許 杰

北京安珂羅工程技術(shù)有限公司，北京 100015

1 利用天然氣管網(wǎng)壓力生產(chǎn)LNG技術(shù)研究的意義

當(dāng)代社會(huì)人們對(duì)于天然氣的需求量逐漸加大，因此，為了滿足社會(huì)發(fā)展需要，更好地服務(wù)于社會(huì)建設(shè)，需要天然氣輸送建設(shè)朝著長距離輸送、高壓輸送等方面發(fā)展。但是在實(shí)際運(yùn)輸過程中，有些問題的產(chǎn)生是難以避免的，會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，為此需要相關(guān)工作人員對(duì)天然氣管網(wǎng)壓力能生產(chǎn)LNG技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析。

第一，天然氣在輸送過程中，當(dāng)進(jìn)行調(diào)壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)降壓現(xiàn)象，在一定程度上損失壓力能。而生產(chǎn)LNG技術(shù)對(duì)天然氣分?jǐn)?shù)站對(duì)壓力能的回收起著十分重要的作用。另外，需要盡可能地避免冰凍效果的產(chǎn)生而對(duì)管道造成損害。為了提升天然氣資源利用率，需要對(duì)天然氣壓力能進(jìn)行回收，盡可能地減少浪費(fèi)，使得天然氣管網(wǎng)可以高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

第二，在當(dāng)代社會(huì)，LNG屬于一種具有環(huán)保特性的能源，它的利用可以使得天然氣輸送不受到距離的限制。同時(shí)，LNG的價(jià)格不斷提升，使得我國需要利用國內(nèi)現(xiàn)有資源進(jìn)行高效利用，以保證天然氣行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

第三，現(xiàn)階段，我國部分領(lǐng)導(dǎo)對(duì)利用天然氣管網(wǎng)壓力能生產(chǎn)LNG技術(shù)不夠重視，并且這方面生產(chǎn)技術(shù)還不夠完善，使得回收效果并不是十分理想，所以對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)研究十分具有意義，將會(huì)對(duì)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用[1]。

2 針對(duì)天然氣管網(wǎng)有效壓力能進(jìn)行分析研究

2.1 高壓天然氣壓力能的熱力學(xué)分析

根據(jù)理論研究，將其演變成任一形式的能量。但可以對(duì)壓力潛能進(jìn)行評(píng)估，還能夠在此基礎(chǔ)上形成高壓天然氣壓力計(jì)算模型。所以，使用火用分析法評(píng)價(jià)高壓天然氣管網(wǎng)可以利用的壓力能潛力是具有一定合理性的。

2.2 回收壓力能制冷設(shè)備的熱力學(xué)分析

在向下游用戶輸送高壓天然氣時(shí)，需要在壓力值降到最低時(shí)才可以進(jìn)行輸送[2]。目前，在進(jìn)行輸送時(shí)主要是通過降壓的方式進(jìn)行供氣，雖然可以做到節(jié)流降壓，但是也損失了部分壓力能，因此壓力能液化氣的重要性越發(fā)突顯[2]。通常情況下，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣體降溫的目的，需要借助高壓氣體，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用氣流閥和透平膨脹機(jī)。其中，氣流閥主要是將流通管道的橫截面積和氣流速度予以改變，從而盡可能地減少流體壓力，高壓氣體從節(jié)流閥中通過，會(huì)使得阻力有所降低，這種方式是不可逆的。而透平膨脹機(jī)，盡可能地需要降低溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制冷。同時(shí)，需要根據(jù)流體速度發(fā)生變化的同時(shí)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，進(jìn)而產(chǎn)生膨脹反應(yīng)，有效地避免了損耗。

2.2.1 節(jié)流閥

節(jié)流閥的膨脹制冷原理。節(jié)流閥：為了能夠有效改變流體速度，可以在流道的橫截面發(fā)生改變的時(shí)候進(jìn)行，進(jìn)而使得流體壓力調(diào)節(jié)閥有所降低。高壓天然氣從氣流閥中流出來，會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生一定的阻力使得天然氣壓力發(fā)生變化而降低。另外，當(dāng)節(jié)流效應(yīng)成為零，天然氣在膨脹過程中溫度會(huì)有所降低。

2.2.2 透平膨脹機(jī)

絕熱膨脹制冷原理。為了實(shí)現(xiàn)低溫，絕熱膨脹機(jī)絕對(duì)是有效的方法，在此過程中使得流體的速度發(fā)生變化實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，并在膨脹機(jī)中發(fā)生膨脹反應(yīng)，進(jìn)而有助于動(dòng)能的產(chǎn)生，輸出外功，使得流體的溫度降低。高壓天然氣在靜噴嘴環(huán)道中可以通過膨脹改變速度，從葉柵中流出，降低天然氣動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)對(duì)外做功的目的。

由此可以得出，天然氣長輸管線分輸站具有回收壓力的潛能；透平膨脹機(jī)的使用可以產(chǎn)生制冷量和有用功，提高壓力能的回收率，所以，回收天然氣管網(wǎng)壓力能制冷的有效方法是利用透平膨脹機(jī)。

3 利用聯(lián)立模塊法壓液化工藝選擇

3.1 分輸站壓差液化天然氣工藝流程

對(duì)液化天然氣進(jìn)行回收可以減少凈化成本，對(duì)脫硫脫碳進(jìn)行深度處理，逐漸符合關(guān)于凈化提出的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于預(yù)冷壓差液化流程，可以通過冷劑來提供預(yù)冷冷量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)冷冷劑的無限循環(huán)[3]。對(duì)于膨脹制冷支路來說，分輸站是在完成脫水之后，利用制冷劑實(shí)現(xiàn)預(yù)冷循環(huán)，之后，通過降低壓差和溫度使其能夠重新返回到分輸站。天然氣管網(wǎng)壓力能的能量發(fā)生變化是由于分輸站的調(diào)壓過程導(dǎo)致的，因此，需要將這些在調(diào)壓過程中減少的能量運(yùn)用LNG技術(shù)盡可能地進(jìn)行回收。因?yàn)橥钙脚蛎洐C(jī)在對(duì)壓力進(jìn)行回收時(shí)，所利用的效率比較高，因此會(huì)使得制冷效果有所提升，所以可以在壓差液化過程中運(yùn)用該設(shè)備，對(duì)膨脹前的壓差液化流程和膨脹后外冷壓差液化流程實(shí)施同一種技術(shù)工藝，可以利用聯(lián)立模塊法對(duì)以上幾種流程進(jìn)行計(jì)算，從而使得經(jīng)濟(jì)效益有所提升。

3.2 分輸站壓差液化流程中的模塊

分輸站壓差液化流程主要是通過接口將每個(gè)模塊連接起來，并在此基礎(chǔ)上保證模塊的物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還能夠使得壓力相等，還能夠使得進(jìn)出量得以平衡。

3.3 分輸站壓差液化流程系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

分輸站液化流程分為部件模型和數(shù)學(xué)模型兩類[4]。工藝系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬的數(shù)學(xué)模型在建設(shè)過程中，主要是將單位模型作為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)分?jǐn)?shù)壓差液化流程部件單元模型形成。在此過程中不但能夠得知自由度和輸出變量，還能夠在一定程度上對(duì)壓差液化流程進(jìn)行優(yōu)化，使其更加具有穩(wěn)定性和安全性。

3.4 流程的篩選和模擬

通過壓差液化系統(tǒng)，將相關(guān)軟件結(jié)合起來，逐漸建立數(shù)學(xué)模型[5]。壓差的變化會(huì)使得天然氣液化率發(fā)生變化，隨著壓差的加大而升高，同時(shí)分輸量也會(huì)對(duì)天然氣液化率產(chǎn)生影響，隨著分輸量的變化而產(chǎn)生變化。

4 利用天然氣管網(wǎng)壓力能生產(chǎn)LNG的研究內(nèi)容和方法

一是對(duì)壓力能設(shè)備進(jìn)行研究，并對(duì)分輸站的回收壓力能的使用效率等情況進(jìn)行分析研究。二是根據(jù)液化天然氣對(duì)于壓力差的理論原則，盡可能地對(duì)分輸站在回收前所浪費(fèi)的壓力能進(jìn)行計(jì)算，并按照不同的壓力能制定回收工藝。三是建立關(guān)于液化流程的數(shù)學(xué)模型，為液化工藝流程創(chuàng)造理論依據(jù)。四是建立利益計(jì)算函數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況選擇最為有效的條件。五是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上盡可能地對(duì)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，以提升經(jīng)濟(jì)效益。

外冷循環(huán)可以分成膨脹前預(yù)冷壓差液化流程和膨脹后外冷壓差液化流程；回收壓力能液化天然氣并在此基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型主要是利用聯(lián)立模塊法，之后利用計(jì)算機(jī)的輔助作用對(duì)流程進(jìn)行適時(shí)地監(jiān)督和管理，其中壓差液化率最高是18%。外冷循環(huán)的壓差液化系統(tǒng)中外冷循環(huán)的加大，會(huì)在一定程度上對(duì)天然氣液化率產(chǎn)生影響。天然氣分輸站利用膨脹前預(yù)冷壓差液化流程過程中，這時(shí)的利潤率較高，同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益也較高。綜上可得，利用天然氣管網(wǎng)壓力能生產(chǎn)LNG工藝是壓縮式的膨脹前預(yù)冷壓差液化流程。

工藝流程模擬主要是利用實(shí)際工藝流程，之后對(duì)化工操作和煉油過程運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算先后能量，最后將整個(gè)液化流程進(jìn)行模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行觀察，可以在一定程度上彌補(bǔ)工藝中先存在的問題，及時(shí)升級(jí)改造。

綜上所述，在膨脹前應(yīng)當(dāng)預(yù)冷壓差液化流程優(yōu)化研究屬于較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在發(fā)生情況時(shí)，當(dāng)各個(gè)參數(shù)在穩(wěn)定不變的情況下，最優(yōu)值會(huì)隨之產(chǎn)生改變，這時(shí)需要根據(jù)其變化情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。天然氣分輸站采用壓差液化天然氣工藝進(jìn)行壓力能回收，在此過程中天然氣應(yīng)當(dāng)符合凈化標(biāo)準(zhǔn)，長輸管線天然氣只需要符合一類標(biāo)準(zhǔn)即可。所以，在實(shí)際應(yīng)用過程中，天然氣液化前需要進(jìn)行深度凈化處理，并在此過程中液化過程產(chǎn)生的BOG等應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的回收處理。

5 優(yōu)化方面

優(yōu)化主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化兩個(gè)方面。其中參數(shù)優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上完成的，在工藝結(jié)構(gòu)確定的情況下，參數(shù)優(yōu)化才會(huì)變得更有意義。膨脹前預(yù)冷液化，“冷”主要來源于外冷循環(huán)，在這一環(huán)節(jié)會(huì)消耗大量的能量，但是如果結(jié)構(gòu)能夠得到比較好的優(yōu)化，就可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源的目的。其中在優(yōu)化過程中應(yīng)當(dāng)注重以下幾個(gè)方面的問題：一是在冷劑種類的選擇上，因?yàn)檫x擇的冷劑種類不同，會(huì)使得最終實(shí)現(xiàn)不一樣的制冷效果，與此同時(shí)，對(duì)于能源的消耗也會(huì)有所不同，因此在選擇冷劑上需要對(duì)成分進(jìn)行比對(duì)，之后根據(jù)實(shí)際情況選擇最為合適的冷劑。二是當(dāng)冷劑有所確定之后，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行最后的優(yōu)化。

6 結(jié)語

通過對(duì)天然氣管網(wǎng)壓力能生產(chǎn)LNG技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析研究，可以最大化地減少浪費(fèi)，提升能源利用率。但是目前階段，我國LNG技術(shù)還不完善，因此需要相關(guān)工作人員不斷進(jìn)行創(chuàng)新升級(jí)，同樣也可以借鑒國外先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，使得研究成果能夠得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

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[3] 劉偉. 液化天然氣（LNG）儲(chǔ)運(yùn)的安全技術(shù)及管理措施[J]. 化工管理，2017（27）.

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