重點研究方向，高壓管道天然氣經過膨脹機做功后變成低溫低壓天然氣，將這部分低溫冷能用于天然氣液化，將生成的LNG輸入儲罐，用于用氣高峰時調峰使用。天然氣管道壓力能用于天然氣液化流程示意如圖4所示。

圖4 ?天然氣膨脹機液化流程示意圖

總體而言，目前天然氣管網壓力能利用在較大層面上仍處于理論研究階段，實際的工程應用仍不多見。

3 ?天然氣管網壓力能利用的現實意義

雖然，天然氣輸氣管網中所蘊含的巨大的余壓能資源，可以廣泛應用于發電、制冷、調壓儲氣、生產LNG等諸多方面，但因天然氣輸氣過程中需經過多級調壓，且調壓站布局比較分散，因此也給天然氣余壓能的實際利用帶來了困難。

如果天然氣運營企業能就近取材，在天然氣調壓站設置余壓發電裝置，利用調壓站的調壓前后氣體的壓力差來進行發電，則可提供場站內部所需的照明、冬季供熱和遠程監控等電力，解決調壓場站內現實問題，則具有以下現實意義。

①每1kWh的發電量，相當于燃燒0.35kg標準煤，照此推算，每小時將產生0.785kg二氧化碳的排放。若利用高壓管網天然氣余壓余能發電，可以有效減少碳排放，有利于節能環保。

②從長遠來看，利用余壓能進行發電可降低天然氣企業的運營成本，帶動天然氣企業的升級，有效解決了偏遠場站電力需求的問題。

4 ?結論

隨著我國能源結構的不斷調整，天然氣管線的不斷建成通氣，天然氣事業正面臨前所未有的發展機遇的同時。然而蘊含在天然氣管網中的巨大壓力能往往被人忽視。通過本文[用][火]的分析可知，若能將管網壓力能加以回收，用于發電和制冷，將極具發展潛力。

參 考 文 獻

[1] 發展改革委、能源局組織.天然氣發展“十二五”規劃[[J].2012，3383.

[2] 發展改革委、能源局組織.重點區域大氣污染防治“十二五”規劃[J].2012，146.

[3] 中國能源.日本利用天然氣壓差發電[J].中國能源，2002，11：45.

[4] 王松嶺，論立勇，謝英柏，等.基于天然氣管網壓力能回收的聯合循環構思[J].熱能動力工程，2005，20（6）：628-631.

[5] 倫立勇，謝英柏，楊先亮.基于管輸天然氣壓力能回收的液化調峰方案[J].天然氣T業，2006，26（7）：114-116.