多級膨脹天然氣壓差發電模擬及發電能力分析

1 概述

近年來，我國天然氣管網的建設規模越來越大，天然氣長輸管道輸氣壓力也越來越高,如西氣東輸和陜京二線管道壓力達到10 MPa

。為保證城市各級管網安全、有序運行，天然氣輸送至城市時需在門站進行調壓。通過天然氣壓差發電工藝回收利用天然氣壓力能，符合節能減排政策，帶來經濟和社會效益。

創新是企業發展的關鍵，是企業的第一驅動力。而核心能力是一種與眾不同的能力，它不是企業中某一種具體的能力或優勢，而是一種將多種優勢進行整合后形成的能力，它為企業帶來長期持續的競爭優勢并使其獲取超額利潤，且一旦形成，便具有相對穩定性，不易失去。企業核心能力是指在企業發展過程中整合能力已經達成重要共識的能力，唯有如此才能培育出屬于本企業的持續競爭力，也才能提高企業的綜合能力，從而奠定企業更堅實的技術和管理基礎。

迄今為止，有關天然氣壓差發電技術的研究已逾30 a。2003年，日本東京電力公司率先建成利用天然氣壓差發電的發電站，功率達7 700 kW

。2011年，深圳燃氣公司與華南理工大學合作，在求雨嶺天然氣門站(流量設計規模為1.5×10

m

/h

)，建設了調壓設備壓差利用的天然氣發電和制冰的聯合工藝項目。盡管天然氣壓差發電工藝已有眾多項目落地，但天然氣壓差發電工藝尚不成熟，壓差發電系統發電量低的問題并沒有得到有效解決,因此本文提出一種等膨脹比兩級膨脹中間加熱的壓差發電系統，對比單級膨脹分析其原理,證明多膨脹級的發電工藝具有更強的發電能力，通過對實際項目做兩級膨脹工藝的數值模擬，計算其發電量增益，并驗證多級膨脹壓差發電的工藝的可行性。

2 常用天然氣壓差發電工藝特點分析

① 單級膨脹壓差發電

高壓天然氣流經膨脹機，驅動膨脹機帶動發電機運轉，膨脹機做功產生機械能，傳遞給發電機發電。天然氣在膨脹機中膨脹可視為等熵過程，產生焦耳-湯姆遜效應，膨脹過后天然氣溫度降低

，需要在膨脹機后設加熱器。直接膨脹式發電工藝在膨脹機后設加熱器，優點是建設投資少、工藝流程簡單、使用設備少、操作難度低，缺點是發電功率低。聯合式發電工藝的發電功率高于直接膨脹式，但其增加了一個朗肯循環，循環所用低溫工質是工藝運行的關鍵因素

，聯合式發電工藝設備多、投資高、控制系統復雜。目前，聯合式發電工藝廣泛應用于LNG冷能發電

。

天然氣在膨脹機中的膨脹過程是一個熱力過程，在天然氣上、下游壓力相同的情況下，忽略膨脹機的機械損失及管道、閥門的阻力，天然氣的膨脹過程可認為是等熵過程，單級膨脹與兩級膨脹的

-

圖與

-

圖分別見圖 1、 2，單級膨脹與三級膨脹的

-

圖見圖 3。本文中二級膨脹指兩級膨脹或多級膨脹過程中的第二級膨脹過程。圖1～3中const表示常量。

——二級膨脹入口天然氣的比焓，kJ/kg

天然氣多級膨脹壓差發電工藝由多個膨脹機與多個加熱器串聯組成，高壓天然氣流經多個膨脹機，壓力逐級降低，直至壓力降至下游所需壓力。在相鄰膨脹機之間設置加熱裝置，通過中間加熱提高每一級膨脹機的天然氣進口溫度，進而提高發電功率與出口天然氣溫度。該工藝可避免膨脹機長時間低溫工況運行，延長膨脹機壽命，同時可防止天然氣出口溫度低于管道韌脆轉變溫度而引起安全事故

。

3 單級膨脹、多級膨脹工藝發電功率分析

為研究單級膨脹與多級膨脹工藝發電功率差異，本文基于工程熱力學知識，利用

-

圖與

-

圖，探究單級膨脹與多級膨脹工藝天然氣膨脹過程，以及對外輸出的技術功與發電功率。

② 多級膨脹壓差發電

由圖 8 可知，隨著中間壓力增加，加熱功率呈增加趨勢。在中間壓力為2.7 MPa時，加熱功率為290.7 kW，此狀態為加熱功率曲線變化的拐點。

式中：P1、P2為斷面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ處的靜壓，Pa；ρ1、ρ2為斷面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ處的空氣密度，kg/m3；v1、v2為斷面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ處的風速，m/s；Z1、Z2為斷面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ處的標高，m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；hr為風流從斷面Ⅰ—Ⅰ到斷面Ⅱ—Ⅱ過程中的阻力損失，Pa。

式中

——單級膨脹過程技術功，kJ/kg

雖然我有幸比同齡人走得快一點，但也只是走得快，我們要走的路很長，起步快，并不意味著一直都會特別快。順利歸順利，但千萬不能進入到一個溫水煮青蛙的環境里。

本課程采用雙線并行貫穿項目的課程模式。學生運用課內項目中學到的知識和能力，基本上獨立完成課外項目，使學生在做的過程中，學到系統的知識和綜合職業技能。

(1)

單級膨脹過程在圖1、2中表示為過程線1→2′→3′，單位質量天然氣單級膨脹輸出的技術功為：

——天然氣比體積，m

/kg

——天然氣壓力，Pa

——入口天然氣的比焓，kJ/kg

——出口天然氣的比焓，kJ/kg

膨脹過程的技術功在

-

圖上表示為過程線1→2′→3′與縱坐標軸之間的面積。

② 多級膨脹壓差發電工藝

兩級膨脹中間加熱過程在圖1、2中表示為過程線1→2′→2→3，其中過程1→2′為第一級膨脹過程，過程2′→2為加熱過程，過程2→3第二級膨脹過程。兩級膨脹過程的技術功見式(2)，中間加熱過程的單位質量加熱量見式(3)。

(

-

)

(2)

=

-

(3)

——一級膨脹入口天然氣的比焓，kJ/kg

式中

——兩級膨脹過程技術功，kJ/kg

——一級膨脹出口天然氣的比焓，kJ/kg

深入參與多邊國際合作。精心組織參加聯合國機構有關會議等重要國際水事活動。積極參加第七屆世界水論壇籌備工作，跟蹤了解論壇籌備信息。積極支持我國水利專家擔任國際組織職位后開展工作。繼續充分利用中歐水資源交流平臺，結合水利現代化試點建設、水生態文明城市建設，精心策劃政策對話、科研交流、商務合作各方面的活動。

2.5 施工安全與安全管理人員的關系自從安全提到了施工生產、企業管理的議事日程后，施工工地、生產車間便設立了安全管理人員。安全員是企業安全的監督者，無論是兼職安全員還是專職安全員其責任都很重大，這個崗位與職工安全密切相關。安全管理人員的專業水平、技術能力及安全管理的經驗、責任心對所轄的范圍關系重大，是落實、執行國家安全法規、企業安全制度、各工種工序的行為規范最具體的管理和監督層。

——二級膨脹出口天然氣的比焓，kJ/kg

——單位質量加熱量，kJ/kg

兩級膨脹工藝輸出的技術功在

-

圖上表示為過程線1→2′→2→3與縱坐標軸之間的面積。分析可知，在上、下游壓力相同的情況下,單位時間內兩級膨脹工藝輸出的技術功更多，多出的部分為圖形2′233′的面積。根據圖2,采用兩級膨脹工藝,膨脹機出口的天然氣溫度均高于單級膨脹工藝。因此，理論分析證明，兩級膨脹工藝在發電功率與天然氣出口溫度方面均高于單級膨脹工藝。

圖3中，三級膨脹過程線為1→2′→2→3′→3→4。三級膨脹較單級膨脹增加的技術功表示為圖形2′23′3″與圖形3″344′的面積之和。相同上、下游天然氣參數的兩級膨脹與三級膨脹工藝相比，圖3中圖形2′23′3″與圖形3″344′的面積之和大于圖1中圖形2′233′的面積，即三級膨脹工藝輸出的技術功大于兩級膨脹工藝。

如圖 1、3 所示，根據工程熱力學原理，單位質量的天然氣在相同初終狀態下進行膨脹，過初始狀態點的等熵線斜率大于等溫線，等溫線與縱坐標之間形成的面積最大。因此，想要獲取最大技術功，應盡可能使膨脹過程趨于等溫膨脹，但等溫膨脹屬于一個理想過程，不可實現。多級膨脹過程介于等熵膨脹與等溫膨脹過程之間，且隨著膨脹級增加，多級膨脹過程無限接近等溫過程，輸出的技術功越來越多。

大面積燒傷可以引起嚴重的全身性反應，同時出現各系統及器官的代謝紊亂和功能失調，機體產生應激反應 [5]。應激反應雖然可以通過提高機體的免疫能力而減輕應激原對機體的損傷，但是當應激反應過強或者持續時間過長，同樣會引起機體內環境明顯失衡，從而造成免疫功能的下降[6]。本課題組前期研究發現，大面積燒傷之后，由于持續性過強的應激反應，淋巴細胞的特異性免疫功能明顯受到抑制，以T淋巴細胞受損最重。這種免疫受抑制現象在傷后一周左右可達最高水平，傷情不同，免疫受抑制的程度也不同[7]。

4 兩級膨脹工藝設計最佳工況確定

雖然利用

-

圖與

-

圖的熱力過程分析證明多級膨脹工藝的發電功率高于單級膨脹，但無法得知發電增益以及最佳工作工況。本文結合我國城市門站調壓情況，利用化工模擬軟件Aspen Hysys對天然氣兩級膨脹與單級膨脹進行模擬，探究兩級膨脹發電量增益以及天然氣出口溫度情況，確定兩級膨脹工藝的設計最佳工況。

① 單級膨脹、兩級膨脹壓差發電工藝模擬

對天然氣在城市門站調壓發電進行模擬，天然氣組成見表1，流量選用14 000 m

/h，選擇上游天然氣壓力4.5 MPa、溫度20 ℃，選擇下游天然氣壓力1.6 MPa、溫度5 ℃，環境壓力為101.325 kPa。單級膨脹、兩級膨脹壓差發電工藝流程(軟件截圖)見圖 4、5 。為了保證二級膨脹出口天然氣溫度為5 ℃，加熱器將天然氣加熱到合適的溫度。

對于兩級膨脹工藝而言，膨脹過程的中間壓力決定一、二級膨脹壓差，影響工藝輸出技術功，進而影響系統發電功率。同時，膨脹中間壓力決定一級膨脹后天然氣狀態參數，因此加熱過程加熱功率以及二級膨脹入口天然氣狀態也受其影響。為探究中間壓力不同對兩級膨脹工藝整體影響，以一、二級膨脹等膨脹比工況下的壓力(2.7 MPa)為中間壓力的基準壓力，步長為0.3 MPa，取8個不同的中間壓力進行兩級膨脹過程的模擬，模擬時膨脹機等熵效率取75%。單級膨脹與膨脹中間壓力為2.7 MPa的兩級膨脹工藝模擬結果對比見表2。單級膨脹、兩級膨脹技術功功率分別為255.6 kW、286.2 kW，單級膨脹、兩級膨脹天然氣加熱功率分別為254.3 kW、290.7 kW。模擬時整個過程中天然氣未發生相變，且物質的量流量不變。中間壓力與技術功功率、加熱前后溫度、加熱功率的關系分別見圖 6～8。

由表2及模擬結果可知，中間壓力為2.7 MPa的兩級膨脹技術功功率較單級膨脹提高12%，可利用的冷能及加熱功率較單級膨脹提高14%。

根據圖 6可知，兩級膨脹工藝技術功功率均高于單級膨脹工藝。隨著兩級膨脹工藝中間壓力增加，技術功功率增加，當中間壓力達到3.9 MPa時，技術功功率達300 kW,較單級膨脹提高17%，故在設計天然氣壓差發電工藝時可以采用兩級膨脹工藝并通過提高膨脹中間壓力增加技術功功率。

② 兩級膨脹設計最佳工況

當中間壓力達到3.9 MPa時，工藝總技術功功率達模擬最高值300 kW，但這并不是兩級膨脹工藝的最佳工況。在工藝設計時應綜合考慮天然氣冷能、加熱溫度要求、工藝穩定性等。

由圖 6 可知，在初、終狀態相同的情況下，隨著中間壓力升高，一級膨脹過程壓差和技術功逐漸減少，二級膨脹過程壓差和技術功逐漸增大。采用2.7 MPa的中間壓力時，一級膨脹與二級膨脹輸出的技術功大致相同，工藝穩定性強。

計算得出每一年的評價等級矩陣Z，即Z=［z1，z2，…，zs］。然后根據最大隸屬度原理求出最終的評價結果。

由圖7可知，隨著中間壓力增加，加熱前后溫度均呈現出上升趨勢，加熱前后溫差維持在40 ℃左右。由于中間壓力增加，一級膨脹壓差縮小，膨脹后天然氣溫度升高；二級膨脹壓差增大，天然氣膨脹溫差變大。若要保持出口溫度在5 ℃，則需提高二級膨脹天然氣入口溫度。因此，在設計多級膨脹工藝時，應根據所選熱源溫度確定膨脹比或根據膨脹比選擇加熱熱源。在中間壓力為2.7 MPa時，一級膨脹后天然氣溫度(-8.7 ℃)低于0 ℃，天然氣的冷能品質高，加熱后溫度在35 ℃，該工況對加熱熱源溫度要求低。

電話里，魏昌龍聲音仍是大嗓門：“礦山復采、尾砂開發的所有資料，我都要孫主任給你備齊了，你來我這住幾天，快寫好快撒出去。”

① 單級膨脹壓差發電工藝

綜上，在進行兩級膨脹壓差發電工藝設計時，應采用等膨脹比的形式。在等膨脹比工況下，一、二級膨脹的膨脹比相同，可有效避免單級膨脹發電負荷過重，延長設備使用壽命；低于0 ℃的天然氣具有良好的冷能可以利用，加熱過程對熱源溫度要求不高。

雖然理論分析與工藝流程模擬證明多級膨脹壓差發電工藝較單級膨脹壓差發電工藝可以輸出更多的技術功功率、發電功率和天然氣冷能，但多級膨脹系統的膨脹級多、設備投資高、工藝控制系統復雜、對技術管理人員要求高。在工程實際中是否采用多級膨脹工藝，需要結合設備成本、技術水平、冷熱源及配套產業情況綜合考慮。

5 案例分析

國內某門站天然氣調壓壓差發電制冰項目，設計流量為16 000 m

/h，進口天然氣為4.0 MPa、20 ℃，經透平膨脹機膨脹至1.6 MPa、-30 ℃；-30 ℃的天然氣與制冷劑R404a換熱后升高至5 ℃

。該項目采用單級膨脹壓差發電工藝，制冰采用朗肯循環。該工藝每小時發電量為200 kW·h,用于制冰的冷量470 kW·h。經濟性方面，制冰系統的制冷性能系數COP約為2，故該制冰工藝相當于每小時節電235 kW·h。項目在經濟性分析時，工藝年運行8 600 h，年節電量202×10

kW·h，按0.85 元/(kW·h)計，年收入171×10

元。

將該項目改用兩級膨脹工藝，模擬時選用參數與原項目保持一致，忽略流量波動情況，采用16 000 m

/h的設計流量，進口天然氣為20 ℃、4.0 MPa，出口天然氣為1.6 MPa、5 ℃，采用等膨脹比的工況(中間壓力為2.5 MPa)，制冰系統參數保持不變。對改進后的工藝進行模擬，工藝年運行時間8 600 h(與原項目保持一致)，計算其收益情況。模擬時膨脹機等熵效率取75%，發電機發電效率取95%，單級膨脹與兩級膨脹模擬結果對比見表3。

傳統知識服務商在集成海量二次文摘與引文數據庫的基本上，普遍會提供一些統計分析服務，如針對主題進行趨勢分析，如年度趨勢發展、機構分布、區域分布等，以及發現技術發展方向、跨學科研究主題等。

根據表3，采用兩級膨脹每小時發電量提高39%，每小時天然氣產生冷能較原工藝提高12%。采用兩級膨脹工藝，保持制冰系統不變，工藝年運行時間不變，制冰所需冷量仍然來自天然氣冷能與冷卻塔，制冰系統的COP仍為2，制冰工藝相當于每小時節電326.65 kW·h，每年節電280×10

kW·h,年收入238×10

元。

市場風險主要是由數據的真實性造成的，同時也包括金融交易中的不正當行為以及對數據的壟斷。對大數據的分析存在質和量兩大因素，但也只是數據之間行為，一旦數據出現差錯，那么對金融風險的預測和防范就失真了，進而會引發市場風險。此外，有實力的金融企業會把含金量高的數據進行壟斷，從而使金融市場的天平向某一方向傾斜，大數據也就因此失去了有效的市場調節作用，促使了市場風險的加劇。

6 結論

① 多級膨脹壓差發電工藝由多個膨脹機與加熱器交錯串聯組成，通過加熱提高天然氣的比焓，提高輸出技術功功率與發電功率，解決天然氣出口溫度低于管道韌脆轉變溫度的問題。

與他相反，劉雁衡教外國文學史，卻常常跑到中國文學上來。在說到某部外國經典時，總是抗衡似的，舉出中國相應的一部著作，與洋鬼子理論一番，切磋一番。這使得學生廣為不滿，女生甚至給他起了個雅號：大唐進士。幸好，劉雁衡在報紙副刊發表的新詩，都是呼喚光明與民主的，這才抵消了學生的不滿心理。

② 多級膨脹工藝的膨脹級數越高，多級膨脹工藝越接近等溫過程，可利用多級膨脹工藝提高天然氣壓差發電工藝的發電功率。

③ 在天然氣初、終狀態相同的情況下，對兩級膨脹與單級膨脹工藝進行模擬對比，驗證了兩級膨脹工藝輸出技術功高于單級膨脹工藝。在等膨脹比工況下，可有效避免單級膨脹發電負荷過重，延長設備使用壽命；低于0 ℃的天然氣具有良好的冷能，對加熱熱源溫度要求不高。

④ 對國內某門站調壓壓差發電制冰工藝進行兩級膨脹與單級膨脹工藝的模擬，與單級膨脹相比，等膨脹比的兩級膨脹每小時發電量高、經濟性好。

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