天然氣壓力能發(fā)電產(chǎn)儲用一體化系統(tǒng)

李 彤， 周 陽-3， 羅東曉

(1.佛燃能源集團股份有限公司， 廣東 佛山 218000； 2.佛山市公用事業(yè)控股有限公司， 廣東 佛山 218000； 3.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 概述

國內(nèi)天然氣調(diào)壓站基本都采用節(jié)流膨脹方式對高壓天然氣降壓穩(wěn)壓，高壓天然氣蘊含的壓力能未得到有效利用[1-5]。2020年全國天然氣消費量約為3 200×108m3，比2019年增加約130×108m3。如此龐大的天然氣消耗量，蘊含的壓力能非常可觀。

目前，我國鮮有回收壓力能轉(zhuǎn)化成電能并加以利用的成功案例，除技術(shù)及設(shè)備原因外，一個重要原因是調(diào)壓站站內(nèi)用電負(fù)荷小，站外周邊耗能企業(yè)少[6]，加之電力公司對壓力能發(fā)電并網(wǎng)外送的諸多限制，使得壓力能發(fā)電無法實現(xiàn)電能生產(chǎn)與使用間的動態(tài)平衡(簡稱產(chǎn)用實時平衡)，導(dǎo)致系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。由此可見，開發(fā)出一項并網(wǎng)不上網(wǎng)條件下，能將壓力能產(chǎn)生的電能合理利用并確保電力供需平衡的技術(shù)方案，能有效促進壓力能回收利用技術(shù)向前發(fā)展。

2 壓力能特性與調(diào)壓站電力負(fù)荷

調(diào)壓站天然氣壓差、供氣負(fù)荷曲線等參數(shù)是設(shè)計壓力能發(fā)電方案的考量因素。壓力能取決于天然氣流量和上下游壓差，壓力能有效回收利用率與工況條件有很大關(guān)系，供氣壓力、流量變化幅度大的工況，壓力能有效回收利用率較低。此外，壓力能有效回收利用率與技術(shù)方案及設(shè)備選型也有較大關(guān)系。

調(diào)壓站供氣負(fù)荷曲線與供氣管網(wǎng)用戶結(jié)構(gòu)有關(guān)，以工商業(yè)用戶為主的管網(wǎng)，供氣負(fù)荷均衡平穩(wěn)，適合實施壓力能回收利用，壓力能有效回收利用率也較高。

分析典型調(diào)壓站站內(nèi)能源需求可知，調(diào)壓站主要能源消耗為電力，用于站內(nèi)生產(chǎn)系統(tǒng)、照明及空調(diào)系統(tǒng)等，呈現(xiàn)出低負(fù)荷、不連續(xù)、易波動等特點。在孤網(wǎng)或并網(wǎng)不上網(wǎng)條件下，站內(nèi)只有生產(chǎn)系統(tǒng)用電相對均衡，照明及空調(diào)系統(tǒng)用電均呈季節(jié)性、時段性特點，使得站內(nèi)電力負(fù)荷變化幅度大，導(dǎo)致壓力能回收利用較為困難。

3 壓力能回收利用技術(shù)與難點、要點

3.1 壓力能回收利用技術(shù)

回收調(diào)壓站壓力能并合理利用的技術(shù)較多，較為典型的是高壓天然氣驅(qū)動透平膨脹機發(fā)電，電能就地利用，膨脹做功后的低溫天然氣與冷媒交換熱量，換熱后的冷媒提供冷能給用戶。該技術(shù)成熟度較高，有一些應(yīng)用案例，但也存在不足[4]。

3.2 難點分析

① 因系統(tǒng)特點以及膨脹機等主要設(shè)備的特性，要求系統(tǒng)工況平穩(wěn)、發(fā)電功率相對穩(wěn)定。然而站內(nèi)用電負(fù)荷較小、變化幅度大，且周邊無耗電客戶，導(dǎo)致不能產(chǎn)用實時平衡[7]。

② 并網(wǎng)手續(xù)復(fù)雜，上網(wǎng)電價過低，審批難度大，投資很高。因此只能采用孤網(wǎng)或并網(wǎng)不上網(wǎng)模式。

③ 站內(nèi)及周邊難以找到合適的冷能客戶，導(dǎo)致膨脹發(fā)電后天然氣溫降問題難以解決。

3.3 要點分析

① 依據(jù)現(xiàn)場工況條件，設(shè)置合理的基準(zhǔn)設(shè)計負(fù)荷，確保進入回收裝置的天然氣流量最大化，可利用壓差最大化，以提高壓力能有效回收利用率。

② 按照流程簡捷、安全可靠的原則優(yōu)化工藝技術(shù)方案，力求系統(tǒng)變工況適應(yīng)能力強，達(dá)到產(chǎn)用實時平衡。

③ 選擇安全性能優(yōu)良、可靠性高的關(guān)鍵設(shè)備，特別是先進的、轉(zhuǎn)換效率高的膨脹機。

④ 確保通過回收裝置的天然氣壓力穩(wěn)定，系統(tǒng)操作方便。

(1)地面直達(dá)波實驗——荒漠區(qū)。實驗區(qū)位于古爾班通古特沙漠南緣，距烏魯木齊市區(qū)約70 km。地貌類型以近南北走向的沙壟為主，長度數(shù)百米到10 km不等，相對高度10～50 m，沙壟頂部和壟間低地的梭梭群落呈稀疏分布，地表有較稀疏的一生年草本和短命、類短命植被分布。

4 天然氣壓力能發(fā)電產(chǎn)儲用一體化系統(tǒng)

4.1 基本思路

實現(xiàn)產(chǎn)用實時平衡是實施壓力能回收利用技術(shù)的核心，因此，有必要提高調(diào)壓站或周邊的用電負(fù)荷，尤其是靈活性和均衡性用戶的用電負(fù)荷。在此基礎(chǔ)上，通過削峰填谷措施，確保在并網(wǎng)不上網(wǎng)條件下，實現(xiàn)產(chǎn)用實時平衡或用電量大于發(fā)電量。

4.2 技術(shù)方案

為增加負(fù)載靈活性和發(fā)電利用率，一方面，在站外設(shè)置新能源汽車充電樁；另一方面，面向可拆卸電池的電瓶車用戶開展換電池業(yè)務(wù)，將用戶電池拆卸后統(tǒng)一運送至調(diào)壓站充電。同時，增加儲、放電環(huán)節(jié)削峰填谷[8]，形成天然氣壓力能發(fā)電產(chǎn)儲用一體化系統(tǒng)，巧妙利用儲、充電裝置解決產(chǎn)用實時平衡問題。

天然氣壓力能發(fā)電產(chǎn)儲用一體化系統(tǒng)見圖1，主要包括基于雙轉(zhuǎn)子膨脹機的電冷生產(chǎn)單元、配電裝置、儲能電池、用能負(fù)載以及對各裝置進行智能控制的能量管理系統(tǒng)(圖1未顯示)。用能負(fù)載包含充電樁、充電裝置、站內(nèi)負(fù)載、應(yīng)急電阻柜。站內(nèi)負(fù)載的用電負(fù)荷為常態(tài)負(fù)荷，充電樁和充電裝置的用電負(fù)荷為動態(tài)負(fù)荷，應(yīng)急電阻柜(功率可變)的用電負(fù)荷為應(yīng)急負(fù)荷。儲能電池的用電負(fù)荷為平衡負(fù)荷。

圖1 天然氣壓力能發(fā)電產(chǎn)儲用一體化系統(tǒng)

系統(tǒng)工作流程：在天然氣調(diào)壓站內(nèi)現(xiàn)有調(diào)壓回路旁增設(shè)一路壓力能發(fā)電和冷能回收回路。常溫高壓天然氣通過該回路進入雙轉(zhuǎn)子膨脹機膨脹做功，帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能；同時膨脹后的低溫天然氣與冷媒換熱，低溫冷媒供冷能給用戶使用。產(chǎn)生的電通過配電裝置輸出，一路供給用能負(fù)載，包括新能源汽車充電樁、開展換電池業(yè)務(wù)的充電裝置、站內(nèi)負(fù)載和應(yīng)急情況下使用的可變功率應(yīng)急電阻柜(消耗系統(tǒng)富余電能)；另一路進入儲能電池儲電。在配電裝置輸入端，除天然氣壓力能產(chǎn)生的電外，還有市政電網(wǎng)供電以及儲能電池放電。將天然氣壓力能發(fā)電產(chǎn)生的電功率稱為發(fā)電功率，將常態(tài)負(fù)荷與動態(tài)負(fù)荷之和稱為總用電負(fù)荷。當(dāng)發(fā)電功率小于總用電負(fù)荷時，優(yōu)先使用儲能電池釋放的電能，若仍不能滿足負(fù)荷需求，將借助市政電網(wǎng)供電作為補充。

4.3 運行策略

當(dāng)發(fā)電功率大于總用電負(fù)荷時，合理調(diào)配各路用電負(fù)荷，輔以儲能電池儲電以及應(yīng)急電阻柜啟動，做到產(chǎn)用實時平衡。當(dāng)發(fā)電功率小于總用電負(fù)荷且儲能電池放電仍不滿足負(fù)荷需求時，借助市政電網(wǎng)供電作為補充，確保供需平衡。各裝置啟停由能量管理系統(tǒng)決定，具體運行策略如下。

① 當(dāng)總用電負(fù)荷小于發(fā)電功率時，配電裝置與市政電網(wǎng)斷開，用電設(shè)備全部由壓力能發(fā)電裝置供電，多余電量通過AC/DC整流器轉(zhuǎn)換為直流電，輸入儲能電池中儲存，由儲能電池充電削峰，系統(tǒng)達(dá)到平衡。即：產(chǎn) = 用(常態(tài)負(fù)荷+動態(tài)負(fù)荷)+儲(平衡負(fù)荷)。

② 當(dāng)儲能電池儲電趨于飽和而發(fā)電功率仍有富余時，通過應(yīng)急電阻柜消耗多余電能削峰，達(dá)到系統(tǒng)平衡。即：產(chǎn) = 用(常態(tài)負(fù)荷+動態(tài)負(fù)荷)+儲(平衡負(fù)荷)+應(yīng)急負(fù)荷。

③ 當(dāng)常態(tài)負(fù)荷與動態(tài)負(fù)荷均為0且儲能電池達(dá)到儲電飽和極端狀態(tài)時，為確保系統(tǒng)平衡，發(fā)電全部由應(yīng)急電阻柜消耗，即：產(chǎn) = 應(yīng)急負(fù)荷。

④ 當(dāng)總用電負(fù)荷大于發(fā)電功率時，能置管理系統(tǒng)向儲能電池發(fā)出指令，儲能電池所儲電能經(jīng)DC/AC逆變器轉(zhuǎn)化為交流電后,經(jīng)配電裝置向用電設(shè)備供電，系統(tǒng)達(dá)到平衡。即：產(chǎn) + 儲(平衡負(fù)荷) = 用(常態(tài)負(fù)荷+動態(tài)負(fù)荷)。

⑤ 當(dāng)總用電負(fù)荷大于發(fā)電功率且儲能電池放電仍不能滿足要求時，不足部分由市政電網(wǎng)補充。即：產(chǎn) + 儲(平衡負(fù)荷) + 市電 = 用 (常態(tài)負(fù)荷+動態(tài)負(fù)荷)。

4.4 運行基本原則

為確保壓力能發(fā)電裝置平穩(wěn)運行，縮小波動范圍，力求發(fā)電功率在額定功率的70%～95%運行。

避免壓力能發(fā)電裝置頻繁啟停。

及時釋放儲能電池所儲電能，保持儲能電池處于低荷電狀態(tài)。

盡量避免應(yīng)急電阻柜運行，或使其低負(fù)荷運行，保證電能的有效利用。

力求發(fā)電功率不大于總用電負(fù)荷，必要時調(diào)整發(fā)電功率以達(dá)到產(chǎn)儲用平衡。

5 結(jié)語

利用城鎮(zhèn)燃?xì)庹{(diào)壓站高壓天然氣壓力能發(fā)電，結(jié)合新能源充電樁、儲能電池、應(yīng)急電阻柜等，構(gòu)建天然氣壓力能發(fā)電產(chǎn)儲用一體化系統(tǒng)，輔以市政電網(wǎng)引入、壓力能發(fā)電功率調(diào)整等方式，通過優(yōu)化運行策略，實現(xiàn)發(fā)電與用電實時平衡，實現(xiàn)了削峰填谷，是一種可持續(xù)發(fā)展的能源利用方式。