管道余壓利用技術研究綜述

王世明 龔芳芳 董超 李澤宇

摘? 要：為了對目前管道余壓利用技術進行探究，通過查閱國內外相關領域文獻以及余壓利用現場參數資料，對余壓發電技術的研究現狀進行了總結，并通過不同應用案例的綜合性對比分析，提出目前余壓利用技術存在的問題，并在發展潛力和趨勢方面進行了展望。研究表明：企業高爐TRT設備的管理水平有限、余壓發電系統傳動損失以及利用技術的單一化是限制目前余壓利用產業的主要因素，未來余壓發電將成為節能減排的重要手段。

關鍵詞：余壓發電;管道;新能源;節能減排

中圖分類號：TM619? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）11-0161-04

Abstract： In order to explore the current pipeline residual pressure utilization technology， the research status of residual pressure power generation technology is summarized by consulting the relevant literature at home and abroad and the field parameter data of residual pressure utilization. Through the comprehensive comparative analysis of different application cases， the existing problems of residual pressure utilization technology are put forward， and the development potential and trend are prospected. The research shows that the limited management level of blast furnace TRT equipment， the transmission loss of residual pressure power generation system and the simplification of utilization technology are the main factors limiting the current residual pressure utilization industry， and residual pressure power generation will become an important means of energy saving and emission reduction in the future.

Keywords： residual pressure power generation; pipeline; new energy; energy saving and emission reduction

引言

化石能源消耗帶來的環境污染、能源危機等問題日益顯著，能源是制約國家工業、科技、經濟發展的重要因素之一。人民生活水平的進步也致使了資源損耗的增加，目前資源損耗正在消減，生活的環境正在惡化。發展風能、太陽能、地熱能、生物質能、余壓余熱等可再生能源利用技術將成為提高能源利用效率的重要措施。

在目前的工業、鋼鐵、冶金、化工等行業中，生產過程中經常產生大量的冗余壓力能，由于傳統節流降壓方法為直接排放，未加利用，從而造成剩余壓力能量的浪費，蒸汽在降溫降壓時，會損耗大量的蒸汽壓力和溫差，造成資源的極大浪費[1]。

管道余壓利用技術是在工業過程中對高壓能量進行回收和利用的技術[2]。高壓能量通過透平機做功，驅動發電機進行發電，既可供管道井口本身使用，也可與市級電網連接。該技術既高效又節能，節省開支，也不會對環境造成任何形式的污染[3-4]。“十三五“節能減排綜合工作計劃明確指出，管道余壓利用技術的應用是未來節能減排領域的重要舉措。因此，研究管道余壓利用技術在這一社會環境中的應用已成為必然趨勢[5]。

本文對管道余壓發電的國內外研究現狀進行了總結，并介紹了相關技術原理，指出目前研究中存在的問題，提出下一步余壓發電領域的發展趨勢。

1 管道余壓發電研究現狀

1.1 國外研究現狀

1969年，蘇聯初次成功實驗了余壓發電。日本川崎鋼鐵公司已經在21座高爐上安置了這類發電機，每個月能產生1.2億度的發電量。據析，鋼鐵廠的高爐在完全安裝了頂壓發電機后，可提供該廠5%的電力消耗。

2003年頭，日本東京電力公司動手制作一座天然氣壓能發電站，該電站采用高壓天然氣在減壓工程中的膨脹過程發電，設計發電能力為7700kW，是世界上為數不多的天然氣發電站[6]之一。美國已研制出多級膨脹式機械能設備，并已申請專利。圖1為此多級膨脹機械能裝備的流程圖。

日本最近幾年提出了操縱現存可用水路的“微水電“發電的遍及線路，道理是在已有的輸水管道上安置微水電裝配，對管路中的過剩水壓力能舉行收受接管操縱。采取的具體方法是：搜集水力數據并做成數值計算模型;經由過程計算討論微水力發電的可能性;將模型一般化的模型尋找適合于輸水道設置微水力發電城市，探討和解決規劃建設時應注意的問題。

2008年，美國羅崗市利用沿峽谷鋪設的8350m的管道，用小型的水輪機來替換減壓閥，不但可以起到減壓作用，還可以將多余的壓能轉化為可用電能[8]。除此之外，英國將在倫敦的天然氣輸氣管網上安設了與生物燃料結合的發電量為20MW的機組。美國蘭斯能源有限公司依據螺桿膨脹機技術發明了壓降的燃氣發電裝置，該技術與傳統渦輪相比膨脹機可靠、穩定、耐用、投資少、維護費用低，對各種工況適應性強，并隨著液體體積的增加，膨脹機間隙降低，泄漏減少，絕熱效率提高。

1.2 國內研究現狀

19世紀60年代、70年代，四川石油勘察規劃設計院[9]曾展開天然氣壓能發電機研制事情，并取得了功效。他們研發的裝置在天然氣進口壓力4MPa，出口壓力2MPa，日通過氣量7至10萬m3時，可發出3.5kW的電能。發電效果相當于一臺TQ-4-1/230型汽油發電機。發出的電能可供給本井或集氣站用于生產及生活照明等[10]。但該裝置受當時技術的限制，裝置存在發電電壓不穩，密封易壞等問題[11]。

1987年，四川石油管理局川南礦區科研所研發了井口天然氣壓降膨脹發電機[12]。此發電機透平系統采用沖動式復速結構，調速系統由液壓調速器和調節轉閥組成，密封系統由機械凈化器、密封環和冷卻油泵組成[13]，此裝置改善、優化了之前余壓發電系統中電壓不穩、密封易壞等問題。

2005年，王松嶺等人提出了天然氣管網壓力能回收的燃氣-蒸汽聯合循環的觀點，如圖2所示，此循環系統經由過程收受接管天然氣輸送管網壓力能、天然氣降壓冷能和天然氣燃燒熱能進步能源的綜合利用率[14]。

2012年，林牧等人提出采用氣液旋流膨脹機的井口天然氣余壓發電系統[15]。如圖3所示，該系統的發電單元為一臺氣液旋流膨脹機與一臺發電機通過將多個發電單元串、并聯混合排布的方式，靈活調整發電系統壓能利用效率，提高天然氣壓力能的利用率。

2013年，刁安娜等學者提出利用螺桿膨脹機將高壓天然氣的壓差能轉化為機械能進行發電的天然氣壓差發電方案[16]。裝置的核心部件使用螺桿膨脹機，能夠很好地解決氣流帶液的問題，對各種工況的適應性較強。裝置最高轉速為相同氣量的透平膨脹機的1/8至1/10，轉速較低，裝置運行可靠。

2015年，胡睿等提出了一種天然氣壓力發電裝置[18]。如圖4所示，該裝置將轉軸沿著管體軸向方向放置，且可在管體內部轉動，磁鐵套接固定在轉軸上，葉輪套接固定在轉軸上，導電線圈安裝在磁鐵周徑的管體的外壁上，導電線圈的兩端部連接有電纜。此裝置將天然氣膨脹機與發電機結合起來，不僅可以縮小系統的體積，而且節約成本。

國內關于井口天然氣余壓發電技術的研究發展迅速，相關專利越來越多，具有代表性的還有：（1）一種低壓氮氣余壓發電系統（CN201820101041）;（2）一種輪回水余壓發電裝置（CN201810319032）;（3）天然氣余壓與燃氣輪機耦合聯供體系、管網體系及方式（CN201810210008）;（4）一種輸油管道自激勵余壓發電裝配（CN201721863031）;（5）輪回水冷卻塔專用余壓發電機組（CN201720681449）;（6）一種TRT余壓發電保高爐頂壓安全控制裝置（CN201610753872）;（7）一種基于單螺桿膨脹機的天然氣輸送管線余壓發電系統（CN201520711201）;（8）一種新型高壓液體余壓發電體系（CN201420447159）等。

國內外學者對管道余壓發電的研究過程不僅表明了管道余壓發電方案的可行性，而且根據數據表明管道余壓發電技術是一種綠色環保技術，它通過循環利用中產生的高壓能量來產生電能，全過程零排放、零污染。從長遠來看，余壓發電技術的規模、潛力和市場需求將保持穩定增長，余壓發電技術將成為一種更具有價值的新技術。

2 余壓發電原理

2.1 余壓發電基本原理

管道余壓發電系統采用超壓流體介質在膨脹機中進行絕熱膨脹，內部能量減少而外部發電機由膨脹機驅動，將能量轉化為電能，回收利用。過程當中，能量轉化效力和發電性能受體積介質參數、膨脹機性能、潤滑油體系等多種因素的影響。

如圖5所示，余壓發電體系根據高壓氣體降壓膨脹降壓轉化氣體的流動功轉換為機械能的原理，實現回收余壓能并將其轉化為電能，余壓流體介質經儲氣罐進入膨脹機降壓降溫，降壓降溫過程中，利用膨脹機把余壓能轉換成機械能，然后經由發電機轉換為電能，剩余氣體在儲氣罐穩壓處置后供后續工藝利用或直接排放[20]。

余壓流體介質在膨脹機中時，其熱力過程會使氣體溫度下降[20]。為解決低溫對裝備的影

響，通常采取如下兩種解決措施：

（1）在降壓前操縱電加熱器、內燃機余熱和其他可用余熱等預加熱。

（2）設計耐低溫膨脹機，保留氣體冷能。這樣可以利用降壓后的復熱過程，充分利用壓能、冷能實現發電。

2.2 余壓發電實例/余壓利用技術

（1）TRT高爐煤氣余壓發電技術

圖6是高爐煤氣爐頂余壓透平發電系統（TRT），此系統利用高爐爐頂壓力能和熱能，利用透平膨脹進行二次能量收裝置和驅動發電機發電，煤氣是高爐冶煉的副產品[21]。也就是說，高爐煤氣的殘存壓力經由過程燃氣輪機系統轉化為機械能，最后將機械能轉化為電能，能量通過發電機組;TRT體系與減壓閥組并聯（已安置了高爐），即高爐煤氣主動調節，通過透平靜葉控制，TRT后將氣體從煤氣主網絡中取出，當渦輪封閉或空載工作時，操縱減壓閥組控制爐頂壓力。TRT裝置由透平主機、大型閥門系統、潤滑油系統、液壓伺服系統、排水系統、氮氣密封系統、高＼低發配電系統、自動控制系統八大系統部分組成[21]。

（2）天然氣余壓發電系統

天然氣降壓系統主要由膨脹機、發電機、熱換器、穩壓閥等部件組成，系統主要布置在高壓管線與低壓管線之間[22]。機械能的來源是膨脹機轉換余壓能發生的，機械能再傳遞給發電機轉換成電能。設備可能會需要配備燃料電池，防止因膨脹機內溫度驟降造成霜凍損壞設備。穩壓閥起穩定管道內氣流作用，確保膨脹機能夠穩定運行。

（3）余壓直接利用

減少能源轉換次數對節能減排具有重要的意義。反滲透海水淡化采取的正位移式能量回收裝置，整個能源轉換過程僅為“壓力能-壓力能”的轉換，即直接把高濃度鹽水的余壓傳遞給進料海水，整個工作過程的能源傳遞效率可達91%至96%[21]。輪胎企業用壓縮空氣余壓清潔管道內灰塵及炭黑的方法也是余壓直接利用的一種典型應用。

（4）余壓制冷技術

介質壓力能釋放過程降溫已經應用于空調、天然氣脫水、空分等領域。對比常見的余壓只能裝備有膨脹機、渦流管、節流閥和氣波制冷機等。膨脹機制冷具有氣體溫降大、復熱時制冷量大等特點，但結構較復雜。節流閥在通過高壓介質時氣體的溫降小、制冷量小，但其結構簡單且便于氣體流量調理。渦流管主要應用在高速氣流中，裝置可以產生渦流把氣流分離成冷、熱兩股氣流，并分別利用。氣波制冷機可將氣流的壓力能轉換成速率并做壓縮功，經激波和膨脹波運動，實現冷熱分離。

3 目前尚存在的問題

目前，我國高爐TRT裝備發展不平衡，現有裝備技術有待提高。依然有一些高爐需要增添TRT裝備。現有TRT設備的整體運行狀況不理想，也是當前需要注意的問題。大部分高爐仍配備濕式除塵裝備，發電潛力較大。某些企業的TRT設備管理不到位，導致TRT設備無法達到額定工作能力。

余壓發電設備在工作時會因節流、導熱、摩擦等因素造成能量損失。余壓發電作為一個有機整體，影響其裝備整體發電量的往往是體系的各個部件，對裝備的各個部件的優化影響著系統的發電效率，同時也影響著余壓發電裝備的制冷，對余壓發電設備從各部件到整體的優化對提高能源轉換率具有重要的意義[20]。

雖然余熱壓力發電有許多明顯的優勢，得到了政府的鼓勵和支持，但余熱壓力發電很難實現。要連接到電網，國家優惠政策難以落實，有關部門收費不合理的突出問題還沒有得到很好的解決。由于一些政策規定不明確，行政和管理部門從各自部門的角度來看，有不同的理解。特別是個人電網機組從地方利益出發，被動或故意設置殘余熱壓機組并網運行障礙，收取系統備用費等費用。收費，電網聯網管理，這就增加了余壓發電的成本也挫傷了工業企業的積極性，制約了正常運行余壓發電技術的發展。希望這些問題能夠盡快得到妥善解決。

4 未來發展趨勢

中國是一個人均資源稀缺的國家，資源的過度開發和低效利用加深了供需矛盾。資源欠缺和資源的低利用率已成為制約我國經濟社會可持續發展的重要因素。余壓發電是提高資源利用率的有效途徑。它可以減輕資源短缺問題和環境污染問題。這也是減緩資源和環境制約的有效措施。余熱余壓發電有很大的潛力確保資源高效合理利用，促進“高消費、高排放、低效率”粗放型發展模式轉變的優勢。

隨著技術的進步，在大規模實施中，余壓發電一定會成為一條將廢物轉化為財富，將危害轉化為利益的有效途徑，成為節能減排的重要手段，在建材、冶金、煉油、化工等大多數大中型能源企業，一定會發揮越來越大的作用。

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