吳浩，李治東，王曉娜，成慶林

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

當(dāng)今，世界各國能源消耗的趨勢(shì)逐漸向“碳中和”、可持續(xù)的方向轉(zhuǎn)變。天然氣作為一次能源中較為清潔的能源之一，每年的消費(fèi)比重在不斷增加［1］。天然氣自井口采出，到集氣站、凈化處理廠，以及之后的外輸，最終送至用戶，整個(gè)過程大都離不開管道輸送，其中很多環(huán)節(jié)都需要通過調(diào)壓閥降壓，降壓的同時(shí)會(huì)引起溫度的驟降，在造成壓力能和冷能損失的同時(shí)，還有可能發(fā)生管道內(nèi)結(jié)冰等嚴(yán)重事故。因此越來越多學(xué)者將目光聚集于此，在保證安全生產(chǎn)前提下，提出很多方法對(duì)這部分節(jié)流造成的壓能損失和冷能損失進(jìn)行合理回收利用［2-3］。

2013年，陸涵［4］以中國首個(gè)天然氣壓力能發(fā)電-制冰系統(tǒng)的示范工程項(xiàng)目為研究對(duì)象，提出采用星旋流體馬達(dá)替換螺桿膨脹機(jī)，改造后整套工藝系統(tǒng)的?效率為42.6%，發(fā)電量為120 kW；2015年，張超等［5］探究了相關(guān)運(yùn)行參數(shù)對(duì)膨脹壓差發(fā)電量的影響，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)最佳膨脹機(jī)進(jìn)出口壓力配比使得凈發(fā)電量最大；2017年，趙先勤等［6］開展了天然氣壓力能發(fā)電項(xiàng)目，針對(duì)螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，定義了新的指標(biāo)用于估算實(shí)際發(fā)電功率，通過計(jì)算投資回收期確定項(xiàng)目具有的可實(shí)施性；2019年，商艷紅等［7］針對(duì)涪陵焦石壩頁巖氣開采現(xiàn)狀，提出了采用螺桿膨脹機(jī)和針型閥二級(jí)減壓的流程，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)角度論證了通過膨脹機(jī)回收調(diào)壓過程壓差能量用于發(fā)電的可行性；2021年，熊亞選等［8］針對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)提出了一種膨脹機(jī)調(diào)壓發(fā)電流程，系統(tǒng)日凈發(fā)電量為60.9 kW?h，具有一定的節(jié)能效益。雖然目前關(guān)于天然氣壓差發(fā)電的研究很多［9-12］，但是這些發(fā)電技術(shù)普遍模式單一，對(duì)于輸氣量變化大的氣源適應(yīng)性較差［13-14］，因此亟需尋找工藝更為靈活、節(jié)能效果更好的替代技術(shù)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種膨脹壓差發(fā)電-LNG（液化天然氣）聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，在回收利用天然氣壓力能和冷能的同時(shí)，還可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況或需求決定是否需要生產(chǎn)副產(chǎn)品LNG，增加了壓差發(fā)電工藝的彈性與靈活性。結(jié)合熱力學(xué)?分析方法，從能質(zhì)的角度出發(fā)，分別建立了聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的“黑箱”與“灰箱”?分析模型；所建立的模型不僅可以從設(shè)備自身角度單獨(dú)評(píng)價(jià)其用能狀況，還能從整體角度全面評(píng)價(jià)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)用能狀況。以中國西南部某氣田為應(yīng)用實(shí)例，通過計(jì)算各用能設(shè)備和總系統(tǒng)的?損失、?損率、?效率等?分析評(píng)價(jià)指標(biāo)，準(zhǔn)確識(shí)別整個(gè)發(fā)電-LNG系統(tǒng)的用能薄弱環(huán)節(jié)，為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)一步提高能效提供了理論依據(jù)。

1 膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)過程模型

中國西南部某氣田區(qū)塊共計(jì)16口氣井，氣井平均產(chǎn)量為 31×104m3/d（20 ℃，101.325 kPa），氣井平均井口壓力為25 MPa，井口溫度為105 ℃，采氣后經(jīng)井口節(jié)流閥節(jié)流再進(jìn)行后續(xù)輸送。根據(jù)氣田的生產(chǎn)現(xiàn)狀及運(yùn)行模式，通過Aspen Plus工藝流程模擬軟件，對(duì)可適用于當(dāng)前狀況的膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析計(jì)算。

1.1 工藝流程

該膨脹壓差發(fā)電技術(shù)的工藝流程為：高壓天然氣來氣分為兩股，一股流量占比70%的天然氣直接進(jìn)入膨脹機(jī)1進(jìn)行一次膨脹后降溫，同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)1發(fā)電，而后進(jìn)入換熱器1充當(dāng)冷流；另一股流量占比30%的天然氣直接進(jìn)入換熱器1充當(dāng)熱流，兩股氣流在換熱器1中進(jìn)行換熱；冷流升溫后進(jìn)入管道正常輸送，熱流降溫后進(jìn)入膨脹機(jī)2進(jìn)行二次膨脹后再次降溫至天然氣露點(diǎn)以下，液化生成副產(chǎn)品LNG，同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)2發(fā)電。而當(dāng)來氣量較大時(shí)，多余氣體也可在一次膨脹后直接進(jìn)入換熱器2，通過循環(huán)系統(tǒng)加熱后進(jìn)入管道正常輸送，工藝流程如圖1所示。

圖1 天然氣膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)工藝流程

1.2 Aspen Plus模型建立

根據(jù)工藝流程，運(yùn)用Aspen Plus軟件進(jìn)行過程模擬。首先，根據(jù)實(shí)際情況輸入天然氣組分（見表1）；其次，建立模型（見圖2），并輸入設(shè)備及流股（1～11，S1）的初始參數(shù)（見表2）。

表1 天然氣組分

圖2 Aspen Plus模型

表2 初始參數(shù)

1.3 Aspen Plus模擬結(jié)果

Aspen Plus 軟件物流模擬結(jié)果見表 3。由表 3可知，所設(shè)計(jì)工藝流程發(fā)電量可達(dá)2 525.32 kW?h，由于膨脹機(jī)2進(jìn)出口壓比為7.5，因此選用壓比最大可達(dá)40的活塞式膨脹機(jī)，其出口溫度為-102.35 ℃，液化率能夠達(dá)到56%，LNG產(chǎn)量可達(dá)566.06 t/d。

表3 物流參數(shù)

2 膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)?分析模型

從能質(zhì)的角度出發(fā)，運(yùn)用?分析方法，建立了膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)技術(shù)“黑箱”與“灰箱”?分析模型。該模型不僅可以分別評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各設(shè)備用能情況的好壞，還可以根據(jù)?效率、?損失、?損率等評(píng)價(jià)指標(biāo)來分析整個(gè)系統(tǒng)的用能情況，最終確定系統(tǒng)中的用能薄弱環(huán)節(jié)或設(shè)備。

2.1 “黑箱”?分析模型

天然氣物流?值的計(jì)算方法如下：

式中：Ex——?值，kJ/kg；h——?流的質(zhì)量焓，kJ/kg；s——?流的質(zhì)量熵，kJ/（kg?K）；h0——環(huán)境的質(zhì)量焓，kJ/kg；s0——環(huán)境的質(zhì)量熵，kJ/（kg?K）。

2.1.1 膨脹機(jī)1

膨脹機(jī)1的“黑箱”?分析模型如圖3所示。其中：Ex2——膨脹機(jī)1入口?，kJ/kg；Ex3、Ex4——膨脹機(jī)1出口?，kJ/kg；Exloss1——膨脹機(jī)1?損失，kJ/kg；W1——膨脹機(jī)1產(chǎn)生的機(jī)械能?，kJ/kg。

圖3 膨脹機(jī)1“黑箱”?分析模型

2.1.2 發(fā)電機(jī)1

發(fā)電機(jī)1的“黑箱”?分析模型如圖4所示。其中：Exele1——發(fā)電機(jī) 1產(chǎn)生的電?，kJ/kg；Exloss5——發(fā)電機(jī)1?損失，kJ/kg。

圖4 發(fā)電機(jī)1“黑箱”?分析模型

2.1.3 膨脹機(jī)2

膨脹機(jī)2的“黑箱”?分析模型如圖5所示。其中：Ex5——膨脹機(jī)2入口?，kJ/kg；Ex8——膨脹機(jī)2出口?，kJ/kg；Exloss2——膨脹機(jī)2?損失，kJ/kg；W2——膨脹機(jī)2產(chǎn)生的機(jī)械能?，kJ/kg。

圖5 膨脹機(jī)2“黑箱”?分析模型

2.1.4 發(fā)電機(jī)2

發(fā)電機(jī)2的“黑箱”?分析模型如圖6所示。其中：Exele2——發(fā)電機(jī) 2產(chǎn)生的電?，kJ/kg；Exloss6——發(fā)電機(jī)2?損失，kJ/kg。

圖6 發(fā)電機(jī)2“黑箱”?分析模型

2.1.5 換熱器1

換熱器1的“黑箱”?分析模型如圖7所示。其中：Ex1——分流后進(jìn)入換熱器 1的?，kJ/kg；Ex5——換熱器1流入膨脹機(jī)2的?，kJ/kg；Ex6——換熱器1出口?，kJ/kg；Exloss3——換熱器1?損失，kJ/kg。

圖7 換熱器1“黑箱”?分析模型

2.1.6 換熱器2

換熱器2的“黑箱”?分析模型如圖8所示。其中：Ex4、Ex10——膨脹機(jī)1、泵流入換熱器2的?，kJ/kg；Ex11、Ex12——換熱器2出口?，kJ/kg；Exloss4——換熱器2?損失，kJ/kg。

圖8 換熱器2“黑箱”?分析模型

2.1.7 泵

泵的“黑箱”?分析模型如圖9所示。其中：Ex10——泵供給?，kJ/kg；Exele3——泵消耗電?，kJ/kg；Ex13——泵入口?，kJ/kg；Exloss7——泵?損失，kJ/kg。

圖9 泵“黑箱”?分析模型

2.1.8 加熱爐

加熱爐的“黑箱”?分析模型如圖10所示。其中：Ex14——加熱爐消耗的燃料?，kJ/kg；Exloss8——加熱爐?損失，kJ/kg。

圖10 加熱爐“黑箱”?分析模型

2.2 “黑箱”模型?分析評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)各用能設(shè)備的“黑箱”模型，可以得出?損失、?效率和?損率等?分析評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法，如表4所示。

表4 ?分析評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法

2.3 “灰箱”?分析模型

膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)“灰箱”?分析模型如圖11所示。系統(tǒng)總?損為：

圖11 “灰箱”?分析模型

式中：ExlossT——系統(tǒng)總?損，kJ/kg。系統(tǒng)?效率為：

式中：ηT——系統(tǒng)?效率。

3 膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)?分析模型求解

3.1 模型求解

根據(jù)天然氣組分及基礎(chǔ)參數(shù)值，運(yùn)用?分析評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法，計(jì)算得到各用能設(shè)備及總系統(tǒng)的?分析評(píng)價(jià)結(jié)果，如表5所示。

表5 ?分析評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

整體看，通過對(duì)膨脹壓差發(fā)電聯(lián)產(chǎn) LNG技術(shù)“灰箱”?分析模型的求解計(jì)算，得出其總?損失達(dá)到1.298×107kJ/h，整體?效率為74.25%；相對(duì)于僅使用節(jié)流閥節(jié)流，或是直接膨脹發(fā)電技術(shù)，用能水平均有較大提高。

局部看，膨脹機(jī)的?損失最大：膨脹機(jī) 1?損率為51.42%，膨脹機(jī)2的?損率為8.23%，膨脹機(jī)的總?損率為59.65%；且膨脹機(jī)的?效率相對(duì)其他設(shè)備也較低，分別為 63.87%和 59.54%。而其他用能設(shè)備的?損失相對(duì)較低，總共僅有40.35%，且?效率相對(duì)較高，用能情況良好。綜合分析后認(rèn)為，膨脹機(jī)為整個(gè)發(fā)電過程中的用能薄弱設(shè)備，可有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)，提高用能效率。

3.2 改進(jìn)措施

通過以上計(jì)算和分析，確定了膨脹機(jī)為天然氣膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)工藝系統(tǒng)的用能薄弱設(shè)備。若要深入分析膨脹機(jī)所有外部排放?損失與內(nèi)部不可逆?損失機(jī)制，從而切實(shí)有效地提高設(shè)備?效率，還需針對(duì)其進(jìn)一步構(gòu)建更為精細(xì)的“黑箱”與“白箱”相結(jié)合的?分析模型。本文從定性角度提出膨脹機(jī)運(yùn)行中主要的用能改進(jìn)措施，在提高能量利用效率的同時(shí)，可降低其?損失和?損率，達(dá)到更好回收利用天然氣壓力能的目的。

3.2.1 改善氣密性

改善膨脹機(jī)裝置的氣密性，包括調(diào)整葉輪與殼體之間的間隙、擴(kuò)壓器和工作輪之間的間隙，這樣既可以減少內(nèi)泄漏的損失，還可以使天然氣的壓力能更多地轉(zhuǎn)換為葉輪的機(jī)械能。

3.2.2 更換導(dǎo)流器

檢查導(dǎo)流器是否出現(xiàn)損傷，主要檢查流道、切口處。導(dǎo)流器出現(xiàn)故障會(huì)引起其內(nèi)部氣體的焓降與動(dòng)能的增加，很大程度地降低天然氣的能量轉(zhuǎn)換效率。通過更換導(dǎo)流器，可以降低其出口壓力，加強(qiáng)內(nèi)部天然氣的能量轉(zhuǎn)換效率。

3.2.3 降低流動(dòng)損失

影響流動(dòng)損失的原因有很多，其中包括膨脹機(jī)的流道是否與天然氣的流向相匹配、流道內(nèi)部的表面光滑程度、流道內(nèi)部的磨損程度、設(shè)備內(nèi)部各部分的摩擦損失等。需要對(duì)流道內(nèi)部進(jìn)行清洗，去除表面的雜質(zhì)殘留，若磨損嚴(yán)重則需要及時(shí)更換；可在葉輪轉(zhuǎn)子等位置適當(dāng)添加潤滑油以減少摩擦損失，從而有利于更高效地回收利用天然氣壓力能、冷能等。

4 結(jié)論

本文提出的天然氣膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)工藝——將高壓天然氣分流后分別進(jìn)行膨脹發(fā)電，且熱流經(jīng)與冷流換熱降溫并再次膨脹降溫后生成LNG，可達(dá)到同時(shí)回收利用天然氣壓力能和冷能的效果。

利用建立的天然氣膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要用能單體設(shè)備的?分析“黑箱”模型與總系統(tǒng)的?分析“灰箱”模型，對(duì)中國西南部某氣田進(jìn)行應(yīng)用分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)整體?效率高于采用節(jié)流閥或直接膨脹發(fā)電技術(shù)，可達(dá)74.25%，其中膨脹機(jī)的總?損率為59.65%，確定其為系統(tǒng)進(jìn)一步用能改進(jìn)的主要目標(biāo)設(shè)備。