賴瑞康 陳樂樂

摘要：天然氣以高壓方式通過長輸管道輸送到終端用戶后，通常需要通過調(diào)壓設(shè)備進(jìn)行降壓處理，以便與城市居民和工商業(yè)終端用戶用氣設(shè)施匹配。國內(nèi)的現(xiàn)實情況是，調(diào)壓過程中天然氣內(nèi)蘊含的巨大壓力能不僅輸送調(diào)壓過程中被白白浪費掉，而且還因為急劇降溫對調(diào)壓及管道設(shè)備運行安全構(gòu)成威脅。研究壓力能回收利用技術(shù)，將其用于發(fā)電、冷庫、冷水空調(diào)、制冰、空氣分離、干冰生產(chǎn)、橡膠深冷粉碎以及天然氣輕烴分離等領(lǐng)域，能量循環(huán)利用，節(jié)能效果顯著，同時可消除生產(chǎn)過程產(chǎn)生的噪音和設(shè)備安全隱患。經(jīng)濟(jì)、社會效益都將十分可觀，市場推廣應(yīng)用前景廣闊，對于提高能源利用效率、促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義，高效利用天然氣管網(wǎng)壓力能是天然氣產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：天然氣；高壓管線；膨脹機(jī)；輸氣管網(wǎng)；壓差；內(nèi)能

城市燃?xì)饨?jīng)過高壓（或次高壓）輸氣管線進(jìn)入城市輸氣管網(wǎng)（輸氣干線或支線），通過調(diào)壓器的節(jié)流，使壓力降低，再依次進(jìn)入壓力更低一級的管網(wǎng)。為回收利用天然氣管網(wǎng)的壓力差，可采用余壓透平發(fā)電系統(tǒng)（TRT）。通過透平膨脹機(jī)做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電進(jìn)行二次能源的回收。城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿缐毫Ψ旨壢缦卤硭荆?/p>

由工程熱力學(xué)理論可知，當(dāng)天然氣具備一定的壓力和溫度時，就具備了一定的能量，即由壓力所體現(xiàn)的勢能和由溫度所體現(xiàn)的動能，二者合稱為天然氣的內(nèi)能。在用減壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)時，部分內(nèi)能損失。在膨脹機(jī)技術(shù)出現(xiàn)之前，人們還無法對這部分能量進(jìn)行回收。今天利用天然氣在膨脹機(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹，內(nèi)能降低而對外做功，并由膨脹機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)將能量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行回收。透平膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組的工作原理，按能量轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為速度式和容量式兩大類。速度式膨脹機(jī)適用于流量大、負(fù)荷穩(wěn)定的場合，如蒸汽透平、燃?xì)馔钙降?；容量式膨脹機(jī)適用于小流量、負(fù)荷波動大的場合，如螺桿膨脹機(jī)等。以速度式膨脹機(jī)為例，介紹其工作原理。透平膨脹機(jī)是一種使壓縮氣體膨脹并輸出功率的機(jī)械設(shè)備，因而壓力降低和能量減少的原動機(jī)，在透平膨脹機(jī)中，氣體的能量交換發(fā)生在導(dǎo)流器的噴嘴葉片間與工作葉輪內(nèi)。高壓氣流在噴嘴內(nèi)進(jìn)行部分膨脹，然后以一定的速度進(jìn)入葉輪，推動葉輪旋轉(zhuǎn)。氣流進(jìn)入葉輪后還會進(jìn)一步膨脹，氣流的反沖力進(jìn)一步推動葉輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的葉輪軸可驅(qū)動發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，由于氣體在膨脹機(jī)中通過的時間極短，來不及與周圍環(huán)境進(jìn)行熱量交換，絕熱效率很高，因而，此過程可視為等熵膨脹。進(jìn)入透平膨脹機(jī)的氣體流量可以通過導(dǎo)流葉片來進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化。

目前，國外很多先進(jìn)國家很早對差壓發(fā)電的技術(shù)進(jìn)行了廣范應(yīng)用，我國長輸天然氣大多采用高壓管輸方式，輸送的高壓天然氣經(jīng)調(diào)壓站降至中壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，再借助于調(diào)壓站箱將壓力降至低壓后供用戶使用。天然氣在調(diào)壓過程中會損失大量的壓力能，還會因為急劇降溫對調(diào)壓及管道設(shè)備運行安全構(gòu)成威脅。從天然氣高壓管線輸送來的高壓天然氣在送到用氣點之前，通常需要根據(jù)下游用戶的供氣壓力要求先進(jìn)行降壓，在此過程中將產(chǎn)生很大的壓力降，同時釋放出大量的能量。目前此降壓過程多通過大型減壓閥等調(diào)壓裝置實現(xiàn)，能量白白損失掉而沒有得到很好的利用。透平膨脹機(jī)組由于其工作特性，可替代減壓裝置，將這部分壓力能有效回收，用于發(fā)電及制取所需的冷量。

壓力能利用主要方式有：發(fā)電、天然氣液化、CNG加壓、制冰、空調(diào)及其他場站用電方面；所得到的冷量可用于冷庫、冷水空調(diào)、制冰等。

如果能采取適當(dāng)?shù)拇胧┗厥绽脡毫δ?，將提高能源的利用率，減少資源浪費，對提高天然氣管網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)性具有十分積極的意義。

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管道余壓透平發(fā)電系統(tǒng)（Top Pressure Recovery Turbine Unit，TRT）是利用燃?xì)獾膲毫⒐茌斕烊粴鈱?dǎo)入透平膨脹機(jī)，經(jīng)兩級動靜葉片不斷膨脹做功，帶動透平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，透平轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電的能量回收系統(tǒng)。由TRT 透平主機(jī)系統(tǒng)、高低壓發(fā)配電系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、氮氣密封系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)等系統(tǒng)及配套設(shè)施組成。國內(nèi)第一臺安裝的 TRT 是在首都鋼鐵公司，于 1981 年引進(jìn)日立造船制造的設(shè)備，裝機(jī)容量 6800 kW。國內(nèi)從 20 世紀(jì) 70 年代末開始組織力量研究國產(chǎn) TRT 技術(shù)，1984 年國內(nèi)第一臺 TRT 系統(tǒng)在梅山鋼鐵公司2號高爐（1080 m3）建成投產(chǎn)。2010年寶鋼股份冷軋廠 1420 管網(wǎng)蒸汽差壓發(fā)電“軋鋼區(qū)域低品位余熱資源梯級利用研究與示范”科研項目的成功投運發(fā)電，不僅每年可獲得200萬千瓦時的電力和113 萬元的效益，而且形成了能源梯級利用相關(guān)應(yīng)用技術(shù)提供了范例。

目前在國內(nèi)眾多鋼鐵企業(yè)的高爐上都在使用煤氣余壓發(fā)電技術(shù)，同樣可將該技術(shù)引進(jìn)到天然氣管網(wǎng)的壓力能回收發(fā)電領(lǐng)域城市天然氣通過逐級降壓輸配至終端用戶，只要存在壓降就有余壓回收發(fā)電的可能性。由于各調(diào)壓站存在著天然氣降壓的過程，因此若在調(diào)壓站進(jìn)行壓力能回收，用透平膨脹機(jī)替代調(diào)壓設(shè)備回收壓力能是可行的。門站多是長輸管線和城市輸配系統(tǒng)的交接站，主要包括清管、加熱、計量和加臭等功能。高高壓調(diào)壓站、高中壓調(diào)壓站將大流量的高壓天然氣調(diào)壓至中壓后輸配至城市管網(wǎng)，可利用的壓力能較多，余壓回收轉(zhuǎn)化的電能可直接并入電網(wǎng)或供應(yīng)給建在高壓管網(wǎng)上的 CNG 加壓站或生產(chǎn)、辦公自用，因此適宜設(shè)置大型的余壓發(fā)電回收系統(tǒng)。改造門站調(diào)壓裝置前的旁通管道，增加閥門、透平膨脹機(jī)及發(fā)電、配電設(shè)備。

以深圳燃?xì)饧瘓F(tuán)供氣量為例，目前深圳在西二線寶安求雨嶺建成 l 座門站和 2 座高高壓調(diào)壓站（求雨嶺230萬m3/天、留仙洞130萬 m3/天，壓力為4Mpa/1.6Mpa），按2014年深圳市上半年求雨嶺、留仙洞高高壓調(diào)壓站日平均供氣量計算，約平均管道輸送量為150000Nm3/h，

根據(jù)：

（1）流量適用計算公式

石油部標(biāo)準(zhǔn)（SYL04—83）中劃定天然氣流量公式為：

Qn=Anad2FG ×εFZFT√P1hW（19—1）

Qn——尺度狀況（20℃，101.325KPa）下的體積流量，m3/d

An——常數(shù)，流量用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時，An=0.008686

a——流量系數(shù)；

d——孔板啟孔直徑，mm

FG ——相對密度系數(shù)

ε——流束膨脹系數(shù)

FZ——超緊縮系數(shù)

FT——固定暖度系數(shù)

P1——孔板上游側(cè)的靜壓力

hW——氣流經(jīng)由孔板時發(fā)生的壓差，Pa

（2）日常氣質(zhì)計算公式

輸氣出產(chǎn)中的地然氣計量個別皆采取環(huán)室與壓安裝。該節(jié)淌裝置的棄壓方法、孔板直徑、丈量管內(nèi)徑、壓差計規(guī)格、自然氣絕對稀度等斷定后，式（19—1）中的局部參數(shù)是定值，所以日常氣量由下公式計算：

Qn=KO×ε×（√1/T1×Z）×P格×H格×FT（19—2）

近年去，四川氣田采輸氣廠站的日常氣量計算公式未通用以下符號：KO不變、Kε=ε、KT=√1/T1、KZ=√1/Z、P，= P格、H，= H格、φ= FT，由此，日常氣量計算公式變?yōu)椋?/p>

Qn= KO×Kε×KT×KZ×P，×H，天然氣發(fā)電機(jī)組和沼氣發(fā)電機(jī)組的區(qū)別，×φ

當(dāng)輸壓不大時，Kε 并入KO，且24小時持續(xù)生產(chǎn)，上式簡化為：Qn= KO×KT×KZ×P，×H，式中各參數(shù)的確定辦法如下：

1）KO：KO是氣量計算常數(shù)，俗稱 K值，其值由下式確定：

KO=4.7031×10-4a0×Fr×λ Re×bk×d2×√PmHm/G

亦即：KO=4.7031×10-4a×d2×√PmHm/G

式中：Pm——單漣漪管差壓計附記壓力，天然氣加氣機(jī)項目建議書是怎樣的，MPa

Hm——雙波紋管差壓計壓差量程，Pa

式中其余參數(shù)共上。

應(yīng)流量、壓力變更不大時，ε值能夠按常數(shù)記進(jìn) KO值，即：

KO=4.7031×10-4×a0×Fr×λ

Re×bk×d2×ε√PmHm/G=4.7031×10-4×a×d2×ε√PmHm/G

此時，Qn= KO×[√1/T1×Z]×P 格×H格×FT、

2）ε：ε替氣體膨脹系數(shù)，由以下私式盤算：Z=1- KZ×P格2×T1-3.72

式中 KZ=4.6×105×Pm×TC3.72×PC-1P格、H格：為靜壓、壓差的百離開方格數(shù)。

P格、H 格確實定方式略睹下點：

FT：為生產(chǎn)時光系數(shù)，當(dāng)一生成產(chǎn)不腳 24 小時時，應(yīng)趁以生產(chǎn)時間系數(shù)。

FT=生產(chǎn)小時數(shù)/24

若是生產(chǎn)謙24小時，則FT=1

通過發(fā)電膨脹機(jī)后壓力能夠發(fā)電量 2120KWh，冷能利用在進(jìn)口溫度為 20 時出口可以降到-31.3，深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)按年度計算，單項差壓能量利用每年可獲得1831.7 萬千瓦時的電力和1025.75 萬元的效益。

高高壓調(diào)壓站余壓發(fā)電項目改造后的工藝流程如下圖所示，改造調(diào)壓站的旁通管道，增加閥門、超聲波流量計、透平膨脹機(jī)及發(fā)電、緩沖罐、配電設(shè)備。原有的調(diào)壓系統(tǒng)可作為透平發(fā)電系統(tǒng)故障檢修時的供氣備用系統(tǒng)。

余熱余壓綜合利用，符合國家宏觀產(chǎn)業(yè)政策，《中華人民共和國節(jié)約能源法》第三十一條：國家鼓勵工業(yè)企業(yè)采用高效、節(jié)能的電動機(jī)、鍋爐、窯爐、風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備，采用熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱余壓利用、潔凈煤以及先進(jìn)的用能監(jiān)測和控制等技術(shù)。國家經(jīng)貿(mào)委、財政部、國家稅務(wù)總局 1996年8月9日下發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步開展資源綜合利用的意見》、國務(wù)院國發(fā)<（1996）36 號>《國務(wù)院批轉(zhuǎn)國家經(jīng)貿(mào)委等部門關(guān)于進(jìn)一步開展資源綜合利用意見的通知》、國家經(jīng)貿(mào)委資源節(jié)約綜合利用司1996年 12月《關(guān)于“進(jìn)一步開展資源綜合利用的意見”若干主要問題的說明》、國務(wù)院 1996 年 8 月 3 日《國務(wù)院關(guān)于環(huán)境保護(hù)若干問題的決定》等文件中均明確指出，對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢渣、廢水（液）、廢氣、余熱、余壓等進(jìn)行回收和合理利用，支持資源綜合利用電廠生產(chǎn)電力。單機(jī)容量 0.5—12 MW 范圍內(nèi)的發(fā)電機(jī)組符合并網(wǎng)條件，電力部門都應(yīng)允許并網(wǎng)，簽訂并網(wǎng)協(xié)議，免交上網(wǎng)配套費，并在核定的上網(wǎng)電量內(nèi)優(yōu)先購買，不參加電網(wǎng)調(diào)峰。

結(jié)論：

管網(wǎng)的壓力越高，燃?xì)獾撵手狄苍礁?，?yīng)該充分合理利用，高壓輸氣管道蘊藏了大量的壓力能，簡單調(diào)壓過程會造成巨大能源浪費。天然氣透平膨脹余壓發(fā)電系統(tǒng)能有效地回收管網(wǎng)的壓力能。采用余壓透平膨脹發(fā)電系統(tǒng)投資少、見效快，充分利用天然氣在輸氣管道的壓力差膨脹發(fā)電，幾乎無需消耗其他能源，運行費用低?？山档吞烊粴廨斔统杀?，提高公司的經(jīng)營收益。