天然气分输调压站压力能利用方案研究

蒋宏业 王志辉(西南石油大学石油与天然气工程学院)

天然气分输调压站压力能利用方案研究

蒋宏业 王志辉(西南石油大学石油与天然气工程学院)

城市门站的天然气由高压降到低压的过程中，存有大量压力能，可利用㶲分析法进行分析。表述了当前针对压力能的回收利用方式，并结合某一典型分输调压站现状，提出一种综合利用压力能的工艺流程，提高能源利用效率。

随着清洁能源天然气的普及，天然气管道呈现距离长、口径大、压力高的趋势。其中陕京二线、川气东送和西气东输一线的设计压力为10MPa，西二线设计压力已达到12MPa。

高压天然气通过输气干线到达分输调压站后需结合买方需求的压力进行调节，然后再输送给城市燃气用户、工业用户等。天然气从高压调至低压过程中，将产生相当大的压降，且有大量能量释放。若将这部分压力能进行回收利用，进可有力地推动能源利用率的提高，改善管网运行经济性。

本文采用㶲分析法对压力能进行分析，介绍当前压力能主要利用方式，结合某一分输调压站实际，设计一种压力能利用工艺流程。

1 㶲分析法对高压天然气压力能的理论分析

㶲是某种能量在理论上能够可逆地转换为功的最大数量，称为该能量中具有的可用能，利用㶲分析法来评价天然气管网可以利用的压力能是比较科学的。

应用热力学知识分析，可以把输送天然气的管网当做一种开口系统。单位质量的稳定物流的焓㶲为：

式中：T0—环境温度；h0、s0—物流在环境状态下对应的比焓和比熵；h、s—物流所在状态下的比焓和比熵。根据热力学中熵的关系式：

稳定流动时，开口系统的焓㶲表达式为：

ex,T为温度㶲：

ex,P为压力㶲：

在工质等温流动时，膨胀做出的技术功即为压力㶲。

对于10 MPa的天然气管网输气压力，用户需求压力为0.3MPa，则可利用的压力能最大数值为534.2 kJ/kg。而西气东输干线管道年设计输气量120亿标方，若取甲烷比容1.5 m3/kg（0.1MPa，20℃），则管路质量流量为80×108kg/a，那么可利用的压力能数量为42736×108kJ/a，与一座装机489.2 MW电站一年的发电量相当。

由此可知，当管网中天然气的输送压力越高，而用户端需求压力越低，且输送量越大时，高压天然气中其所拥有的压力能量越多。

2 高压天然气压能利用的途径

当前，对高压天然气中的压力能量利用研究主要集中于发电和制冷两领域。回收利用采用的关键设备为涡流管、透平膨胀机和气波制冷机等，这些设备可以取代调压阀等调压装置实现高压天然气的降压。

2.1 将高压天然气管网中的压力能量用于发电

利用天然气压能发电技术的主要原理，是利用高低压差带动膨胀机做功转换为机械能，由膨胀机再带动发电机发电。据文献记载，二十世纪初，日本东京电力公司宣布利用天然气差压能进行发电，并建设一座电站，其发电量为7700kW[1]。

2.2 天然气管网压力能量用于制冷领域

高压天然气膨胀时，因放热而产生温降，产生的冷量可用于制备LNG和NGH储气调峰、冷库、冷水空调、低温粉碎旧橡胶等方面[1]。

①制备LNG和NGH

城市天然气需求量随着季节、昼夜和时段的变化波动非常大，若能将用气低谷时多余的天然气以LNG或NGH等方式储存。在用气高峰时期，利用储存的天然气补充需求缺口，对于保持天然气平稳供给有重要作用。

②用于冷库系统

据了解，压力5.0MPa，温度20℃的天然气经过气波制冷机后，当出口压力降至0.5MPa时，温度可到达-58℃[2]。因此，可以采取“梯级利用”方式，实现对天然气降压冷能的高效利用。

3 某天然气分输调压站压能利用工艺

据了解，冀宁联络线某分输调压站下游用户既有居民城市燃气用户，又有CNG用户。现有场站工艺中配置有两组调压装置，用于将上游侧高压天然气调压至低压后分输给燃气用户，调压后管线因低温易出现冰堵需要长年增加电伴热，耗费电能。而CNG用户则采取高压天然气直接输送，然后用户再利用压缩机压缩至20MPa再储存至槽车运输，压缩机消耗大量电能。

通过研究天然气压能回收利用方式，综合此天然气站现场实际，立足整体，将上下游看成一体，笔者提出一种综合利用压力能工艺流程，图1。

图1 天然气管网压能综合利用工艺简图

此工艺流程在原调压装置基础上增设一套压力能发电装置，原调压装置可备用。将高压天然气降为低压时调压中的压力能用于发电，电能输送给CNG用户的压缩机使用，再通过冷媒吸收降压后低温天然气中的冷量，可以用在冷却工作中的压缩机和压缩后的高温天然气。

通过综合布局，针对此分输调压站与下游用户之间的各自实际需求，将相关方有机联系成统一整体，实现压力能回收同时，消除冰堵风险，还能产生一定的经济效益。

4 结语

高压天然气中蕴藏大量的压力能，可应用于发电、制冷等方面。如何最大程度提高压力能回收利用效率，并实现从理论到实验再到商业化推广，需要从技术、设备和环境等角度全方面考虑。但是，天然气压力能回收对提高天然气管网运行经济性有重要作用，是非常具有发展潜力的一项技术。

[1]《中国能源》编辑部.日利用天然气压差发电[J].中国能源，2002（11）：45.

[2]罗东晓.回收高压管输气压力能用于冷库的技术[J].上海燃气，2010，(5)：33-35.