天然氣壓差發(fā)電技術(shù)淺析

李志明， 侯明軍， 羅方

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng)， 618000）

0 引言

天然氣長(zhǎng)管線運(yùn)輸過(guò)程中， 為克服沿程阻力保障天然氣正常輸送， 多采用高壓管線。 其中，國(guó)外燃?xì)夤艿赖妮斔蛪毫σ话銥?～12 MPa， 國(guó)內(nèi)輸氣壓力都達(dá)到了10 MPa。 管輸天然氣到達(dá)門站后需根據(jù)下游用戶的供氣壓力要求進(jìn)行降壓處理，這一降壓過(guò)程蘊(yùn)存著豐富的壓力能。

調(diào)壓站一般采用調(diào)壓閥對(duì)天然氣進(jìn)行節(jié)流調(diào)壓， 壓力能完全消耗在克服流動(dòng)阻力上， 未推動(dòng)機(jī)械做功， 浪費(fèi)大量能量。 而利用壓差發(fā)電可將壓力能轉(zhuǎn)換為電能， 極大提高了能量利用率、 提高管網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性， 符合國(guó)家節(jié)能減排的基本政策， 具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

近十年來(lái)， 國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)天然氣壓差發(fā)電開展了相關(guān)研究， 但付諸于工程的案例卻極為鮮少。 除管網(wǎng)壓力能分布分散、 涉及范圍復(fù)雜、 規(guī)模化發(fā)展受限等諸多客觀制約因素外， 技術(shù)成熟度也需要進(jìn)一步完善。

天然氣入口溫度一般較低， 經(jīng)調(diào)壓后的溫度多在零下， 很難滿足下游用戶需求， 需要進(jìn)行加熱。 目前壓力能發(fā)電主要技術(shù)方案有： 前置加熱和非前置加熱。 采用前置加熱方式， 可提升天然氣溫度， 提高發(fā)電功率； 同時(shí)膨脹機(jī)排氣溫度可滿足設(shè)備需求； 不采用前置加熱， 發(fā)電的同時(shí)可利用膨脹機(jī)排氣的冷量， 即后置制冷， 提升了能量的利用率。 該2 種技術(shù)方案基本構(gòu)成了目前利用壓差能直接發(fā)電主要實(shí)現(xiàn)形式。

本文將從天然氣余壓發(fā)電的系統(tǒng)和設(shè)備分析其技術(shù)可行性和可靠性， 以期為余壓透平發(fā)電機(jī)組的工程化應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 壓差發(fā)電案例介紹

天然氣余壓發(fā)電區(qū)別于常規(guī)火力發(fā)電， 溫度較低， 主要利用了天然氣的壓力能， 而且其 “熱源” 條件較為復(fù)雜。 通常減壓站實(shí)際的天然氣流量、 壓力都是隨季節(jié)、 晝夜、 時(shí)段不斷變化， 各個(gè)減壓站的流量分配、 運(yùn)行規(guī)律變化都很大， 實(shí)際的運(yùn)行功率都是不斷變化的。

圖1 為某減壓站全年天然氣流量分布。

圖1 某減壓站全年天然氣流量分布

根據(jù)其全年流量變化情況， 66%的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行流量不到最大流量的33%。 該天然氣壓差發(fā)電若兼顧全年流量運(yùn)行， 機(jī)組將長(zhǎng)期偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，效率偏下， 同時(shí)機(jī)組兼顧最大流量設(shè)計(jì)， 設(shè)備成本偏高。 可考慮在峰值流量時(shí)采取旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)運(yùn)行， 透平按小功率設(shè)計(jì)， 以降低投資成本。

2 壓差系統(tǒng)方案

天然氣膨脹發(fā)電后， 溫度和壓力降低， 經(jīng)換熱后進(jìn)入下游城市燃?xì)夤芫W(wǎng)， 系統(tǒng)為開式循環(huán)。壓差發(fā)電系統(tǒng)形式并不復(fù)雜， 主要為前置加熱、后置加熱、 以及前后加熱綜合利用等形式。

高壓（HP）管網(wǎng)的天然氣膨脹做功后， 天然氣溫度低于管道輸送要求， 需要將其加熱至下游管網(wǎng)能承受的溫度后， 再進(jìn)入中/低壓（IP/LP）管網(wǎng)，如圖2 所示。 可采取的加熱方式有電加熱、 水浴爐加熱、 海水換熱以及其他能源換熱方式。

圖2 壓力能發(fā)電系統(tǒng)——后加熱型

為避免膨脹機(jī)出口溫度過(guò)低， 高壓天然氣管網(wǎng)中的天然氣可先預(yù)加熱， 然后進(jìn)入透平膨脹機(jī)做功發(fā)電。 膨脹做功后的中壓天然氣再進(jìn)入中壓管網(wǎng)， 如圖3 所示。 可采取的預(yù)加熱方式有電加熱和其他能源換熱方式。 條件允許時(shí)建議采用燃?xì)庥酂帷?余熱鍋爐或其他廢熱利用的形式對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)熱， 以提高系統(tǒng)能量綜合利用率。

圖3 壓力能發(fā)電系統(tǒng)——前預(yù)熱型

為保證天然氣管網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行， 該壓差發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)與管網(wǎng)主調(diào)壓系統(tǒng)呈 “并聯(lián)” 模式， 即互為旁路。 膨脹機(jī)正常運(yùn)行時(shí)， 可關(guān)閉一路主調(diào)壓?jiǎn)卧?當(dāng)出口壓力超出變化范圍或膨脹機(jī)故障需要緊急切斷膨脹機(jī)時(shí)， 主調(diào)壓?jiǎn)卧獞?yīng)能快速響應(yīng)并啟動(dòng)。 其中壓差發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備由膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、 快關(guān)閥、 調(diào)節(jié)閥、 換熱器、 旁路調(diào)壓閥、止回閥、 電控柜、 溫度/壓力/流量監(jiān)測(cè)元件、 并網(wǎng)柜、過(guò)濾器等組成。

3 壓差發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)

3.1 壓差發(fā)電系統(tǒng)工藝性設(shè)計(jì)

上游高壓管網(wǎng)至下游管網(wǎng)之間至少應(yīng)設(shè)置兩分路： 一路經(jīng)由減壓閥調(diào)壓后進(jìn)入下游管網(wǎng)； 一路經(jīng)由膨脹機(jī)減壓后進(jìn)入下游， 減壓膨脹的同時(shí)還能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電， 回收壓力能。 膨脹機(jī)支路上， 天然氣先后經(jīng)過(guò)速關(guān)閥， 調(diào)節(jié)閥， 再到膨脹機(jī)入口， 出口經(jīng)止回閥后， 再流入下游管網(wǎng)， 如圖4 所示。 換熱器可視具體參數(shù)配置于膨脹機(jī)支路前端或末端。

圖4 壓差發(fā)電工藝簡(jiǎn)圖

3.2 工質(zhì)密封、 腐蝕安全性設(shè)計(jì)

透平膨脹機(jī)運(yùn)行介質(zhì)為天然氣， 其主要成分見表1。 在選取透平關(guān)鍵部件的材料時(shí)， 須特別注意二氧化碳、 水蒸氣等導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題， 必要時(shí)需要在透平局部結(jié)構(gòu)噴附耐蝕涂層材料。

表1 某減壓站天然氣工質(zhì)組分

同時(shí)該工質(zhì)成分復(fù)雜， 以甲烷居多。 甲烷屬于甲類可燃?xì)猓?在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮防爆。 因此，還需要透平做到工質(zhì)無(wú)泄漏。 為此， 一般透平軸端采用干氣密封結(jié)構(gòu)， 以避免天然氣泄漏。

另外， 發(fā)電機(jī)設(shè)備可根據(jù)機(jī)組的配置型式采取工質(zhì)冷卻或常規(guī)冷卻 （空冷/水冷） 方式， 同時(shí)應(yīng)采用隔爆型發(fā)電機(jī)。

3.3 機(jī)組總體方案設(shè)計(jì)

用于天然氣余壓發(fā)電的膨脹機(jī)設(shè)備主要有透平膨脹機(jī)、 螺桿膨脹機(jī)、 活塞膨脹機(jī)等多種結(jié)構(gòu)型式， 對(duì)比而言， 透平膨脹機(jī)能實(shí)現(xiàn)較高的等熵效率 （80%以上）， 且有較高轉(zhuǎn)速， 同時(shí)能實(shí)現(xiàn)更高容量的功率； 尤其在功率上具有其他型式膨脹機(jī)難以比擬的優(yōu)勢(shì)。 綜合而言， 擬采用透平膨脹機(jī)作為該型余壓發(fā)電機(jī)組的主要?jiǎng)恿υO(shè)備。

針對(duì)余壓發(fā)電機(jī)組， 主要有2 種主流機(jī)型。一是透平、 發(fā)電機(jī)呈 “磁軸承、 一體式” 設(shè)計(jì)，如圖5 所示。

圖5 磁軸承一體機(jī)方案示意圖

該機(jī)型透平與發(fā)電機(jī)同軸布置， 其中透平懸臂支撐于發(fā)電機(jī)一側(cè)或兩側(cè)； 發(fā)電機(jī)采用工質(zhì)冷卻， 并采用磁軸承支撐。 該機(jī)型為全封閉型式，可以實(shí)現(xiàn)工質(zhì)零泄漏。 另外， 磁軸承替代了滑動(dòng)軸承， 省卻了潤(rùn)滑油系統(tǒng)， 簡(jiǎn)化了機(jī)組布置。 但電機(jī)需要天然氣冷卻， 對(duì)電機(jī)的防爆要求極高，因而電機(jī)的防爆設(shè)計(jì)是該方案中最大的難點(diǎn)。

另一種是透平、 發(fā)電機(jī)呈 “分體式” 設(shè)計(jì)，如圖6 所示。

圖6 透平、 發(fā)電機(jī)分體式方案示意圖

該機(jī)型透平與發(fā)電機(jī)分別獨(dú)立配置， 采用聯(lián)軸器聯(lián)接； 其中發(fā)電機(jī)采用常規(guī)空/水冷卻方式，降低了發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)難度。 當(dāng)余壓透平功率較大時(shí)，透平將采用多級(jí)軸流式， 并采用雙支撐結(jié)構(gòu)， 軸系設(shè)計(jì)難度降低； 當(dāng)余壓透平功率較小時(shí)， 透平將采用徑流式（往往對(duì)應(yīng)于高轉(zhuǎn)速情形）， 并采用懸臂支撐結(jié)構(gòu)， 可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊。 對(duì)于分體式設(shè)計(jì)， 無(wú)論透平是采用雙支撐或是懸臂支撐，都將需配置軸端干氣密封， 避免天然氣工質(zhì)泄漏。

3.4 透平選材可靠性設(shè)計(jì)

天然氣壓差利用的上游管線溫度多為10～25℃， 經(jīng)透平膨脹做功后溫度較低， 多為零下溫度狀態(tài)； 透平焓降較大時(shí)的排氣溫度一般可達(dá)-30℃。 由于低溫脆性的影響， 材料塑性和韌性會(huì)降低； 選材時(shí)需要充分考慮動(dòng)靜部件的冷態(tài)脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響， 尤其對(duì)于轉(zhuǎn)子、 動(dòng)葉等旋轉(zhuǎn)部件，要求在低溫時(shí)仍需具有足夠的沖擊功， 以保證透平低溫連續(xù)運(yùn)行的可靠性。 為此， 結(jié)合透平運(yùn)行環(huán)境和材料自身特性， 推薦天然氣壓差發(fā)電透平（-40 ℃以上環(huán)境）的基本選材見表2。

表2 天然氣壓差透平材料

3.5 透平結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)天然氣壓差機(jī)組總體方案的不同配置，透平結(jié)構(gòu)主要有2 種型式。

首先對(duì)于發(fā)電機(jī)中置、 透平懸臂布置的一體式機(jī)型方案， 其主要針對(duì)高轉(zhuǎn)速、 小功率（百千瓦級(jí)）而設(shè)計(jì)。 透平多采用單級(jí)或兩級(jí)向心式葉輪，為平衡推力， 葉輪采用 “背靠背” 懸臂布置， 采用切向進(jìn)氣、 軸向排氣， 結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊。 尤其透平為整體垂直圓法蘭連接， 無(wú)水平中分面， 結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性好， 有利于透平密封； 同時(shí)可實(shí)現(xiàn)軸向安裝和拆卸， 拆裝檢修較為方便。

其次是透平、 發(fā)電機(jī)呈 “分體式” 設(shè)計(jì)方案，當(dāng)透平功率較大時(shí)（～3 MW 以上）， 機(jī)組級(jí)次較多，因軸系設(shè)計(jì)困難， 葉輪懸臂式方案使用受限。 多采用多級(jí)軸流式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。 該型透平轉(zhuǎn)速一般不高（3 000 r/min）， 且多采用雙支撐滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)。為避免工質(zhì)軸端泄漏， 將采用干氣密封以替代常規(guī)梳齒密封。

另外對(duì)于功率不大的機(jī)組（～2 MW 以內(nèi)）， 也可以采用透平-發(fā)電機(jī)分體式方案。 此時(shí)透平可以采用懸臂支撐結(jié)構(gòu)， 即透平位于軸承箱的懸臂端。其中懸臂透平的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)型式同上述方案一， 由于透平軸承箱采用滑動(dòng)軸承支撐， 透平軸端也需要采用干氣密封。

3.6 密封結(jié)構(gòu)方案

結(jié)合天然氣減壓站應(yīng)用場(chǎng)景要求， 需保證天然氣工質(zhì)無(wú)泄漏。 透平、 發(fā)電機(jī)呈 “分體式” 設(shè)計(jì)時(shí)， 透平軸端需采用干氣密封結(jié)構(gòu)。

透平軸端干氣密封推薦采用雙級(jí)串聯(lián)式密封。圖7 是天然氣軸端密封的一種典型。 一級(jí)密封工藝氣采用天然氣， 自A 口進(jìn)入， 流向通流側(cè)。 B口的摻混氣， 一部分來(lái)自A 區(qū)經(jīng)一級(jí)密封的微量泄漏氣， 一部分來(lái)自于C 口的二級(jí)密封氣 （天然氣）， 摻混氣可回收至系統(tǒng)。 C 口經(jīng)二級(jí)密封后的微量泄漏氣與E 口進(jìn)來(lái)的隔離氣（氮?dú)饣蚩諝猓┗旌虾螅M足安全濃度要求）， 可以自D 口收集或高點(diǎn)排火炬。

圖7 天然氣軸端密封

軸端干氣密封的工藝氣可取自透平上游管線，經(jīng)減壓后作為一級(jí)密封氣。 由于上游管線天然氣溫度偏低， 為避免在干氣密封動(dòng)靜密封副間因節(jié)流降壓/溫效應(yīng)而出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象， 從而導(dǎo)致密封面磨損或抱軸問(wèn)題， 密封系統(tǒng)中需配置加熱器，使工質(zhì)進(jìn)入密封腔之前先加熱到合適溫度（50～120 ℃）。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

為簡(jiǎn)要分析天然氣壓差發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合典型案例進(jìn)行對(duì)比研究。

案例1： 山西某天然氣減壓站A 入口壓力3.89 MPa， 入口溫度10 ℃； 出口壓力1.85 MPa。管網(wǎng)流量全年變化波動(dòng)較大， 年平均流量22 225 Nm3/h。

案例2： 廣東某天然氣減壓站B 入口壓力9 MPa， 入口溫度25 ℃； 出口壓力4 MPa。 管網(wǎng)流量全年波動(dòng)較小， 年平均流量85 000 Nm3/h。

針對(duì)2 種情況， 分別作了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性預(yù)估，結(jié)果見表3。

表3 天然氣壓差發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

表3 中系統(tǒng)的設(shè)備投入含透平發(fā)電機(jī)組、 換熱器、 閥門等成套設(shè)備及服務(wù)。 另外電價(jià)以當(dāng)?shù)貐⒖茧妰r(jià)為基準(zhǔn)（無(wú)補(bǔ)貼情況）。

從這2 個(gè)案例的對(duì)比來(lái)看， 功率越小， 機(jī)組的比功率投資（初投資/凈輸出平均功率）并不會(huì)降低。 另外對(duì)于案例1， 全年流量波動(dòng)大， 部分時(shí)間是偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行， 導(dǎo)致平均流量偏離設(shè)計(jì)流量較大； 且發(fā)電設(shè)備滿負(fù)荷利用不高， 導(dǎo)致比收益（收益/初投資） 相對(duì)較低。 而相比之下， 案例2 流量長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行， 發(fā)電設(shè)備滿負(fù)荷利用較高， 比收益相對(duì)較高。

5 結(jié)論

天然氣壓差發(fā)電是一種新型綠色的能源回收利用方式， 在解決管網(wǎng)天然氣降壓利用的過(guò)程中回收壓力能供發(fā)電用。

（1）壓差發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單， 工藝流程不難實(shí)現(xiàn)， 且設(shè)備較少。

（2）壓差發(fā)電系統(tǒng)需重點(diǎn)解決透平膨脹機(jī)排氣的低溫問(wèn)題， 文中在透平選材上和系統(tǒng)配置上提出了解決方案， 可為天然氣壓差發(fā)電機(jī)組應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。

（3）為保證透平設(shè)備中天然氣工質(zhì)的密封性，干氣密封結(jié)構(gòu)是一種較為有效的解決方式。 文中提供了一種可供壓差發(fā)電透平設(shè)備密封選用的密封工藝， 推薦采用兩級(jí)干氣密封以解決天然氣工質(zhì)的軸端密封問(wèn)題。

（4）從文中的2 個(gè)案例分析來(lái)看， 穩(wěn)定的運(yùn)行流量邊界條件對(duì)于天然氣壓差發(fā)電應(yīng)用更具有一定投資優(yōu)勢(shì)。