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.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室)
當今,世界各國能源消耗的趨勢逐漸向“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,降壓的同時會引起溫度的驟降,在造成壓力能和冷能損失的同時,還有可能發(fā)生管道內(nèi)結(jié)冰等嚴重事故。因此越來越多學者將目光聚集于此,在保證安全生產(chǎn)前提下,提出很多方法對這部分節(jié)流造成的壓能損失和冷能損失進行合理回收利用[2-3]。
2013年,陸涵[4]以中國首個天然氣壓力能發(fā)電-制冰系統(tǒng)的示范工程項目為研究對象,提出采用星旋流體馬達替換螺桿膨脹機,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]探究了相關運行參數(shù)對膨脹壓差發(fā)電量的影響,發(fā)現(xiàn)存在一個最佳膨脹機進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)電項目,針對螺桿膨脹機進行了熱力學分析,定義了新的指標用于估算實際發(fā)電功率,通過計算投資回收期確定項目具有的可實施性;2019年,商艷紅等[7]針對涪陵焦石壩頁巖氣開采現(xiàn)狀,提出了采用螺桿膨脹機和針型閥二級減壓的流程,從技術經(jīng)濟學角度論證了通過膨脹機回收調(diào)壓過程壓差能量用于發(fā)電的可行性;2021年,熊亞選等[8]針對燃氣系統(tǒng)提出了一種膨脹機調(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)電技術普遍模式單一,對于輸氣量變化大的氣源適應性較差[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。
本文在前人研究的基礎上,提出了一種膨脹壓差發(fā)電-LNG(液化天然氣)聯(lián)產(chǎn)技術,在回收利用天然氣壓力能和冷能的同時,還可以根據(jù)現(xiàn)場實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?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備自身角度單獨評價其用能狀況,還能從整體角度全面評價聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)用能狀況。以中國西南部某氣田為應用實例,通過計算各用能設備和總系統(tǒng)的?損失、?損率、?效率等?分析評價指標,準確識別整個發(fā)電-LNG系統(tǒng)的用能薄弱環(huán)節(jié),為聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進一步提高能效提供了理論依據(jù)。
中國西南部某氣田區(qū)塊共計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)流再進行后續(xù)輸送。根據(jù)氣田的生產(chǎn)現(xiàn)狀及運行模式,通過Aspen Plus工藝流程模擬軟件,對可適用于當前狀況的膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)工藝流程進行了數(shù)值模擬,并在此基礎上進行了分析計算。
該膨脹壓差發(fā)電技術的工藝流程為:高壓天然氣來氣分為兩股,一股流量占比70%的天然氣直接進入膨脹機1進行一次膨脹后降溫,同時帶動發(fā)電機1發(fā)電,而后進入換熱器1充當冷流;另一股流量占比30%的天然氣直接進入換熱器1充當熱流,兩股氣流在換熱器1中進行換熱;冷流升溫后進入管道正常輸送,熱流降溫后進入膨脹機2進行二次膨脹后再次降溫至天然氣露點以下,液化生成副產(chǎn)品LNG,同時帶動發(fā)電機2發(fā)電。而當來氣量較大時,多余氣體也可在一次膨脹后直接進入換熱器2,通過循環(huán)系統(tǒng)加熱后進入管道正常輸送,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
根據(jù)工藝流程,運用Aspen Plus軟件進行過程模擬。首先,根據(jù)實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)
Aspen Plus 軟件物流模擬結(jié)果見表3。由表3可知,所設計工藝流程發(fā)電量可達2 525.32 kW·h,由于膨脹機2進出口壓比為7.5,因此選用壓比最大可達40的活塞式膨脹機,其出口溫度為-102.35 ℃,液化率能夠達到56%,LNG產(chǎn)量可達566.06 t/d。
表3 物流參數(shù)
從能質(zhì)的角度出發(fā),運用?分析方法,建立了膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)技術“黑箱”與“灰箱”?分析模型。該模型不僅可以分別評價系統(tǒng)中各設備用能情況的好壞,還可以根據(jù)?效率、?損失、?損率等評價指標來分析整個系統(tǒng)的用能情況,最終確定系統(tǒng)中的用能薄弱環(huán)節(jié)或設備。
天然氣物流?值的計算方法如下:
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1
膨脹機1的“黑箱”?分析模型如圖3所示。其中:Ex2——膨脹機 1入口?,kJ/kg;Ex3、Ex4——膨脹機1出口?,kJ/kg;Exloss1——膨脹機1?損失,kJ/kg;W1——膨脹機1產(chǎn)生的機械能?,kJ/kg。
圖3 膨脹機1“黑箱”?分析模型
2.1.2 發(fā)電機1
發(fā)電機1的“黑箱”?分析模型如圖4所示。其中:Exele1——發(fā)電機 1產(chǎn)生的電?,kJ/kg;Exloss5——發(fā)電機1?損失,kJ/kg。
圖4 發(fā)電機1“黑箱”?分析模型
2.1.3 膨脹機2
膨脹機2的“黑箱”?分析模型如圖5所示。其中:Ex5——膨脹機2入口?,kJ/kg;Ex8——膨脹機2出口?,kJ/kg;Exloss2——膨脹機2?損失,kJ/kg;W2——膨脹機2產(chǎn)生的機械能?,kJ/kg。
圖5 膨脹機2“黑箱”?分析模型
2.1.4 發(fā)電機2
發(fā)電機2的“黑箱”?分析模型如圖6所示。其中:Exele2——發(fā)電機 2產(chǎn)生的電?,kJ/kg;Exloss6——發(fā)電機2?損失,kJ/kg。
圖6 發(fā)電機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——分流后進入換熱器 1的?,kJ/kg;Ex5——換熱器1流入膨脹機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
根據(jù)各用能設備的“黑箱”模型,可以得出?損失、?效率和?損率等?分析評價指標的計算方法,如表4所示。
表4 ?分析評價指標計算方法
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。
根據(jù)天然氣組分及基礎參數(shù)值,運用?分析評價指標計算方法,計算得到各用能設備及總系統(tǒng)的?分析評價結(jié)果,如表5所示。
表5 ?分析評價指標計算結(jié)果
整體看,通過對膨脹壓差發(fā)電聯(lián)產(chǎn) LNG技術“灰箱”?分析模型的求解計算,得出其總?損失達到1.298×107kJ/h,整體?效率為74.25%;相對于僅使用節(jié)流閥節(jié)流,或是直接膨脹發(fā)電技術,用能水平均有較大提高。
局部看,膨脹機的?損失最大:膨脹機 1?損率為51.42%,膨脹機2的?損率為8.23%,膨脹機的總?損率為59.65%;且膨脹機的?效率相對其他設備也較低,分別為 63.87%和 59.54%。而其他用能設備的?損失相對較低,總共僅有40.35%,且?效率相對較高,用能情況良好。綜合分析后認為,膨脹機為整個發(fā)電過程中的用能薄弱設備,可有針對性地進行改進,提高用能效率。
通過以上計算和分析,確定了膨脹機為天然氣膨脹壓差發(fā)電-LNG聯(lián)產(chǎn)工藝系統(tǒng)的用能薄弱設備。若要深入分析膨脹機所有外部排放?損失與內(nèi)部不可逆?損失機制,從而切實有效地提高設備?效率,還需針對其進一步構(gòu)建更為精細的“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運行中主要的用能改進措施,在提高能量利用效率的同時,可降低其?損失和?損率,達到更好回收利用天然氣壓力能的目的。
3.2.1 改善氣密性
改善膨脹機裝置的氣密性,包括調(diào)整葉輪與殼體之間的間隙、擴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)換為葉輪的機械能。
3.2.2 更換導流器
檢查導流器是否出現(xiàn)損傷,主要檢查流道、切口處。導流器出現(xiàn)故障會引起其內(nèi)部氣體的焓降與動能的增加,很大程度地降低天然氣的能量轉(zhuǎn)換效率。通過更換導流器,可以降低其出口壓力,加強內(nèi)部天然氣的能量轉(zhuǎn)換效率。
3.2.3 降低流動損失
影響流動損失的原因有很多,其中包括膨脹機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、設備內(nèi)部各部分的摩擦損失等。需要對流道內(nèi)部進行清洗,去除表面的雜質(zhì)殘留,若磨損嚴重則需要及時更換;可在葉輪轉(zhuǎn)子等位置適當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。
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,可達到同時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)主要用能單體設備的?分析“黑箱”模型與總系統(tǒng)的?分析“灰箱”模型,對中國西南部某氣田進行應用分析,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,可達74.25%,其中膨脹機的總?損率為59.65%,確定其為系統(tǒng)進一步用能改進的主要目標設備。