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）

0 引言

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)。

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。

1.1 工藝流程

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

1.2 Aspen Plus模型建立

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)

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)

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。

2.1 “黑箱”?分析模型

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

2.2 “黑箱”模型?分析評價指標

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

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。

3.2 改進措施

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。

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。