天然氣余壓利用技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀

楊會豐 梁海鋒 王林平 覃川

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室；3.長慶油田分公司質(zhì)量管理與節(jié)能處）

天然氣余壓利用技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀

楊會豐1，2梁海鋒3王林平1，2覃川1，2

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室；3.長慶油田分公司質(zhì)量管理與節(jié)能處）

我國在區(qū)域性天然氣管網(wǎng)建設(shè)方面已較為完善，天然氣經(jīng)長輸管道供給用戶使用之前須經(jīng)各地的調(diào)壓站降壓，達到國家規(guī)定的壓力標準后方可使用。目前普遍采用的降壓方式為節(jié)流降壓，此過程會產(chǎn)生較大的能量損失，若將此部分壓力能利用起來會帶來可觀的經(jīng)濟效益。通過分析天然氣余壓利用在余壓發(fā)電、余壓制冷和余壓發(fā)電-制冷結(jié)合上應(yīng)用的原理，介紹了這些工藝的新技術(shù)和新流程以及在現(xiàn)場應(yīng)用的實例，并指出了這些技術(shù)存在的主要問題和日后的研究方向，為研究者們在該領(lǐng)域進行更為廣泛和深入的研究提供現(xiàn)實依據(jù)。

天然氣；余壓發(fā)電；余壓制冷；余壓發(fā)電-制冷結(jié)合

1 現(xiàn)狀

天然氣余壓利用主要包括余壓發(fā)電技術(shù)、余壓制冷技術(shù)和發(fā)電-制冷技術(shù)。目前，對于該課題的研究工作已相繼開展。2011年，Clifford Howard等[1]設(shè)計了一種透平膨脹機燃料電池系統(tǒng)，天然氣流過透平膨脹機發(fā)電之前，先利用熔融碳酸鹽燃料電池來對天然氣進行預(yù)熱。并以一個小型減壓站為例，對其中的透平膨脹機燃料電池系統(tǒng)的運行情況進行仿真模擬，經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，得出透平膨脹機的尺寸對系統(tǒng)整體效果影響最大；2012年，Sepehr Sanaye等[2]針對天然氣門站中膨脹閥降壓過程造的大量能量損耗，使用了一種包含膨脹機、天然氣發(fā)電機、加熱爐、泵和預(yù)熱器的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并且提出了選擇所需的天然氣發(fā)電機/加熱爐數(shù)量、確定它們標稱功率/加熱容量和膨脹效率的新方法；2016年，符仁義等[3]對天然氣壓力能制干冰技術(shù)進行研究，并在制干冰的同時進行發(fā)電上網(wǎng)或自用，實現(xiàn)經(jīng)濟利益最大化。研究者們對余壓利用技術(shù)進行了深入的研究，但尚無一個完整的體系對該項技術(shù)進行系統(tǒng)闡釋。因此，有必要理清余壓利用技術(shù)研究的發(fā)展脈絡(luò)，并歸納其常用工藝和方法，以啟示科技工作者在該領(lǐng)域進行更為廣泛和深入的研究。

2 天然氣余壓發(fā)電

目前，天然氣余壓發(fā)電主要包括直接驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電工藝、保持氣流穩(wěn)定的發(fā)電工藝、保持溫度穩(wěn)定的發(fā)電工藝、微小規(guī)模發(fā)電工藝和管道內(nèi)置發(fā)電工藝，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的不同所采取的發(fā)電工藝也不同。

2.1 保持氣流穩(wěn)定的發(fā)電工藝

為了滿足透平膨脹機和下游用戶用氣波動的需求，研究者們采用高壓和低壓儲氣罐，設(shè)計了保持氣流穩(wěn)定的發(fā)電工藝。來自輸氣干線的高壓天然氣經(jīng)過高壓儲氣罐，高壓儲氣罐起到緩沖作用，之后進入透平膨脹機，膨脹降壓體積增大完成發(fā)電過程。在出口端，低壓天然氣經(jīng)過低壓儲氣罐后進入下游管道，輸往各個用戶。

天津大學(xué)姚勝[4]對保持氣流穩(wěn)定的余壓發(fā)電系統(tǒng)進行模擬計算與實驗研究，確定余壓發(fā)電系統(tǒng)螺桿膨脹機在2500 r/min運行時效率最高，單位質(zhì)量輸出功率為52 kW/kg，其有效效率可達到57%，取膨脹機的機械效率為95%，根據(jù)測量功率值，利用Aspen Plus軟件反推得到的空氣進出口的實際溫降為56℃，系統(tǒng)埇效率為51%。

2.2 保持溫度穩(wěn)定的發(fā)電工藝

對于天然氣管道，當天然氣溫度低于-20℃后，相關(guān)設(shè)計、建設(shè)標準等都應(yīng)進行調(diào)整，因此需提高膨脹后的天然氣溫度以保持溫度穩(wěn)定。目前該工藝較為流行的方案為熱電聯(lián)產(chǎn)工藝，利用空氣源熱泵通過工質(zhì)將空氣中的低溫熱能吸收進來，工質(zhì)經(jīng)過壓縮機壓縮后將低溫熱能轉(zhuǎn)化為高溫熱能，加熱水溫，其中熱泵采用回熱式循環(huán)，即自冷凝器出來的工質(zhì)，首先進入回熱器升溫到高溫熱源的溫度，接著進入壓縮機壓縮，再進入冷凝器放熱，隨后進入回熱器進一步降溫，然后工質(zhì)再進入節(jié)流閥實現(xiàn)膨脹過程，最后進入蒸發(fā)器吸熱，完成循環(huán)。

華南理工大學(xué)的呂達[5]采用天然氣直接膨脹法發(fā)電，同時利用相關(guān)的熱泵技術(shù)，提出了1套將管網(wǎng)壓力能用于熱電聯(lián)產(chǎn)的工藝方案。并以國內(nèi)北方某門站為研究對象，利用化工模擬軟件對方案進行模擬分析，得出15×104m3/h（標氣）的天然氣由4 MPa降低至1.6 MPa時，發(fā)電功率為2580 kW，產(chǎn)熱水量為31 t/h。

2.3 管道內(nèi)置發(fā)電工藝

部分天然氣場站和燃氣管道處于偏遠地區(qū)和無人值守狀態(tài)，導(dǎo)致了燃氣管網(wǎng)智能化建設(shè)的困難。若牽拉市電或采用鋰電池供電成本過高，太陽能供電方式受氣候和光照等因素影響，無法保證連續(xù)穩(wěn)定供電。為了解決以上問題，提出了1套管道內(nèi)置發(fā)電方案，在直接驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電流程的基礎(chǔ)上增加了限流孔板、電磁閥和流體馬達，促進了智能化管網(wǎng)的建設(shè)（圖1）。

張輝等[6]利用壓縮空氣，采用實驗和數(shù)據(jù)分析來測試某燃氣管網(wǎng)中管道內(nèi)置發(fā)電工藝在現(xiàn)場的適用性，測試結(jié)果表明，此裝置在現(xiàn)場工況下可完成1 W以上功率的電力輸出，滿足調(diào)壓站內(nèi)常用儀表工作功率要求。

圖1 管道內(nèi)置發(fā)電裝置工藝流程

3 天然氣余壓制冷

高壓天然氣在經(jīng)調(diào)壓站降壓時會放熱，導(dǎo)致溫度降低，產(chǎn)生的低溫氣體蘊含著巨大的冷能，若將此部分冷能回收并加以合理利用可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和社會效益。目前天然氣余壓制冷主要應(yīng)用于燃氣調(diào)峰、冷庫制冷、天然氣液化及其它一些領(lǐng)域，節(jié)能效果顯著。

3.1 燃氣調(diào)峰工藝

在城市燃氣輸配系統(tǒng)中，為確保燃氣均勻、穩(wěn)定地輸送到各個用戶，須進行燃氣調(diào)峰作業(yè)。經(jīng)過比較，水合物調(diào)峰和LNG調(diào)峰技術(shù)的冷能均可取自管網(wǎng)調(diào)壓過程，技術(shù)經(jīng)濟性較好。

水合物調(diào)峰工藝主要利用膨脹制冷機組將回收的管網(wǎng)壓力能用于制備天然氣水合物，在城市管網(wǎng)用氣低谷時，將剩余的天然氣制備為天然氣水合物，在用氣高峰時，將天然氣水合物釋放，進入天然氣管網(wǎng)，達到燃氣調(diào)峰的目的。

陳秋雄等[7]設(shè)計了包括管網(wǎng)壓力能制冷、天然氣水合物制備、天然氣水合物儲氣、調(diào)峰及冷媒循環(huán)4部分的水合物調(diào)峰工藝，工藝流程見圖2，并對這一整套流程進行仿真模擬。

模擬結(jié)果顯示，在用氣低谷時段，天然氣的用氣量為高峰時段用氣量的30%，剩余的天然氣利用壓力能制冷的冷量合成天然氣水合物并儲存，以供用氣高峰時調(diào)峰使用。當冷量利用效率為85%時，平均全天壓力能產(chǎn)生冷量約為3.15×106W，可合成水合物14 850 kg，儲存天然氣1875 kg，基本滿足調(diào)峰需要。

3.2 冷庫工藝

冷庫溫度通常在-20～-30℃左右，可用于冷卻和凍結(jié)食品。目前冷庫多采用多級電壓縮制冷裝置，用電負荷較大，如果利用天然氣余壓制冷工藝代替電力制冷，則可以減少制冷系統(tǒng)的投資，帶來較大的經(jīng)濟效益。

羅東曉[8]通過技術(shù)工藝路線比較，選擇氣波制冷機作為壓力能/冷能轉(zhuǎn)換設(shè)備，設(shè)計了1套將天然氣余壓制冷運用于冷庫的工藝。以某城市的一個天然氣調(diào)壓站為例，該調(diào)壓站天然氣處理量為100×104m3/d，進站壓力為5.0 MPa，出站壓力為0.4 MPa，按照該調(diào)壓站的壓比及天然氣處理量規(guī)模，運用該工藝所回收的全部冷能可配套建設(shè)1座4000 m2規(guī)模的中型冷庫。

3.3 天然氣液化工藝

近年來，隨著國際LNG價格的上漲，我國對LNG的進口受到了限制，因此國內(nèi)正自主大力發(fā)展天然氣液化產(chǎn)業(yè)，將天然氣管網(wǎng)調(diào)壓過程所產(chǎn)生的冷能加以利用并用它來液化天然氣，可節(jié)約大量成本，具有很大的應(yīng)用前景。

圖2 水合物調(diào)峰工藝流程

國內(nèi)天然氣液化制冷主要采用膨脹制冷液化工藝，高俊[9]采用透平膨脹機作為壓力能回收設(shè)備，設(shè)計了壓差液化天然氣工藝，主要包括：預(yù)冷冷劑循環(huán)：冷劑經(jīng)壓縮機壓縮至高壓并逐級冷卻，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓降溫返回換熱器，為預(yù)冷提供冷量，最后返回冷劑壓縮機，完成預(yù)冷循環(huán)；天然氣膨脹制冷支路：一部分物流經(jīng)冷劑循環(huán)預(yù)冷后進入膨脹機，降壓、降溫后返回換熱器為液化流股天然氣提供冷量，最后經(jīng)膨脹機壓縮端增壓后進入天然氣管網(wǎng)；天然氣液化支路：一部分物流經(jīng)膨脹機增壓后進入換熱器預(yù)冷，通過膨脹機降溫后進行重烴分離。液相去凝液回收處理裝置，氣相去換熱器進一步液化并節(jié)流降壓至儲存壓力，最后進行LNG和BOG分離。

以西氣東輸管道公司的某天然氣分輸站為例，該站進站壓力為7.0 MPa，溫度為298 K，流量為100×104m3/d（標況），外輸壓力為2.5 MPa。通過模擬計算可得該分輸站采用該液化流程后，LNG產(chǎn)量可達5759 kg/h，年均利潤總額為0.717億元，具有較高的經(jīng)濟效益。

4 天然氣余壓發(fā)電-制冷

國內(nèi)外天然氣余壓利用主要分為發(fā)電和制冷兩大類，有研究者提出將二者結(jié)合，即在余壓發(fā)電的同時進行制冷，以達到對所回收的天然氣壓力能高效利用的目的。余壓發(fā)電-制冷工藝主要包括發(fā)電-制冰工藝和發(fā)電CNG加壓工藝。

4.1 制冰工藝

陸涵[10]對深圳求雨嶺門站高壓管網(wǎng)余壓發(fā)電-制冰項目進行了研究，其是我國首個天然氣壓力能利用項目，該工藝主要包括4個系統(tǒng)：

1）天然氣調(diào)壓發(fā)電系統(tǒng)。來自輸氣干線的高壓天然氣經(jīng)節(jié)流降壓后，經(jīng)透平膨脹機膨脹降壓體積增大，對外做功發(fā)電，溫度和壓力均大幅下降，在與循環(huán)冷媒換熱，溫度升高至用戶允許的安全溫度后，輸入下游天然氣管網(wǎng)。

2）電壓縮冷媒循環(huán)系統(tǒng)。氣態(tài)的冷媒R404A分兩路，分別經(jīng)過壓縮和換熱至所需溫度和壓力后混合，并與鹽水換熱，溫度升高，進入下一個冷媒循環(huán)周期。

3）循環(huán)水系統(tǒng)。冷水與壓縮后的的冷媒R404A換熱升溫，并進入下一循環(huán)周期。

4）制冰系統(tǒng)。制冰機內(nèi)的水在低溫冷媒的作用下，凝結(jié)成冰，運往用戶。

該項目取制冰系統(tǒng)的制冷系數(shù)COP為2，經(jīng)計算制冷劑從低溫天然氣回收冷量相當于節(jié)電141 kW，對該項目進行技術(shù)經(jīng)濟分析，該項目投資財務(wù)凈現(xiàn)值為25.99萬元，投資回收期為7.42年，均好于行業(yè)基準值，該投資項目具備財務(wù)可行性。

4.2 CNG加壓工藝

張輝[11]指出，CNG加氣母站一般距離高壓天然氣管網(wǎng)較近，因此，在高壓調(diào)壓站內(nèi)可使用發(fā)電-CNG加壓工藝，采用該工藝可提高能源利用率并可降低制取CNG的運營成本。

天然氣余壓-CNG加壓工藝為天然氣經(jīng)過膨脹機發(fā)電，將所發(fā)電能供給壓縮機加壓，達到制備CNG的目的。主要包括3個系統(tǒng)：

1）天然氣發(fā)電系統(tǒng)。天然氣經(jīng)過膨脹機膨脹發(fā)電后，溫度和壓力降低，經(jīng)換熱后進入下游城市燃氣管網(wǎng)，膨脹機所發(fā)出的電能為天然氣加壓系統(tǒng)提供電能。

2）天然氣加壓系統(tǒng)。在加壓系統(tǒng)中，天然氣經(jīng)壓縮機增壓至25 MPa后，進入換熱器與低溫天然氣換熱，待溫度降低至規(guī)定溫度后，進入CNG管道、罐或槽車。

3）制冷劑系統(tǒng)。高溫制冷劑進入換熱器與低溫天然氣換熱后，溫度降低將冷量傳遞給需要用冷的用戶后返回，完成循環(huán)。該工藝適用于大型調(diào)壓站，且附近配備有已建成或?qū)⒔ㄔO(shè)的CNG加氣母站。

5 結(jié)論

天然氣余壓利用工藝可在降低設(shè)備投資的同時獲得較大的經(jīng)濟收益，具有良好的發(fā)展前景。

1）該技術(shù)促進了天然氣節(jié)能技術(shù)發(fā)展，降低企業(yè)的運行成本，帶動企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展，解決了天然氣井場的電力需求問題。

2）天然氣余壓利用技術(shù)提高了設(shè)備運營安全性，天然氣經(jīng)過節(jié)流閥時，產(chǎn)生的急劇降溫將會對設(shè)備和管道造成危害，影響設(shè)備運行安全，通過透平膨脹機發(fā)電和冷能利用，將余壓余能、冷能回收利用，這將使管道輸送更為安全可靠。

[1]Howard C Oosthuizen P，Peppley B.An investigation of the performance of a hybrid turboexpander-fuel cell system for power recovery at natural gas pressure reduction stations[J].Applied Thermal Engineering ，2011，31（13）：2165-2170.

[2]Sanaye S，Nasab A M.Modeling and optimizing a CHP system for natural gas pressure reduction plant[J].Energy，2012，40（1）：358-369.

[3]符仁義，丁際昭，彭云輝，等.天然氣壓力能發(fā)電制干冰的技術(shù)研究[J].廣東化工，2016，43（13）：59-60.

[4]姚勝.余壓發(fā)電系統(tǒng)的模擬計算與實驗研究[D].天津：天津大學(xué)，2014.

[5]李靜靜.城市門站天然氣調(diào)壓過程中冷能的回收及應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2011.

[6]王碩.北京市天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電技術(shù)方案研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2015.

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[9]羅東曉.回收高壓管輸氣壓力能用于冷庫的技術(shù)[J].城市燃氣，2010，9（4）：3-5.

[10]陸涵.燃氣管道壓力能用于發(fā)電—制冰系統(tǒng)的優(yōu)化[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[11]張輝.天然氣管網(wǎng)壓力能集成利用工藝研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.11.006

楊會豐，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），從事油氣田節(jié)能工作，E-mail：yanghf_cq@petrochina.com.cn，地址：陜西省西安市未央?yún)^(qū)明光路長慶油田油氣工藝研究院，710021。

2017-09-07

（編輯 沙力妮）

新疆石西油田