李志明， 侯明軍， 羅方

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川德陽， 618000）

0 引言

天然氣長管線運輸過程中， 為克服沿程阻力保障天然氣正常輸送， 多采用高壓管線。 其中，國外燃氣管道的輸送壓力一般為8～12 MPa， 國內(nèi)輸氣壓力都達到了10 MPa。 管輸天然氣到達門站后需根據(jù)下游用戶的供氣壓力要求進行降壓處理，這一降壓過程蘊存著豐富的壓力能。

調(diào)壓站一般采用調(diào)壓閥對天然氣進行節(jié)流調(diào)壓， 壓力能完全消耗在克服流動阻力上， 未推動機械做功， 浪費大量能量。 而利用壓差發(fā)電可將壓力能轉(zhuǎn)換為電能， 極大提高了能量利用率、 提高管網(wǎng)運行的經(jīng)濟性， 符合國家節(jié)能減排的基本政策， 具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。

近十年來， 國內(nèi)越來越多的學(xué)者和機構(gòu)對天然氣壓差發(fā)電開展了相關(guān)研究， 但付諸于工程的案例卻極為鮮少。 除管網(wǎng)壓力能分布分散、 涉及范圍復(fù)雜、 規(guī)模化發(fā)展受限等諸多客觀制約因素外， 技術(shù)成熟度也需要進一步完善。

天然氣入口溫度一般較低， 經(jīng)調(diào)壓后的溫度多在零下， 很難滿足下游用戶需求， 需要進行加熱。 目前壓力能發(fā)電主要技術(shù)方案有： 前置加熱和非前置加熱。 采用前置加熱方式， 可提升天然氣溫度， 提高發(fā)電功率； 同時膨脹機排氣溫度可滿足設(shè)備需求； 不采用前置加熱， 發(fā)電的同時可利用膨脹機排氣的冷量， 即后置制冷， 提升了能量的利用率。 該2 種技術(shù)方案基本構(gòu)成了目前利用壓差能直接發(fā)電主要實現(xiàn)形式。

本文將從天然氣余壓發(fā)電的系統(tǒng)和設(shè)備分析其技術(shù)可行性和可靠性， 以期為余壓透平發(fā)電機組的工程化應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 壓差發(fā)電案例介紹

天然氣余壓發(fā)電區(qū)別于常規(guī)火力發(fā)電， 溫度較低， 主要利用了天然氣的壓力能， 而且其 “熱源” 條件較為復(fù)雜。 通常減壓站實際的天然氣流量、 壓力都是隨季節(jié)、 晝夜、 時段不斷變化， 各個減壓站的流量分配、 運行規(guī)律變化都很大， 實際的運行功率都是不斷變化的。

圖1 為某減壓站全年天然氣流量分布。

圖1 某減壓站全年天然氣流量分布

根據(jù)其全年流量變化情況， 66%的時間內(nèi)運行流量不到最大流量的33%。 該天然氣壓差發(fā)電若兼顧全年流量運行， 機組將長期偏離設(shè)計點，效率偏下， 同時機組兼顧最大流量設(shè)計， 設(shè)備成本偏高。 可考慮在峰值流量時采取旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)運行， 透平按小功率設(shè)計， 以降低投資成本。

2 壓差系統(tǒng)方案

天然氣膨脹發(fā)電后， 溫度和壓力降低， 經(jīng)換熱后進入下游城市燃氣管網(wǎng)， 系統(tǒng)為開式循環(huán)。壓差發(fā)電系統(tǒng)形式并不復(fù)雜， 主要為前置加熱、后置加熱、 以及前后加熱綜合利用等形式。

高壓（HP）管網(wǎng)的天然氣膨脹做功后， 天然氣溫度低于管道輸送要求， 需要將其加熱至下游管網(wǎng)能承受的溫度后， 再進入中/低壓（IP/LP）管網(wǎng)，如圖2 所示。 可采取的加熱方式有電加熱、 水浴爐加熱、 海水換熱以及其他能源換熱方式。

圖2 壓力能發(fā)電系統(tǒng)——后加熱型

為避免膨脹機出口溫度過低， 高壓天然氣管網(wǎng)中的天然氣可先預(yù)加熱， 然后進入透平膨脹機做功發(fā)電。 膨脹做功后的中壓天然氣再進入中壓管網(wǎng)， 如圖3 所示。 可采取的預(yù)加熱方式有電加熱和其他能源換熱方式。 條件允許時建議采用燃氣余熱、 余熱鍋爐或其他廢熱利用的形式對天然氣進行預(yù)熱， 以提高系統(tǒng)能量綜合利用率。

圖3 壓力能發(fā)電系統(tǒng)——前預(yù)熱型

為保證天然氣管網(wǎng)安全穩(wěn)定運行， 該壓差發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)與管網(wǎng)主調(diào)壓系統(tǒng)呈 “并聯(lián)” 模式， 即互為旁路。 膨脹機正常運行時， 可關(guān)閉一路主調(diào)壓單元； 當出口壓力超出變化范圍或膨脹機故障需要緊急切斷膨脹機時， 主調(diào)壓單元應(yīng)能快速響應(yīng)并啟動。 其中壓差發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備由膨脹機、發(fā)電機、 快關(guān)閥、 調(diào)節(jié)閥、 換熱器、 旁路調(diào)壓閥、止回閥、 電控柜、 溫度/壓力/流量監(jiān)測元件、 并網(wǎng)柜、過濾器等組成。

3 壓差發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)

3.1 壓差發(fā)電系統(tǒng)工藝性設(shè)計

上游高壓管網(wǎng)至下游管網(wǎng)之間至少應(yīng)設(shè)置兩分路： 一路經(jīng)由減壓閥調(diào)壓后進入下游管網(wǎng)； 一路經(jīng)由膨脹機減壓后進入下游， 減壓膨脹的同時還能驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電， 回收壓力能。 膨脹機支路上， 天然氣先后經(jīng)過速關(guān)閥， 調(diào)節(jié)閥， 再到膨脹機入口， 出口經(jīng)止回閥后， 再流入下游管網(wǎng)， 如圖4 所示。 換熱器可視具體參數(shù)配置于膨脹機支路前端或末端。

圖4 壓差發(fā)電工藝簡圖

3.2 工質(zhì)密封、 腐蝕安全性設(shè)計

透平膨脹機運行介質(zhì)為天然氣， 其主要成分見表1。 在選取透平關(guān)鍵部件的材料時， 須特別注意二氧化碳、 水蒸氣等導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕問題， 必要時需要在透平局部結(jié)構(gòu)噴附耐蝕涂層材料。

表1 某減壓站天然氣工質(zhì)組分

同時該工質(zhì)成分復(fù)雜， 以甲烷居多。 甲烷屬于甲類可燃氣， 在設(shè)計時應(yīng)充分考慮防爆。 因此，還需要透平做到工質(zhì)無泄漏。 為此， 一般透平軸端采用干氣密封結(jié)構(gòu)， 以避免天然氣泄漏。

另外， 發(fā)電機設(shè)備可根據(jù)機組的配置型式采取工質(zhì)冷卻或常規(guī)冷卻 （空冷/水冷） 方式， 同時應(yīng)采用隔爆型發(fā)電機。

3.3 機組總體方案設(shè)計

用于天然氣余壓發(fā)電的膨脹機設(shè)備主要有透平膨脹機、 螺桿膨脹機、 活塞膨脹機等多種結(jié)構(gòu)型式， 對比而言， 透平膨脹機能實現(xiàn)較高的等熵效率 （80%以上）， 且有較高轉(zhuǎn)速， 同時能實現(xiàn)更高容量的功率； 尤其在功率上具有其他型式膨脹機難以比擬的優(yōu)勢。 綜合而言， 擬采用透平膨脹機作為該型余壓發(fā)電機組的主要動力設(shè)備。

針對余壓發(fā)電機組， 主要有2 種主流機型。一是透平、 發(fā)電機呈 “磁軸承、 一體式” 設(shè)計，如圖5 所示。

圖5 磁軸承一體機方案示意圖

該機型透平與發(fā)電機同軸布置， 其中透平懸臂支撐于發(fā)電機一側(cè)或兩側(cè)； 發(fā)電機采用工質(zhì)冷卻， 并采用磁軸承支撐。 該機型為全封閉型式，可以實現(xiàn)工質(zhì)零泄漏。 另外， 磁軸承替代了滑動軸承， 省卻了潤滑油系統(tǒng)， 簡化了機組布置。 但電機需要天然氣冷卻， 對電機的防爆要求極高，因而電機的防爆設(shè)計是該方案中最大的難點。

另一種是透平、 發(fā)電機呈 “分體式” 設(shè)計，如圖6 所示。

圖6 透平、 發(fā)電機分體式方案示意圖

該機型透平與發(fā)電機分別獨立配置， 采用聯(lián)軸器聯(lián)接； 其中發(fā)電機采用常規(guī)空/水冷卻方式，降低了發(fā)電機設(shè)計難度。 當余壓透平功率較大時，透平將采用多級軸流式， 并采用雙支撐結(jié)構(gòu)， 軸系設(shè)計難度降低； 當余壓透平功率較小時， 透平將采用徑流式（往往對應(yīng)于高轉(zhuǎn)速情形）， 并采用懸臂支撐結(jié)構(gòu)， 可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊。 對于分體式設(shè)計， 無論透平是采用雙支撐或是懸臂支撐，都將需配置軸端干氣密封， 避免天然氣工質(zhì)泄漏。

3.4 透平選材可靠性設(shè)計

天然氣壓差利用的上游管線溫度多為10～25℃， 經(jīng)透平膨脹做功后溫度較低， 多為零下溫度狀態(tài)； 透平焓降較大時的排氣溫度一般可達-30℃。 由于低溫脆性的影響， 材料塑性和韌性會降低； 選材時需要充分考慮動靜部件的冷態(tài)脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響， 尤其對于轉(zhuǎn)子、 動葉等旋轉(zhuǎn)部件，要求在低溫時仍需具有足夠的沖擊功， 以保證透平低溫連續(xù)運行的可靠性。 為此， 結(jié)合透平運行環(huán)境和材料自身特性， 推薦天然氣壓差發(fā)電透平（-40 ℃以上環(huán)境）的基本選材見表2。

表2 天然氣壓差透平材料

3.5 透平結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)天然氣壓差機組總體方案的不同配置，透平結(jié)構(gòu)主要有2 種型式。

首先對于發(fā)電機中置、 透平懸臂布置的一體式機型方案， 其主要針對高轉(zhuǎn)速、 小功率（百千瓦級）而設(shè)計。 透平多采用單級或兩級向心式葉輪，為平衡推力， 葉輪采用 “背靠背” 懸臂布置， 采用切向進氣、 軸向排氣， 結(jié)構(gòu)相當緊湊。 尤其透平為整體垂直圓法蘭連接， 無水平中分面， 結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性好， 有利于透平密封； 同時可實現(xiàn)軸向安裝和拆卸， 拆裝檢修較為方便。

其次是透平、 發(fā)電機呈 “分體式” 設(shè)計方案，當透平功率較大時（～3 MW 以上）， 機組級次較多，因軸系設(shè)計困難， 葉輪懸臂式方案使用受限。 多采用多級軸流式設(shè)計結(jié)構(gòu)。 該型透平轉(zhuǎn)速一般不高（3 000 r/min）， 且多采用雙支撐滑動軸承結(jié)構(gòu)。為避免工質(zhì)軸端泄漏， 將采用干氣密封以替代常規(guī)梳齒密封。

另外對于功率不大的機組（～2 MW 以內(nèi)）， 也可以采用透平-發(fā)電機分體式方案。 此時透平可以采用懸臂支撐結(jié)構(gòu)， 即透平位于軸承箱的懸臂端。其中懸臂透平的設(shè)計結(jié)構(gòu)型式同上述方案一， 由于透平軸承箱采用滑動軸承支撐， 透平軸端也需要采用干氣密封。

3.6 密封結(jié)構(gòu)方案

結(jié)合天然氣減壓站應(yīng)用場景要求， 需保證天然氣工質(zhì)無泄漏。 透平、 發(fā)電機呈 “分體式” 設(shè)計時， 透平軸端需采用干氣密封結(jié)構(gòu)。

透平軸端干氣密封推薦采用雙級串聯(lián)式密封。圖7 是天然氣軸端密封的一種典型。 一級密封工藝氣采用天然氣， 自A 口進入， 流向通流側(cè)。 B口的摻混氣， 一部分來自A 區(qū)經(jīng)一級密封的微量泄漏氣， 一部分來自于C 口的二級密封氣 （天然氣）， 摻混氣可回收至系統(tǒng)。 C 口經(jīng)二級密封后的微量泄漏氣與E 口進來的隔離氣（氮氣或空氣）混合后（滿足安全濃度要求）， 可以自D 口收集或高點排火炬。

圖7 天然氣軸端密封

軸端干氣密封的工藝氣可取自透平上游管線，經(jīng)減壓后作為一級密封氣。 由于上游管線天然氣溫度偏低， 為避免在干氣密封動靜密封副間因節(jié)流降壓/溫效應(yīng)而出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象， 從而導(dǎo)致密封面磨損或抱軸問題， 密封系統(tǒng)中需配置加熱器，使工質(zhì)進入密封腔之前先加熱到合適溫度（50～120 ℃）。

4 技術(shù)經(jīng)濟性分析

為簡要分析天然氣壓差發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟性，結(jié)合典型案例進行對比研究。

案例1： 山西某天然氣減壓站A 入口壓力3.89 MPa， 入口溫度10 ℃； 出口壓力1.85 MPa。管網(wǎng)流量全年變化波動較大， 年平均流量22 225 Nm3/h。

案例2： 廣東某天然氣減壓站B 入口壓力9 MPa， 入口溫度25 ℃； 出口壓力4 MPa。 管網(wǎng)流量全年波動較小， 年平均流量85 000 Nm3/h。

針對2 種情況， 分別作了技術(shù)經(jīng)濟性預(yù)估，結(jié)果見表3。

表3 天然氣壓差發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟性分析

表3 中系統(tǒng)的設(shè)備投入含透平發(fā)電機組、 換熱器、 閥門等成套設(shè)備及服務(wù)。 另外電價以當?shù)貐⒖茧妰r為基準（無補貼情況）。

從這2 個案例的對比來看， 功率越小， 機組的比功率投資（初投資/凈輸出平均功率）并不會降低。 另外對于案例1， 全年流量波動大， 部分時間是偏離設(shè)計點運行， 導(dǎo)致平均流量偏離設(shè)計流量較大； 且發(fā)電設(shè)備滿負荷利用不高， 導(dǎo)致比收益（收益/初投資） 相對較低。 而相比之下， 案例2 流量長時間相對穩(wěn)定運行， 發(fā)電設(shè)備滿負荷利用較高， 比收益相對較高。

5 結(jié)論

天然氣壓差發(fā)電是一種新型綠色的能源回收利用方式， 在解決管網(wǎng)天然氣降壓利用的過程中回收壓力能供發(fā)電用。

（1）壓差發(fā)電系統(tǒng)相對簡單， 工藝流程不難實現(xiàn)， 且設(shè)備較少。

（2）壓差發(fā)電系統(tǒng)需重點解決透平膨脹機排氣的低溫問題， 文中在透平選材上和系統(tǒng)配置上提出了解決方案， 可為天然氣壓差發(fā)電機組應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。

（3）為保證透平設(shè)備中天然氣工質(zhì)的密封性，干氣密封結(jié)構(gòu)是一種較為有效的解決方式。 文中提供了一種可供壓差發(fā)電透平設(shè)備密封選用的密封工藝， 推薦采用兩級干氣密封以解決天然氣工質(zhì)的軸端密封問題。

（4）從文中的2 個案例分析來看， 穩(wěn)定的運行流量邊界條件對于天然氣壓差發(fā)電應(yīng)用更具有一定投資優(yōu)勢。