樊栓獅 陳玉娟 鄭惠平 徐文東 郎雪梅

華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

利用管網(wǎng)壓力能制備天然氣水合物的調(diào)峰新技術(shù)

樊栓獅 陳玉娟 鄭惠平 徐文東 郎雪梅

華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

高壓天然氣管網(wǎng)節(jié)流調(diào)壓過程中會(huì)產(chǎn)生大量的壓力能,絕大部分壓力能不僅被浪費(fèi)了,而且還會(huì)對(duì)下游管道設(shè)備造成一定的冷破壞。為此,開發(fā)了一種利用管網(wǎng)壓力能制備天然氣水合物調(diào)峰新技術(shù),充分利用天然氣膨脹產(chǎn)生的冷量制備天然氣水合物,以供城市燃?xì)鈨?chǔ)氣調(diào)峰。計(jì)算結(jié)果表明,管網(wǎng)天然氣流量為1 000 kg/h,進(jìn)口溫度為25℃,進(jìn)口壓力為8.0 M Pa,出口溫度為-112℃,出口壓力為0.4 M Pa時(shí),最高制冷量可達(dá)71 kW,有效利用冷量達(dá)60 kW,生成的天然氣水合物可儲(chǔ)存100 m3天然氣。該工藝既有效回收了管網(wǎng)壓力能,又實(shí)現(xiàn)了天然氣的安全儲(chǔ)存和調(diào)峰,具有廣闊的發(fā)展前景。

天然氣 管網(wǎng) 壓力能 制冷 天然氣水合物 調(diào)峰 儲(chǔ)存

以西氣東輸二線的啟動(dòng)為標(biāo)志,我國(guó)天然氣管網(wǎng)正式進(jìn)入快速發(fā)展階段,并將呈現(xiàn)西氣東輸、北氣南下、海氣上岸、就近外供的特點(diǎn)[1]。高壓輸氣可以減小管道管徑,節(jié)省管材和施工費(fèi)用,故當(dāng)前世界上天然氣的長(zhǎng)輸管道均采用高壓輸送,國(guó)外大多數(shù)天然氣管道的運(yùn)行壓力為8～12 M Pa[2-3]。

高壓天然氣管網(wǎng)中蘊(yùn)藏著巨大的壓力能,但在給普通用戶供氣時(shí)經(jīng)調(diào)壓站調(diào)壓,這部分壓力能大部分被損失掉了。目前,日本通過天然氣壓差發(fā)電來回收管網(wǎng)的壓力能[4-5],而我國(guó)這部分寶貴的壓力能在門站的節(jié)流調(diào)壓過程中卻被白白浪費(fèi)了[6]。以日處理50 ×104m3的門站為例,壓力從 4.0 M Pa降至 0.4 M Pa,導(dǎo)致的壓力能損失約為1.02×109J/h,即每年的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2 652萬元人民幣。巨大的壓力能不但沒有得到利用,而且在降壓過程中還會(huì)產(chǎn)生大量的噪音,且急劇降溫也會(huì)對(duì)管道及調(diào)壓設(shè)備的運(yùn)行帶來危險(xiǎn)。如果能回收利用該部分壓力能,則不僅可以提高能源利用率和天然氣管網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)還可以消除降壓過程中的噪音和設(shè)備的損傷隱患[7]。

天然氣水合物是天然氣與水在低溫高壓下形成的籠形固體,1 m3的天然氣水合物理論上可以儲(chǔ)存150～180 m3的天然氣,具有較好的儲(chǔ)氣調(diào)峰作用,而天然氣水合物的形成需要較多的冷量。為此,筆者提出一種高效利用天然氣管網(wǎng)壓力能制備天然氣水合物的調(diào)峰工藝,將天然氣調(diào)壓過程與天然氣水合物生成工藝有機(jī)結(jié)合,在有效回收利用天然氣管網(wǎng)壓力能的同時(shí),為天然氣水合物的生成與儲(chǔ)存提供條件,以實(shí)現(xiàn)城市燃?xì)庹{(diào)峰[8]。

1 可回收的天然氣管網(wǎng)壓力能

高壓天然氣經(jīng)天然氣門站降壓后才能進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng),在此過程中天然氣壓力降低,體積膨脹并對(duì)外做功,同時(shí)天然氣的溫度降低,從而產(chǎn)生冷能。

一定形式的能量或一定狀態(tài)的物質(zhì),經(jīng)過完全可逆的變化過程(傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等)后,達(dá)到與環(huán)境完全平衡的狀態(tài),這個(gè)過程中該能量或物質(zhì)所能做的最大可用功稱為火用。利用火用分析法來評(píng)價(jià)天然氣管網(wǎng)可利用的壓力能是比較科學(xué)的[9]。

根據(jù)熱力學(xué)中熵的關(guān)系式可得焓火用表達(dá)式為:

式中ex,T為溫度火用,ex,T=h-h0-T0cplnex,p為壓力火用,ex,p=T0R ln

因此穩(wěn)流物質(zhì)的焓火用可分解為在壓力 p情況下系統(tǒng)與環(huán)境之間因熱不平衡而具有的溫度火用ex,T和在環(huán)境溫度 T0時(shí)系統(tǒng)與環(huán)境之間因力不平衡而具有的壓力火用ex,p兩部分。壓力火用相當(dāng)于工質(zhì)等溫流動(dòng)時(shí)由于膨脹做出的技術(shù)功,計(jì)算中假定天然氣全部由甲烷構(gòu)成,取環(huán)境壓力為0.1 M Pa,環(huán)境溫度為20℃,不同天然氣管網(wǎng)壓力下,單位質(zhì)量天然氣具有的壓力火用如圖1所示[10]。

圖1 不同壓力下單位質(zhì)量天然氣的火用值圖

由此可見,天然氣管網(wǎng)蘊(yùn)藏的壓力能很大,筆者采用壓力能制冷的方法將壓力能制冷的冷量用于天然氣水合物的形成,一方面將冷量?jī)?chǔ)存在天然氣水合物中,可用于空調(diào)機(jī)組蓄冷,不但充分利用了壓力能制冷的能量,還可以利用生成的天然氣水合物來調(diào)峰[8]。

2 天然氣水合物的儲(chǔ)氣、調(diào)峰原理

天然氣水合物(Natural Gas Hydrate)是一種由水分子形成孔穴吸附小的烴類氣體分子而構(gòu)成的類冰籠形結(jié)晶化合物。在天然氣水合物中,水分子形成一種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),以氫鍵相互連接,與所吸附的氣體分子通過Vander Walls力作用保持天然氣水合物的穩(wěn)定[11]。天然氣水合物的生成需要高壓低溫環(huán)境,甲烷及甲烷水合物相圖如圖2所示。1 m3的天然氣水合物理論上可以儲(chǔ)存150～180 m3的天然氣,因此天然氣水合物存儲(chǔ)技術(shù)是一種高密度存儲(chǔ)能源方法。

在夜晚天然氣用氣低谷時(shí),利用天然氣水合物可將多余的天然氣儲(chǔ)存起來,同時(shí)可以將天然氣壓差產(chǎn)生的能量加以利用;在白天用氣高峰時(shí),將天然氣水合物分解,補(bǔ)充天然氣用量,并且將產(chǎn)生的冷量用于空調(diào)、冷庫(kù)等,可減少城市電網(wǎng)的電能消耗,實(shí)現(xiàn)城市天然氣管網(wǎng)的調(diào)峰功能,并能大幅提高能量利用效率。天然氣水合物儲(chǔ)氣調(diào)峰原理示意圖如圖3。

圖2 甲烷及甲烷水合物相圖

圖3 天然氣水合物儲(chǔ)氣調(diào)峰原理示意圖

3 冷能利用與天然氣水合物制備與調(diào)峰

為了有效回收利用天然氣管網(wǎng)壓力能,提高能源利用效率,減少高壓天然氣降壓對(duì)設(shè)備造成的冷破壞,利用膨脹制冷機(jī)組充分回收管網(wǎng)壓力能,并利用壓力能制冷,將產(chǎn)生的冷量供給制備天然氣水合物所需的冷量,用氣低谷時(shí)將剩余的天然氣生成天然氣水合物,用氣高峰時(shí),該天然氣水合物可以分解釋放天然氣進(jìn)入城市管網(wǎng),由此具備較好的儲(chǔ)氣、調(diào)峰功能。該工藝將壓力能制冷與天然氣水合物制備調(diào)峰技術(shù)集成起來,有效解決了天然氣管網(wǎng)壓力能利用和天然氣調(diào)峰問題。該流程包括4個(gè)部分:管網(wǎng)壓力能制冷、天然氣水合物制備、天然氣水合物儲(chǔ)氣與調(diào)峰和冷媒循環(huán)。具體工藝流程圖如圖4。

3.1 管網(wǎng)壓力能制冷

高壓天然氣壓力為5～8 M Pa,進(jìn)入天然氣門站后,將天然氣分流成a、b兩股(圖4)。將a股高壓天然氣經(jīng)過膨脹機(jī)組降壓制冷,壓力下降至0.4～1.6 M Pa,溫度降至-112～-33℃,膨脹后的天然氣在換熱器中與冷媒進(jìn)行冷量交換,天然氣溫度提高到5℃左右,進(jìn)入城市管網(wǎng)供用戶使用。冷媒溫度降至-60～0℃,其冷量提供為制備天然氣水合物所需的冷量。

圖4 壓力能制冷與水合物集成工藝流程圖

3.2 天然氣水合物制備

如圖4,b股高壓天然氣進(jìn)入天然氣水合物生成塔,塔頂噴出水滴小顆粒,水氣在低溫高壓作用下生成天然氣水合物漿,其中冷媒低溫儲(chǔ)罐中的冷媒為天然氣水合物生成塔提供冷量,將天然氣水合物生成塔溫度降至1～11℃。生成的天然氣水合物漿進(jìn)入儲(chǔ)罐儲(chǔ)存以備天然氣調(diào)峰。

3.3 天然氣水合物儲(chǔ)氣與調(diào)峰

用氣低谷時(shí),利用壓力能產(chǎn)生的冷量,將過剩的天然氣儲(chǔ)存在天然氣水合物中。

用氣高峰時(shí),利用冷水空調(diào)機(jī)組中經(jīng)換熱升溫的冷媒對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)罐供熱,將天然氣水合物分解,可補(bǔ)充城市天然氣用量,還可將產(chǎn)生的冷量用于空調(diào)、冷庫(kù)等,減少城市電網(wǎng)的電能消耗,實(shí)現(xiàn)城市天然氣管網(wǎng)、電網(wǎng)的調(diào)峰功能,并大幅提高能量的利用效率。

3.4 冷媒循環(huán)

a股高壓天然氣進(jìn)入膨脹機(jī)組膨脹后,在換熱器中與冷媒進(jìn)行冷量交換,冷媒將儲(chǔ)存的冷量先后供給天然氣水合物儲(chǔ)罐及天然氣水合物生成塔,換熱完畢后溫度升高重新進(jìn)入換熱器與膨脹后的天然氣進(jìn)行冷量交換,形成1個(gè)循環(huán);天然氣水合物氣化時(shí),天然氣水合物分解釋放的冷量由冷媒帶出,送入冷水空調(diào)機(jī)組與環(huán)境換熱,換熱升溫后的冷媒返回天然氣水合物儲(chǔ)罐,為天然氣水合物的分解提供熱量,冷媒循環(huán)使用。

4 中試方案舉例

以某天然氣接收門站設(shè)計(jì)為例進(jìn)行流程模擬及分析,假定工藝流程模擬初始條件為:天然氣氣源為純甲烷,進(jìn)口溫度為25℃,進(jìn)口壓力為5.0～8.0 M Pa,流量為1 000 kg/h,通過對(duì)流程的操作工藝進(jìn)行模擬與優(yōu)化,改變天然氣進(jìn)出口壓力為5.0～8.0 M Pa,達(dá)到天然氣水合物的生成條件(生成壓力為 5.0～8.0 M Pa,生成溫度為6～11℃),得到最高制冷量為71 kW,有效利用冷量達(dá)60 kW,天然氣水合物生成量為403～1 203 kg/h。具體結(jié)果如表1。

模擬結(jié)果表明,回收的天然氣管網(wǎng)壓力能用于制冷,其制冷量為24～71 kW,冷媒的利用量為20～60 kW,將冷能提供為天然氣水合物生成所需要的冷量,生成的天然氣水合物可儲(chǔ)存34～100 m3的天然氣,在用氣高峰時(shí),生成的天然氣水合物可分解釋放儲(chǔ)存的天然氣,從而實(shí)現(xiàn)天然氣的安全儲(chǔ)存和調(diào)峰。在相同膨脹效率及出口壓力時(shí),隨著進(jìn)氣壓力的增大,制冷量及天然氣水合物生成量隨之增大,因此,壓力越高的高壓天然氣管網(wǎng)可回收的壓力能越多,所制備的天然氣水合物調(diào)峰能力越強(qiáng)。

實(shí)際操作中,在不影響供氣的情況下,可根據(jù)不同用氣量及壓力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,以獲得最佳能量利用效率。例如:在00:00—05:00,天然氣的用氣量為日間用氣量的40%,夜間天然氣的用量為400 kg/h,過剩的600 kg/h天然氣將以天然氣水合物的方式儲(chǔ)存起來。將壓力能制取的冷量用于合成天然氣水合物,冷量利用效率為85%。全天壓力能產(chǎn)生的冷量平均為3.8×106kJ,生成天然氣水合物可儲(chǔ)存天然氣1 493 m3,基本滿足調(diào)峰所需。在10:00—19:00,天然氣用氣量較大,將儲(chǔ)存于天然氣水合物儲(chǔ)罐中的天然氣水合物升溫分解,用于補(bǔ)充城市管網(wǎng)的天然氣缺口,同時(shí),天然氣水合物分解產(chǎn)生的冷量可使40 000 kg溫度為20℃的水降至4℃,此溫位的冷水用于冷水空調(diào)機(jī)組,實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用。

5 結(jié)論

1)將天然氣管網(wǎng)壓力能制冷與天然氣水合物儲(chǔ)氣調(diào)峰技術(shù)聯(lián)合,既充分回收了天然氣管網(wǎng)壓力能,又實(shí)現(xiàn)了用氣低谷時(shí)利用冷能合成天然氣水合物儲(chǔ)存過剩天然氣,用氣高峰時(shí)加熱輸出儲(chǔ)存在天然氣水合物中的天然氣,達(dá)到削峰填谷的目的,有效解決了天然氣管網(wǎng)壓力能利用和天然氣城市調(diào)峰問題。

2)高效回收利用了高壓管網(wǎng)天然氣壓力能,在天然氣進(jìn)口壓力為8.0 M Pa、出口壓力為0.4 M Pa、進(jìn)口溫度為25℃、出口溫度為-112℃、流量為1 000 kg/ h的條件下,最高制冷量可達(dá)71 kW,不需要外加制冷劑,即可實(shí)現(xiàn)天然氣水合物儲(chǔ)氣與調(diào)峰。

3)在工藝操作條件下,天然氣水合物可儲(chǔ)存34～100 m3的天然氣,既能有效回收壓力能用于冷水空調(diào),又能實(shí)現(xiàn)天然氣的安全儲(chǔ)存和調(diào)峰。

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A combination technology of natural gas pipeline network pressure energy usage and hydrate peaking shaving

Fan Shuanshi,Chen Yujuan,Zheng Huiping,Xu Wendong,Lang Xuemei
(Key L aboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation,M inistry of Education,School of Chem istry and Chem ical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong 510640,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.83-86,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The throttling and p ressure regulation of high-p ressure natural gas pipeline network w ill p roduce tremendous p ressure energy,most of w hich is wasted in the p rocess of expansion,thus causing cold damage to the dow nstream.Therefo re,a com bination technology of using natural gaspipeline network p ressure energy efficiently and peak shaving w ith hydrate is developed.The cold energy in the p rocess of gas expansion is fully used to p repare natural gas hydrate for gas storage and peak shaving in city gas supp ly. Calculation results show thatw hen a gaspipeline network w ith gas flow rateof 1000 kg/h iswo rking under the follow ing conditions: inlet p ressure and temperature of 8.0 M Pa and 25℃,outlet p ressure and temperature of 0.4 MPa and -112℃,themaximum cooling capacity can be 71 kW,60 kW of w hich is to be used effectively,w hile the formation of natural gas hydrate w illmake 100 m3natural gas being stored by useof this new technology.Field p ractices p rove that this technology w ill have a bright future not only in the recovery of p ressure energy in gas pipeline netwo rk,but in finding a new meansof gas sto rage and peak shaving for city gas supp ly.

natural gas,pipeline network,p ressure energy,refrigeration,natural gas hydrate,peak shaving,sto rage

樊栓獅等.利用管網(wǎng)壓力能制備天然氣水合物的調(diào)峰新技術(shù).天然氣工業(yè),2010,30(10):83-86.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.020

中澳天然氣技術(shù)伙伴關(guān)系基金項(xiàng)目“新型水凝膠聚合物支撐的籠型甲烷水合物儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)”。

樊栓獅,1965年生,教授,博士;主要從事天然氣水合物研究工作。地址:(510640)廣東省廣州市天河區(qū)五山華南理工大學(xué)五山校區(qū)逸夫工程館302。電話:(020)22236581,13922797160。E-mail:ssfan@scut.edu.cn

(修改回稿日期 2010-08-03 編輯 何 明)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.020

Fan Shuanshi,p rofesso r,holds a Ph.D degree,being engaged in research of natural gas hydrate.

Add:Tianhe District,Guangzhou,Guangdong 510640,P.R.China

Tel:+86-20-2223 6581 Mobile:+86-13922797160 E-mail:ssfan@scut.edu.cn