天然氣壓力能綜合利用評估方法研究

程思杰 趙靚 紀文 陳文科 徐璐

摘 要：高壓天然氣經門站調壓后進入城市管網，此過程中蘊含著大量的壓力能可供回收利用，目前最主要的壓力能利用方式為壓差發電和制冷兩個方面，而壓力能綜合利用評估仍缺乏系統性理論。本文從建設運營、產能質量、經濟效益、環境保護四個方面構建壓力能綜合利用評估指標體系，并介紹了幾種可用于天然氣壓力能綜合利用的評估方法，形成了標準化的評估體系和方法，為后續的天然氣壓力能利用綜合評估提供理論支撐。

關鍵詞：天然氣;壓力能;評估指標;評估方法

0? 引言

現今，天然氣管道的總體發展趨勢為高壓力和大口徑。在國外，天然氣長距離輸氣管道的壓力大多不低于10MPa，如阿-意輸氣管道中，穿越西西里海峽段的最大工作壓力就達到了15MPa，我國“西氣東輸”、“陜京二線”等的輸氣壓力也達到了10MPa[1]。高壓力的天然氣要經過降壓處理才能輸送給用戶使用，這個過程一般在接收門站或調壓站進行，當10MPa的高壓天然氣降至0.8MPa時，可回收的壓力能最大可達到359.1kJ/kg[2]。發電和制冷是現階段回收天然氣壓力能的兩種主要方式。在發電方面，由于傳統調壓閥的粗放調壓將壓力能白白耗散掉，取而代之的是利用膨脹機回收壓力能進行發電，目前主要有3種方式：一，天然氣膨脹機與同軸發電機相聯，膨脹后的輸出功驅動發電機發電;二，天然氣膨脹做功不直接用于發電，而是將膨脹后產生的冷能利用起來，冷卻燃氣輪機進氣;三，既利用膨脹做功發電，又回收利用冷能，即將上述兩種方式結合起來。在制冷方面，天然氣膨脹后產生的冷能目前的利用方式主要包括低溫橡膠粉碎、冷庫制冰、輕烴回收、燃氣儲氣調峰以及冷水空調等[3]。綜上，天然氣壓力能的回收利用正呈現出蓬勃發展的態勢。

然而，對于壓力能的綜合利用評估方面目前尚無統一的標準，也缺乏相對完善的評估體系，深入系統地對項目進行評估的相關研究也相對較少。這不僅在投資收益評估方面對壓力能回收利用企業造成了一定的限制，也影響相關產業的長遠發展[4]。基于此，本文建立了一套綜合考慮建設運營、產能質量、經濟效益和環境保護的系統化評估指標，并介紹了幾種可用于壓力能綜合利用能效評估的方法，形成了一體化的評估體系，為后續的天然氣管網壓力能綜合利用評估提供借鑒和支撐。

1? 壓力能利用的綜合評估指標體系

1.1? 指標體系構建

指標體系的設計與選取對天然氣壓力能綜合評估結果至關重要，要保障評估的質量不僅要考慮評價指標體系的綜合性，系統性和科學性要求也發揮著重要作用[5]。綜合多方面因素，本文建立的評估指標體系涵蓋建設運營、產能質量、經濟效益、環境保護四個方面，具體指標如圖2所示。

1.2? 關鍵指標計算模型

（1）建設運營

a.膨脹發電機組發電量

利用火用分析法可以對天然氣管網的可利用壓力能進行估算。理論上，膨脹發電機做功與氣流壓力能之間的關系公式如下：

式中：L為膨脹發電機組終端發電量，Q為天然氣小時流量，ρ為天然氣密度，Cp為天然氣質量等壓比熱容，T為天然氣入口溫度，P1 為天然氣入口絕對壓力，P2 為天然氣出口絕對壓力，k為天然氣絕熱指數，ηT為膨脹機效率，ηg為發電機效率[6]。

b.設備利用率

設備利用率是指在一段指定的時間內，相比于計劃工作時間，某臺設備的實際使用時間占其的比值，利用該指標可以評估在壓差發電過程中各設備的工作狀態，同時從側面體現壓差發電的生產效率，評估意義重大。

c.裝置故障率

裝置故障率指在一段計劃工作時間內，設備由于一些自身運行故障或者人為操作失誤導致的設備無法正常運行，最終結果是生產效率降低。計算方法為裝置故障時間比上設備計劃工作時間。

d.建設進度控制

項目建設進度影響著壓差發電投產時間，最終影響項目收益，利用該指標可以評估壓差項目建設效率，由專家基于建設規劃，結合實際建設工程進度，綜合考慮建設延誤情況、出現的意外狀況等進行評分。

（2）產能質量

a.供電電壓合格率

受氣源影響，壓差發電電壓存在的一定的波動，供電電壓合格率指壓力能發電并網運行中，與總的電壓監測時間相比，監測點電壓波動控制在可接受范圍內的時間占比。

b.供電頻率合格率

供電頻率合格率指壓力能發電并網運行中，監測時間內，監測點電能頻率在合格范圍內的時間總和占監測總時間的百分比。

c.功率穩定性

功率穩定性常用來評估壓力能發電上網后的功率波動幅度，是衡量壓力能發電水平的一重要指標。

d.供電可靠性

供電可靠性是壓差發電系統平均供電時間占評估統計時間的比率，利用該指標可以評估系統持續供電能力的大小，同時能反映出供電系統的電能質量。

（3）經濟效益

a.投資回收期

利用投資回收期可以評估壓力能綜合利用的經濟性。投資回收期通常與壓力能綜合利用的投資費用（含設備加工費用）和年經濟收益有關，其定義為：

式中：ηT為壓力能綜合利用的投資回收期，CT為壓力能綜合利用的投資費用（含設備加工費用），Ea為年經濟收益。

b.配套設備成本

配套設備成本即配套設備初始裝設成本+運行維護成本。

c.凈現值

凈現值指未來資金（現金）流入（收入）現值與未來資金（現金）流出（支出）現值的差額，是項目經濟性評估中凈現值法的基本指標。未來的資金流入與資金流出均按預計折現率各個時期的現值系數換算為現值后，再確定其凈現值。這種預計折現率是按企業的最低的投資收益率來確定的.是企業投資可以接受的最低界限。

d.靜態投資收益率

當要對方案進行一個粗略的評價時，可以采用不考慮時間價值的靜態投資收益率。

式中：E為靜態投資收益率，K為總投資。

（4）環境保護

a.碳排放指數

利用碳排放恢復指數（CER）可以評估壓力能綜合利用的環保性。定義碳排放恢復指數為：

式中：erel 和eWER 分別為相對過程碳排放（kW）和回收過程碳排放（kg/h）。

b.清潔能源電量占比

利用清潔能源電量占比可以有效評估壓力能利用場站在正常運行時的用電來源中，通過清潔能源發出的電所占的比例。

c.可再生能源滲透率

可再生能源的滲透率能體現壓力能回收利用系統的發展水平，系統接納氣能、熱能以及電能等能源的能力越強，則滲透率較高，反之則較低，提高系統可再生能源滲透率的同時系統的魯棒性也會得到相應的提高。

d.非可再生一次能耗節約率

該指標指壓力能回收利用系統運行時減少的一次能源消耗量，與傳統耗能模式下消耗的一次能源相比，其比值為大小，它可以反映壓差發電系統的節能水平，體現壓差發電系統能量梯級利用、多能互補的優勢。

2? 綜合評估方法

由于天然氣壓力能綜合評估體系下包含的模塊眾多，很難用準確定量描述各指標之間的權重關系，綜合評估方法的選取對評估結果的可參考性影響深遠。本節主要介紹幾種常用的評估方法，為后續的壓力能綜合利用評估提供參考。

（1）層次分析法

層次分析法（AHP）是將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個目標或準則，然后將其分解為多個層次的多個指標（或準則和約束），并計算層次單一排序的一種系統方法（權重）和總排序通過定性指標模糊定量的方法[7]，以便作為目標（多指標）和多方案優化決策。

（2）專家打分法

專家打分法又稱德爾菲法，在對有關專家進行意見征詢時，采用的征詢方式為匿名方式，征詢后對意見進行統計、處理、分析和歸納，將多數專家的經驗與主觀判斷進行客觀地綜合，對大量的采用技術方法難以進行定量分析的因素進行合理估算，經過多輪意見征詢、反饋和調整后，最終對指標權重進行分析[8]。該方法能較好地解決長期預測中的數據缺乏問題。

（3）熵權法

熵權法是一種客觀賦權方法，最早由美國數學家Shannon提出，在實際使用過程中，熵權法會綜合考慮各指標的變異程度，各指標熵權的計算也需要用到信息熵，此外，還需要對權重進行修正，這個過程也是通過熵權進行，最后得出較為客觀的指標權重。熵權法可用于任何評價問題中的確定指標權重，也可以用于剔除指標體系中對評價結果貢獻不大的指標[9-10]。具有很強的適應性。

綜上分析，當對某一具體壓力能項目進行綜合評估時，可根據評估場景所確定的指標選取合適的綜合評估方法。當一些指標難以進行定量分析，如公司制度、人員配備等，就需要使用主觀賦權法來對這些因數進行定性估算，如專家打分法。當一些指標的數據特征較為明顯，一些帶有明顯個人特征的賦權方法不能對其權重進行理性認定時，就需要選擇客觀賦權法來確定其權重，如，熵權法。除此之外，也有一些場合需要主觀賦權法與客觀賦權法相結合才能更好地來確定目標權重，這就需要根據具體情況來進行甄別。

3? 結語

對壓力能進行回收利用既能夠提高能源的綜合利用水平，減少化石能源使用，又有利于解決傳統調壓方式中難以避免的噪音過大和安全隱患問題嚴重等問題，取得環保和社會雙重效益。針對目前壓力能綜合利用評估系統性理論缺乏的問題，本文構建了以建設運營、產能質量、經濟效益和環境保護為原則的較為全面的評估指標體系，提出了相應的計算方法，并介紹了幾種常用的評估方法，形成了較為完備的壓力能綜合利用評估體系，有助于壓力能利用項目的運營效益分析，推動壓力能回收利用領域發展，從而促進“雙碳”目標的實現。

參考文獻：

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作者簡介：

程思杰，1992.10，男，漢族，四川仁壽，本科，工程師，從事節能減排工作。