周建 羅敏 李翔 李健 劉穎

（1.中國(guó)石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川 成都 610213；2.中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦，四川 遂寧 629000）

川渝管網(wǎng)高低壓分輸壓力能回收利用技術(shù)分析

周建1羅敏1李翔1李健2劉穎1

（1.中國(guó)石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川 成都 610213；2.中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦，四川 遂寧 629000）

由于目前川渝管網(wǎng)高低壓分輸調(diào)壓過(guò)程中釋放的壓力能均未得到回收利用，因而造成大量能量損失。為此，對(duì)川渝管網(wǎng)調(diào)壓壓力能回收技術(shù)進(jìn)行分析，提出了基于壓力能回收的優(yōu)化運(yùn)行方法來(lái)優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行方案，提高整個(gè)管網(wǎng)壓力能回收能力；設(shè)置了高、低壓儲(chǔ)氣罐并保留旁通傳統(tǒng)調(diào)壓裝置來(lái)解決調(diào)壓閥前后存在壓力波動(dòng)的問(wèn)題；提出了3種不同形式的發(fā)電和供冷壓力能回收工藝流程來(lái)解決各站場(chǎng)壓力能回收能力差異很大的問(wèn)題。分析結(jié)果表明：①高低壓分輸條件下，川渝管網(wǎng)蘊(yùn)藏著巨大的可回收壓力能，若采用透平膨脹機(jī)發(fā)電，年發(fā)電量在2.05×108kW·h以上；②現(xiàn)輸送條件下，通過(guò)采用基于壓力能回收的優(yōu)化運(yùn)行調(diào)配方案，川渝管網(wǎng)可回收壓力能回收能力約可提高5%，且可減少回收站場(chǎng)3座；③提出的發(fā)電、供冷壓力能回收工藝流程均能夠滿(mǎn)足川渝管網(wǎng)壓力能回收要求。

川渝管網(wǎng) 高低壓分輸 壓力能 節(jié)能降耗 回收利用 發(fā)電 供冷

0 引言

2012年7月，川渝天然氣管網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“川渝管網(wǎng)”）開(kāi)始從中貴線(xiàn)下載中亞天然氣后，已初步實(shí)現(xiàn)“高低壓分輸、輸配氣分離”的運(yùn)行格局，形成多個(gè)高壓干線(xiàn)向低壓干線(xiàn)降壓輸送的調(diào)壓節(jié)點(diǎn)。然而，目前管網(wǎng)全部調(diào)壓過(guò)程中釋放的壓力能均未得到回收利用，造成大量能量損失。為解決此問(wèn)題，對(duì)川渝管網(wǎng)調(diào)壓壓力能回收技術(shù)進(jìn)行分析，提出可行的壓力能回收技術(shù)方案。

1 川渝管網(wǎng)高低壓分輸壓力能回收利用特點(diǎn)

川渝管網(wǎng)布局高度環(huán)狀化，骨干管網(wǎng)形成東西南北各向均有多條通道的大型環(huán)網(wǎng)；各市縣（區(qū)）的供氣區(qū)域管網(wǎng)與骨干管網(wǎng)的低壓供氣管線(xiàn)節(jié)點(diǎn)站相連。管網(wǎng)存在3類(lèi)調(diào)壓過(guò)程：一是高壓干線(xiàn)向低壓干線(xiàn)調(diào)壓；二是高壓干線(xiàn)直接向供氣管線(xiàn)調(diào)壓；三是低壓干線(xiàn)向供氣管線(xiàn)調(diào)壓。壓力能回收利用主要考慮前兩類(lèi)。川渝管網(wǎng)高低壓分輸示意圖見(jiàn)圖1。

高低壓分輸條件下，川渝管網(wǎng)壓力能回收利用具有如下特點(diǎn)：

圖1 川渝骨干管網(wǎng)高低壓分輸示意圖

1）不能僅單純考慮站場(chǎng)工藝流程改造和回收裝置，還必須結(jié)合管網(wǎng)調(diào)配方案。調(diào)配方案不同，各調(diào)壓站的運(yùn)行參數(shù)可能存在較大差異，而壓力能回收技術(shù)方案設(shè)計(jì)必須依據(jù)運(yùn)行參數(shù)。這也是川渝管網(wǎng)壓力能回收的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)優(yōu)化調(diào)配方案來(lái)優(yōu)化壓力能回收站場(chǎng)布局，能使壓力能回收利用效益最大化。

2）多數(shù)高低壓分輸調(diào)壓站調(diào)壓前后壓力、氣量范圍一般都存在較大的波動(dòng)幅度。這是因?yàn)閷?duì)于川渝環(huán)狀管網(wǎng)，氣量調(diào)配靈活，管線(xiàn)間運(yùn)行狀況相互影響程度大，不論高壓干線(xiàn)還是低壓干線(xiàn)，壓力、氣量均存在波動(dòng)。

3）不同站場(chǎng)回收能力差異很大，宜分類(lèi)制定回收工藝，既要做到因地制宜，也要避免回收工藝形式過(guò)多。

2 川渝管網(wǎng)壓力能回收技術(shù)方案

2.1 基于壓力能回收的管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方案

為了獲得最佳的壓力能回收站場(chǎng)布局及最大的壓力能回收效應(yīng)，需對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行基于壓力能回收的優(yōu)化運(yùn)行分析?；舅悸肥牵哼x擇靠下游的高低壓分輸站，固定調(diào)壓閥后的壓力為最低允許壓力，讓上游高低壓分輸站的調(diào)壓閥閥后壓力在允許范圍內(nèi)變化，得出各種調(diào)壓方式下的壓力能回收情況，再根據(jù)壓力能回收經(jīng)濟(jì)性比較，確定優(yōu)化運(yùn)行方案。

2.1.1 可回收壓力能計(jì)算方法

可回收壓力能是指在給定管網(wǎng)運(yùn)行壓力、氣量、溫度和回收工藝條件下可回收壓力能的計(jì)算值，不同運(yùn)行壓力、氣量、溫度和回收工藝對(duì)應(yīng)不同的可回收壓力能。

從熱力學(xué)角度看，天然氣管道可以看成是一種開(kāi)口系統(tǒng)［1］。根據(jù)熱力學(xué)理論，單位質(zhì)量的穩(wěn)定物流從狀態(tài)1以可逆方式變化到狀態(tài)2時(shí)所能回收的最大可用能，等于初、終態(tài)穩(wěn)定物流的焓之差［2］。給出天然氣管網(wǎng)調(diào)壓前后焓變計(jì)算公式［3］如下：

天然氣定壓比熱容［4］：參照多變過(guò)程對(duì)透平膨脹過(guò)程［5］有：

式中，Δe、Δet、Δep為焓損、比溫度、比壓力，kJ／kg；Rg為天然氣氣體常數(shù)，kJ／kg·K；p1、p2、p0為透平膨脹機(jī)進(jìn)口、出口、環(huán)境壓力，MPa；T1、T2、T0為透平膨脹機(jī)進(jìn)口、出口、環(huán)境溫度，K；Cp為定壓比熱容，kJ／kg·K；n為多變指數(shù)。

2.1.2 優(yōu)化運(yùn)行方法及方案

為了闡明具體優(yōu)化方法，構(gòu)建了理想的分析模型（圖2）。①在上游調(diào)壓站，為了同時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)用氣要求和管線(xiàn)安全，調(diào)壓閥（T1）后壓力p1′不低于2.2 MPa、不高于3.8MPa。②在下游調(diào)壓站，為了滿(mǎn)足用戶(hù)需求和下游輸氣要求，調(diào)壓閥（T2）后壓力p′2不低于2.8MPa。為了獲得盡量多的壓力能，設(shè)固定為最低允許壓力2.8MPa。當(dāng)上游調(diào)壓站T1后壓力變化時(shí)，經(jīng)過(guò)T1、T2的流量會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致兩調(diào)壓站回收的壓力能之和也發(fā)生變化。當(dāng)p′1在2.2～3.8MPa變化時(shí)，上下游獲得的壓力能變化情況見(jiàn)圖3。圖中W、W1、W2分別為兩調(diào)壓站調(diào)壓獲得的總功率、上游調(diào)壓站功率、下游調(diào)壓站功率。從圖3可以看出：W先上升后下降，W1先上升后下降，W2一直下降，3條曲線(xiàn)各存在1個(gè)峰值，分別為1923kW、1266kW、1786kW。若要回收1923kW的壓力能，需對(duì)兩個(gè)站都實(shí)施壓力能回收，固定投資較高；若僅回收W1或W2，則只需對(duì)1個(gè)站實(shí)施壓力能回收，固定投資較低，但壓力能回收能力也較低。為了獲得最優(yōu)的壓力能回收效益且投資低，應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果決定。對(duì)于本例，顯然僅回收W2較為經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槠浞逯祪H比同時(shí)回收W1、W2的峰值少7.12%，但固定投資會(huì)約少50%。根據(jù)TGNET軟件模擬結(jié)果，此時(shí)p′1、p2、p′2分別為2.2MPa、5.1MPa、2.8MPa。

圖2 基于壓力能回收的管網(wǎng)優(yōu)化分析模型示意圖

圖3 不同調(diào)壓方式下壓力能回收功率圖

對(duì)于上下游具有3個(gè)及以上調(diào)壓分輸站的情形，思路和方法與上面相同，只是需要列出更多的方案。

利用式（1）～（5）計(jì)算出現(xiàn)運(yùn)行、優(yōu)化運(yùn)行條件下川渝管網(wǎng)可回收壓力能，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。計(jì)算時(shí)，天然氣組成近似全部為甲烷，調(diào)壓前溫度取25℃，環(huán)境溫度取20℃，透平膨脹機(jī)效率取0.75。

從表1、表2可以看出，川渝管網(wǎng)蘊(yùn)藏著巨大的可回收壓力能?？紤]透平膨脹機(jī)與發(fā)電方式的齒輪箱效率為0.98，發(fā)電機(jī)效率為0.96，則現(xiàn)運(yùn)行、優(yōu)化運(yùn)行條件下發(fā)電總功率分別為23405kW、24571 kW，年發(fā)電分別為2.05×108kW·h、2.15×108kW·h。對(duì)比表1、表2可知：通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)配方案，可回收壓力能回收能力約提高5%，且可減少回收站場(chǎng)3座（GD3、GD7、GD9），大大降低投資。

表1 川渝管網(wǎng)現(xiàn)運(yùn)行條件下可回收利用壓力能計(jì)算表

2.2 站場(chǎng)壓力能回收工藝

目前天然氣壓力能回收主要用于直接膨脹發(fā)電、LNG調(diào)峰、冷庫(kù)等。已進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用階段的天然氣壓力能回收利用技術(shù)見(jiàn)表3。

表2 川渝管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行后理論可回收利用壓力能情況表

表3 天然氣壓力能回收利用表

由于川渝管網(wǎng)各調(diào)壓站調(diào)壓后的天然氣溫度均達(dá)不到LNG調(diào)峰和冷庫(kù)要求的低溫和其他客觀(guān)條件，故主要考慮直接膨脹發(fā)電和制冷實(shí)現(xiàn)天然氣壓力能回收利用。將高壓管網(wǎng)天然氣壓力能回收發(fā)電主要是以膨脹機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)壓閥來(lái)回收高壓天然氣降壓過(guò)程中的壓力能，將其用于發(fā)電［7］P2386。在借鑒現(xiàn)有工藝流程研究成果［8-14］并結(jié)合川渝管網(wǎng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出川渝管網(wǎng)天然氣壓力能回收工藝流程。

2.2.1 單一膨脹發(fā)電工藝

高壓天然氣經(jīng)凈化裝置、高壓儲(chǔ)氣罐后進(jìn)入透平膨脹機(jī)，天然氣在此膨脹降壓降溫，向發(fā)電機(jī)輸出機(jī)械功發(fā)電，出口低壓低溫天然氣經(jīng)低壓儲(chǔ)氣罐后進(jìn)入低壓天然氣管道。傳統(tǒng)調(diào)壓裝置作為備用也可在流量突然過(guò)大時(shí)用作調(diào)節(jié)透平膨脹機(jī)入口流量用。該工藝主要特點(diǎn)是：采用高壓儲(chǔ)氣罐和低壓儲(chǔ)氣罐作為氣流緩沖、調(diào)節(jié)設(shè)施，避免透平膨脹機(jī)入口壓力、氣量波動(dòng)過(guò)大，同時(shí)滿(mǎn)足下游用戶(hù)用氣波動(dòng)的需求；不回收天然氣膨脹產(chǎn)生的冷能，也不對(duì)透平膨脹機(jī)出口低溫天然氣進(jìn)行升溫。該工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 單一膨脹發(fā)電工藝原理示意圖

該工藝適用條件：調(diào)壓壓差、氣量不大，透平膨脹機(jī)出口天然氣溫度在0℃以上。川渝管網(wǎng)GD4、GD10、GD11等3個(gè)站場(chǎng)可采用此工藝。

2.2.2 膨脹發(fā)電、供冷工藝

該工藝在單一膨脹發(fā)電基礎(chǔ)上增加兩個(gè)換熱器，位于透平膨脹機(jī)和低壓儲(chǔ)氣罐之間。換熱器1用于回收膨脹產(chǎn)生的冷量，向站內(nèi)供冷，換熱器2用于向從換熱器1出來(lái)的溫度可能仍然很低的天然氣加熱，使之升溫到0℃以上。該工藝主要特點(diǎn)是：采用高壓儲(chǔ)氣罐和低壓儲(chǔ)氣罐作為氣流緩沖、調(diào)節(jié)設(shè)施，避免透平膨脹機(jī)入口壓力、氣量波動(dòng)過(guò)大，同時(shí)滿(mǎn)足下游用戶(hù)用氣波動(dòng)的需求；回收了部分冷量用于站內(nèi)供冷；需要額外熱能對(duì)低溫天然氣加熱。該工藝流程見(jiàn)圖5。

圖5 膨脹發(fā)電、供冷工藝流程圖

該工藝適用條件：調(diào)壓壓差、氣量較大，天然氣膨脹產(chǎn)生的冷量能滿(mǎn)足小用戶(hù)需求。川渝管網(wǎng)

GD1、GD5、GD6等9個(gè)站場(chǎng)可采用此工藝。

2.2.3 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電工藝

該工藝透平膨脹機(jī)輸出機(jī)械功同軸驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)；出口低壓低溫天然氣經(jīng)過(guò)進(jìn)氣冷卻器對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，同時(shí)提高自身溫度；冷卻器出來(lái)的天然氣經(jīng)余熱回收器回收燃?xì)廨啓C(jī)余熱，自身溫度提高到0℃以上后進(jìn)入低壓儲(chǔ)氣罐。利用該工藝，1m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）天然氣可發(fā)電7kW·h，是一般的熱電聯(lián)供機(jī)組的兩倍［6］P45。該工藝主要特點(diǎn)是：采用高壓儲(chǔ)氣罐和低壓儲(chǔ)氣罐作為氣流緩沖、調(diào)節(jié)設(shè)施，避免透平膨脹機(jī)入口壓力、氣量波動(dòng)過(guò)大，同時(shí)滿(mǎn)足下游用戶(hù)用氣波動(dòng)的需求；回收的全部冷量用于冷卻壓氣機(jī)進(jìn)口空氣和燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收，不需額外功加熱低溫天然氣；需要燃燒小部分低壓天然氣。該工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電工藝流程圖

該工藝適用條件：調(diào)壓壓差、氣量很大，天然氣膨脹產(chǎn)生的壓力能和冷能均很大。川渝管網(wǎng)GD2、GT1兩個(gè)站場(chǎng)可采用此工藝。

3 結(jié)論及建議

1）高低壓分輸條件下，川渝管網(wǎng)蘊(yùn)藏著巨大的可回收壓力能，若采用透平膨脹機(jī)發(fā)電，理論年發(fā)電量在2.05×108kW·h以上。

2）基于壓力能回收的優(yōu)化運(yùn)行方法，可用于優(yōu)化調(diào)配方案、提高壓力能回收經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)輸送條件下，通過(guò)采用基于壓力能回收的優(yōu)化運(yùn)行調(diào)配方案，川渝管網(wǎng)可回收壓力能回收能力約可提高5%，且可減少回收站場(chǎng)3座。

3）提出的3種不同形式的發(fā)電、供冷壓力能回收工藝流程均能夠滿(mǎn)足川渝管網(wǎng)壓力能回收的特殊要求。

4）對(duì)川渝管網(wǎng)高低壓分輸壓力能回收利用的工藝技術(shù)方案進(jìn)行了分析，下一步應(yīng)對(duì)實(shí)施各方案的經(jīng)濟(jì)性、具體技術(shù)要求及綜合可行性進(jìn)行深入的分析論證。

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（編輯：李臻）

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2095-1132（2014）04-0040-05

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.04.012

修訂回稿日期：2014-06-15

周建（1980-），工程師，從事天然氣管輸工藝技術(shù)研究工作。E-mail：zhoujian_sq@petrochina.com.cn。

時(shí)間：2013-06-23網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.2095-1132.2014.04.000.html。