基于?分析的天然氣膨脹壓差發電-LNG聯產工藝系統用能評價

吳浩*，李治東，王曉娜，成慶林

（1.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院；2.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室）

0 引言

當今，世界各國能源消耗的趨勢逐漸向“碳中和”、可持續的方向轉變。天然氣作為一次能源中較為清潔的能源之一，每年的消費比重在不斷增加[1]。天然氣自井口采出，到集氣站、凈化處理廠，以及之后的外輸，最終送至用戶，整個過程大都離不開管道輸送，其中很多環節都需要通過調壓閥降壓，降壓的同時會引起溫度的驟降，在造成壓力能和冷能損失的同時，還有可能發生管道內結冰等嚴重事故。因此越來越多學者將目光聚集于此，在保證安全生產前提下，提出很多方法對這部分節流造成的壓能損失和冷能損失進行合理回收利用[2-3]。

2013年，陸涵[4]以中國首個天然氣壓力能發電-制冰系統的示范工程項目為研究對象，提出采用星旋流體馬達替換螺桿膨脹機，改造后整套工藝系統的?效率為42.6%，發電量為120 kW；2015年，張超等[5]探究了相關運行參數對膨脹壓差發電量的影響，發現存在一個最佳膨脹機進出口壓力配比使得凈發電量最大；2017年，趙先勤等[6]開展了天然氣壓力能發電項目，針對螺桿膨脹機進行了熱力學分析，定義了新的指標用于估算實際發電功率，通過計算投資回收期確定項目具有的可實施性；2019年，商艷紅等[7]針對涪陵焦石壩頁巖氣開采現狀，提出了采用螺桿膨脹機和針型閥二級減壓的流程，從技術經濟學角度論證了通過膨脹機回收調壓過程壓差能量用于發電的可行性；2021年，熊亞選等[8]針對燃氣系統提出了一種膨脹機調壓發電流程，系統日凈發電量為60.9 kW·h，具有一定的節能效益。雖然目前關于天然氣壓差發電的研究很多[9-12]，但是這些發電技術普遍模式單一，對于輸氣量變化大的氣源適應性較差[13-14]，因此亟需尋找工藝更為靈活、節能效果更好的替代技術。

本文在前人研究的基礎上，提出了一種膨脹壓差發電-LNG（液化天然氣）聯產技術，在回收利用天然氣壓力能和冷能的同時，還可以根據現場實際情況或需求決定是否需要生產副產品LNG，增加了壓差發電工藝的彈性與靈活性。結合熱力學?分析方法，從能質的角度出發，分別建立了聯產系統的“黑箱”與“灰箱”?分析模型；所建立的模型不僅可以從設備自身角度單獨評價其用能狀況，還能從整體角度全面評價聯產系統用能狀況。以中國西南部某氣田為應用實例，通過計算各用能設備和總系統的?損失、?損率、?效率等?分析評價指標，準確識別整個發電-LNG系統的用能薄弱環節，為聯產系統進一步提高能效提供了理論依據。

1 膨脹壓差發電-LNG聯產過程模型

中國西南部某氣田區塊共計16口氣井，氣井平均產量為 31×104m3/d（20 ℃，101.325 kPa），氣井平均井口壓力為25 MPa，井口溫度為105 ℃，采氣后經井口節流閥節流再進行后續輸送。根據氣田的生產現狀及運行模式，通過Aspen Plus工藝流程模擬軟件，對可適用于當前狀況的膨脹壓差發電-LNG聯產工藝流程進行了數值模擬，并在此基礎上進行了分析計算。

1.1 工藝流程

該膨脹壓差發電技術的工藝流程為：高壓天然氣來氣分為兩股，一股流量占比70%的天然氣直接進入膨脹機1進行一次膨脹后降溫，同時帶動發電機1發電，而后進入換熱器1充當冷流；另一股流量占比30%的天然氣直接進入換熱器1充當熱流，兩股氣流在換熱器1中進行換熱；冷流升溫后進入管道正常輸送，熱流降溫后進入膨脹機2進行二次膨脹后再次降溫至天然氣露點以下，液化生成副產品LNG，同時帶動發電機2發電。而當來氣量較大時，多余氣體也可在一次膨脹后直接進入換熱器2，通過循環系統加熱后進入管道正常輸送，工藝流程如圖1所示。

圖1 天然氣膨脹壓差發電-LNG聯產工藝流程

1.2 Aspen Plus模型建立

根據工藝流程，運用Aspen Plus軟件進行過程模擬。首先，根據實際情況輸入天然氣組分（見表1）；其次，建立模型（見圖2），并輸入設備及流股（1～11，S1）的初始參數（見表2）。

表1 天然氣組分

圖2 Aspen Plus模型

表2 初始參數

1.3 Aspen Plus模擬結果

Aspen Plus 軟件物流模擬結果見表3。由表3可知，所設計工藝流程發電量可達2 525.32 kW·h，由于膨脹機2進出口壓比為7.5，因此選用壓比最大可達40的活塞式膨脹機，其出口溫度為-102.35 ℃，液化率能夠達到56%，LNG產量可達566.06 t/d。

表3 物流參數

2 膨脹壓差發電-LNG聯產?分析模型

從能質的角度出發，運用?分析方法，建立了膨脹壓差發電-LNG聯產技術“黑箱”與“灰箱”?分析模型。該模型不僅可以分別評價系統中各設備用能情況的好壞，還可以根據?效率、?損失、?損率等評價指標來分析整個系統的用能情況，最終確定系統中的用能薄弱環節或設備。

2.1 “黑箱”?分析模型

天然氣物流?值的計算方法如下：

式中：Ex——?值，kJ/kg；h——?流的質量焓，kJ/kg；s——?流的質量熵，kJ（/kg·K）；h0——環境的質量焓，kJ/kg；s0——環境的質量熵，kJ/（kg·K）。

2.1.1 膨脹機1

膨脹機1的“黑箱”?分析模型如圖3所示。其中：Ex2——膨脹機 1入口?，kJ/kg；Ex3、Ex4——膨脹機1出口?，kJ/kg；Exloss1——膨脹機1?損失，kJ/kg；W1——膨脹機1產生的機械能?，kJ/kg。

圖3 膨脹機1“黑箱”?分析模型

2.1.2 發電機1

發電機1的“黑箱”?分析模型如圖4所示。其中：Exele1——發電機 1產生的電?，kJ/kg；Exloss5——發電機1?損失，kJ/kg。

圖4 發電機1“黑箱”?分析模型

2.1.3 膨脹機2

膨脹機2的“黑箱”?分析模型如圖5所示。其中：Ex5——膨脹機2入口?，kJ/kg；Ex8——膨脹機2出口?，kJ/kg；Exloss2——膨脹機2?損失，kJ/kg；W2——膨脹機2產生的機械能?，kJ/kg。

圖5 膨脹機2“黑箱”?分析模型

2.1.4 發電機2

發電機2的“黑箱”?分析模型如圖6所示。其中：Exele2——發電機 2產生的電?，kJ/kg；Exloss6——發電機2?損失，kJ/kg。

圖6 發電機2“黑箱”?分析模型

2.1.5 換熱器1

換熱器1的“黑箱”?分析模型如圖7所示。其中：Ex1——分流后進入換熱器 1的?，kJ/kg；Ex5——換熱器1流入膨脹機2的?，kJ/kg；Ex6——換熱器1出口?，kJ/kg；Exloss3——換熱器1?損失，kJ/kg。

圖7 換熱器1“黑箱”?分析模型

2.1.6 換熱器2

換熱器2的“黑箱”?分析模型如圖8所示。其中：Ex4、Ex10——膨脹機1、泵流入換熱器2的?，kJ/kg；Ex11、Ex12——換熱器2出口?，kJ/kg；Exloss4——換熱器2?損失，kJ/kg。

圖8 換熱器2“黑箱”?分析模型

2.1.7 泵

泵的“黑箱”?分析模型如圖9所示。其中：Ex10——泵供給?，kJ/kg；Exele3——泵消耗電?，kJ/kg；Ex13——泵入口?，kJ/kg；Exloss7——泵?損失，kJ/kg。

圖9 泵“黑箱”?分析模型

2.1.8 加熱爐

加熱爐的“黑箱”?分析模型如圖10所示。其中：Ex14——加熱爐消耗的燃料?，kJ/kg；Exloss8——加熱爐?損失，kJ/kg。

圖10 加熱爐“黑箱”?分析模型

2.2 “黑箱”模型?分析評價指標

根據各用能設備的“黑箱”模型，可以得出?損失、?效率和?損率等?分析評價指標的計算方法，如表4所示。

表4 ?分析評價指標計算方法

2.3 “灰箱”?分析模型

膨脹壓差發電-LNG聯產系統“灰箱”?分析模型如圖11所示。系統總?損為：

圖11 “灰箱”?分析模型

式中：ExlossT——系統總?損，kJ/kg。

系統?效率為：

式中：ηT——系統?效率。

3 膨脹壓差發電-LNG聯產?分析模型求解

3.1 模型求解

根據天然氣組分及基礎參數值，運用?分析評價指標計算方法，計算得到各用能設備及總系統的?分析評價結果，如表5所示。

表5 ?分析評價指標計算結果

整體看，通過對膨脹壓差發電聯產 LNG技術“灰箱”?分析模型的求解計算，得出其總?損失達到1.298×107kJ/h，整體?效率為74.25%；相對于僅使用節流閥節流，或是直接膨脹發電技術，用能水平均有較大提高。

局部看，膨脹機的?損失最大：膨脹機 1?損率為51.42%，膨脹機2的?損率為8.23%，膨脹機的總?損率為59.65%；且膨脹機的?效率相對其他設備也較低，分別為 63.87%和 59.54%。而其他用能設備的?損失相對較低，總共僅有40.35%，且?效率相對較高，用能情況良好。綜合分析后認為，膨脹機為整個發電過程中的用能薄弱設備，可有針對性地進行改進，提高用能效率。

3.2 改進措施

通過以上計算和分析，確定了膨脹機為天然氣膨脹壓差發電-LNG聯產工藝系統的用能薄弱設備。若要深入分析膨脹機所有外部排放?損失與內部不可逆?損失機制，從而切實有效地提高設備?效率，還需針對其進一步構建更為精細的“黑箱”與“白箱”相結合的?分析模型。本文從定性角度提出膨脹機運行中主要的用能改進措施，在提高能量利用效率的同時，可降低其?損失和?損率，達到更好回收利用天然氣壓力能的目的。

3.2.1 改善氣密性

改善膨脹機裝置的氣密性，包括調整葉輪與殼體之間的間隙、擴壓器和工作輪之間的間隙，這樣既可以減少內泄漏的損失，還可以使天然氣的壓力能更多地轉換為葉輪的機械能。

3.2.2 更換導流器

檢查導流器是否出現損傷，主要檢查流道、切口處。導流器出現故障會引起其內部氣體的焓降與動能的增加，很大程度地降低天然氣的能量轉換效率。通過更換導流器，可以降低其出口壓力，加強內部天然氣的能量轉換效率。

3.2.3 降低流動損失

影響流動損失的原因有很多，其中包括膨脹機的流道是否與天然氣的流向相匹配、流道內部的表面光滑程度、流道內部的磨損程度、設備內部各部分的摩擦損失等。需要對流道內部進行清洗，去除表面的雜質殘留，若磨損嚴重則需要及時更換；可在葉輪轉子等位置適當添加潤滑油以減少摩擦損失，從而有利于更高效地回收利用天然氣壓力能、冷能等。

4 結論

本文提出的天然氣膨脹壓差發電-LNG聯產工藝——將高壓天然氣分流后分別進行膨脹發電，且熱流經與冷流換熱降溫并再次膨脹降溫后生成LNG，可達到同時回收利用天然氣壓力能和冷能的效果。

利用建立的天然氣膨脹壓差發電-LNG聯產系統主要用能單體設備的?分析“黑箱”模型與總系統的?分析“灰箱”模型，對中國西南部某氣田進行應用分析，結果表明，系統整體?效率高于采用節流閥或直接膨脹發電技術，可達74.25%，其中膨脹機的總?損率為59.65%，確定其為系統進一步用能改進的主要目標設備。