天然氣減壓能發電技術的研究

敖曼+++李剛

摘 要：城鎮燃氣公司所接收的高壓天然氣，經過減壓后送入城鎮燃氣管網。目前我國天然氣門站的工藝均無法利用天然氣的壓力能，因此，大量的能源被白白損失。天然氣壓力能發電技術，可將壓力能轉化為電能，具有巨大的經濟效益。

關鍵詞：天然氣減壓能；發電；研究

1 城鎮天然氣門站工藝

城鎮燃氣公司銷售經營天然氣，通常是由上游大型能源企業通過長輸管道供應的。為了長距離輸送氣體，天然氣在埋地管道中的運行壓力往往高達4.0-6.0MPa以上。以西氣東輸為例，國內段埋地管道經過十幾個省市，國內主線長度超過四千公里，主線設計壓力為10MPa。而城鎮燃氣用戶，使用的天然氣只有幾千帕，例如：居民用戶的灶臺燃氣壓力只有2kPa。高壓天然氣通過上游能源企業的埋地管道，首先進入城鎮燃氣公司的天然氣門站。天然氣門站的主要工藝由過濾、計量、調壓、加嗅、分輸幾部分組成。過濾是將高壓天然氣通過長途輸送過程中攜帶的雜質去除；計量是為了與上游能源企業貿易結算設置的；調壓是將高壓天然氣的壓力降低；加嗅是防止天然氣泄露用戶無法查別；最后的天然氣經過分輸，送入城鎮管網。城鎮燃氣天然氣門站的調壓工藝，并不是一次性地將來自上游來的高壓天然氣調壓至最終用戶使用的低壓力。通常，門站將來自上游的4.0-6.0MPa的高壓天然氣調壓之0.8-1.6MPa次高壓進行分輸。次高壓天然氣再通過城鎮內的各級調壓站調壓，最終調至低壓力級別0.01MPa以下，到用戶的燃燒器進行燃燒。

2 能源的損失問題

上游大型能源企業在天然氣輸送首站，將從LNG接收站氣化或是油井開采出來經過預處理的天然氣用大型天然氣壓縮機加壓至6.0-10.0MPa后，通過管線把燃氣輸送到城鎮天然氣門站。而在天然氣加壓過程中，需要消耗的大量的電能。同時，天然氣在長埋地管道的輸送過程中，其壓力能也會有所消耗，所以在輸送途中建有天然氣加壓站。由此可見，大型能源企業為輸送天然氣，消耗了大量的電能。

而從城鎮天然氣門站工藝中可以看到，來至上游大型能源企業的4.0-6.0MPa的高壓天然氣，最終調到0.01MPa以下進行燃燒。這一過程中，天然氣的壓力降高達400倍以上。以目前的燃氣供應工藝，這些大量的天然氣減壓能，被白白的浪費掉了。

近年來，我國大力推動能源結構調整，鼓勵以科技創新、技術改造等各種方式方法來建設節約型社會。如果將門站接受的高壓天然氣中所蘊藏的大量壓力能回收利用，這將為城鎮燃氣供應企業帶來大量的經濟效益。既響應了國家要建設節約型社會的號召，又能為企業運行節約大量的資本金。因此，回收天然氣壓力能是一個即有創新意義、又有實際需要的課題。

3 天然氣壓力能的回收的可行性

一些發達國家已經開始意識到，長輸天然氣壓力能的可利用性。而我們的鄰國資源匱乏的日本，早在2003年，就已經實驗性的簡稱了一座天然氣壓力能回收電站，其發電能力為7700kW，因投資較大，其經濟效益一般。美國和加拿大都是天然氣使用大國，因此，兩國對天然氣減壓能的回收技術尤為重視。美國在90年代天然氣減壓能發電技術就已經開始進行實驗性的應用。2008年，加拿大多倫多天然氣門站建設的天然氣壓力能回收裝置，其發電功率為2 200kW。

4 天然氣減壓能發電原理

4.1 減壓發電系統工藝流程

天然氣減壓是一個降溫過程，首先，高壓天然氣要首先經過預熱。然后，高壓天然氣進入透平膨脹機，這是一個降溫降壓的過程。高壓天然氣通過透平膨脹機，將其內能轉化為機械能。而后，由透平膨脹機速出的機械能在通過發電機轉化為電能。而降壓后的天然氣，可以分輸進入城鎮管網。

4.2 透平膨脹機的工作原理

高壓天然氣進入透平膨脹機，通過其導流器的噴嘴后高速噴出，推動葉輪轉動。而進入葉輪的高壓天然氣繼續迅速減壓膨脹，膨脹做功又再一次推動葉輪轉動。隨著高壓天然氣的不斷進入，膨脹機葉輪飛速運轉，由此，高壓天然氣所蘊含的大量內能轉化為膨脹機的機械能。

5 天然氣減壓能回收計算

某一大型城鎮燃氣公司，每小時供應天然氣量為200000m3，門站從上游接著天然氣的到站壓力為4.0MPa，天然氣減壓至0.8MPa后送入城鎮次高壓管網。

以此燃氣公司為例，計算一下一年通過天然氣加壓能回收發電，可以節約多少電能。

天然氣減壓過程是一個吸熱過程，因此，天然氣減壓時，氣體溫度會降低。為了保證下游管網運行安全，通常燃氣在進入埋地管網，應保證其溫度大于10℃。在城鎮燃氣運行過程中，門站內天然氣減壓前預熱也是一項重要工況。

5.1 進口溫度計算

天然氣的減壓過程可以簡化視為理想氣體（甲烷CH4）的絕熱恒外壓膨脹，其減壓過程如下：

W=-Pex△V

=-Pex （V2-V1）

=-Pex（nRT2/P2-nRT1/P1）

W=△U=nCv，m（T2-T1）

r=Cp，m/Cv，m

Cp，m-Cv，m=R

r=Cp，m/Cv，m

由上述五式得：

T1=T2[■]

P1：甲烷減壓前的壓力，4.0MPa。

Pex：甲烷減壓時對抗恒外壓力，0.8MPa。

P2：甲烷減壓后壓力，0.8MPa。

T2：甲烷減壓后溫度，283K（10℃）。

r：甲烷的絕熱系數，值為1.314。

n：1mol。

Cp，m：甲烷定壓摩爾熱容。

Cv，m：甲烷定容摩爾熱容。

W：功。

△U：甲烷熱力學能。

通過計算得：T1=350K（77℃）。

5.2 單位體積天然氣絕熱焓降絕熱焓降的計算

△Hi=nCp，m×T1×[1-（P2/P1）（r-1）/r]

Cp，m：甲烷摩爾等壓比熱2.2kJ/kgK

T1：天然氣入口溫度350K（77℃）。

P1：甲烷減壓前的壓力，4.0MPa。

P2：甲烷減壓后壓力，0.8MPa。

r：甲烷的絕熱系數，值為1.314。

n：1mol。

△Hi=246.4kJ/kg

天然氣密度為0.75kg/m3，因此，單位體積的△Hi=184.8 kJ/m3。

5.3 透平膨脹發電計算

內能轉化為機械能，再轉化為電能的過程，如下：

L=G△HiηTηg

L：每小時透平發電機能力（kJ/h）。

G：天然氣質量流量200000m3/h。

△Hi：單位體積天然氣絕熱焓降kJ/m3。

ηT：透平機效率，取0.8。

ηg：發電機效率，取0.9。

通過將數據帶入上述公方，L=26611200kJ/h=7392kW/h。

即每小時可以發電7392度，每年約64000000度，按0.3元每度計算，每年可節約資金1900萬元。

6 結束語

結合城鎮燃氣公司天然氣減壓工藝以及參考國外先進經驗，可得出利用天然氣減壓能發電是可行的。通過實例，可得出減壓能回收具有巨大的經濟效益。因此，天然氣減壓能發電，具有深刻的經濟意義和社會意義。