舒建國，張會(huì)明，劇成成，王立群，曲宏偉

（冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司，山東煙臺(tái) 264000）

0 引言

天然氣相對于煤炭是一種較清潔的能源，采用天然氣替代燃煤可有效緩解大氣污染，提升人民生活質(zhì)量。但我國是一個(gè)富煤貧氣的國家，雖然天然氣儲(chǔ)量豐富，但我國人口眾多，能源消耗巨大，屬于天然氣相對缺乏的國家。我國天然氣占一次能源的比例不足10%，并且天然氣主要分布在西部、中部及海域地區(qū)，東部人口稠密地區(qū)相對匱乏。天然氣主要依靠管道輸送和LNG進(jìn)行地域供給需求的調(diào)節(jié)和匹配。為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和擴(kuò)大內(nèi)需，我國于2000年提出西部大開發(fā)建設(shè)，建立了“西氣東輸”、“川氣東送”、“中衛(wèi)-貴州天然氣管線”、“緬甸-中國天然氣管線”等等一系列天然氣遠(yuǎn)輸管線。2017年，京津冀地區(qū)“煤改電、煤改氣”計(jì)劃的實(shí)施，有效緩解了該地區(qū)的霧霾問題，也刺激了天然氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)2020年，我國天然氣管道年輸送量將達(dá)4.2×1011Nm3以上。

當(dāng)前世界上天然氣長輸管道均采用高壓，各地的天然氣調(diào)壓站，根據(jù)下游用戶的供氣要求，將主干道上的天然氣進(jìn)行降壓后供給城市燃?xì)庥脩?。天然氣的降壓目前主要通過調(diào)壓撬裝置完成，通過節(jié)流方式降低天然氣壓力將上游天然氣的增壓耗能完全浪費(fèi)掉。天然氣在降壓過程中產(chǎn)生很大的壓力降，釋放大量的壓力能，同時(shí)降壓后溫度明顯下降，產(chǎn)生大量的冷能[1]。

國外的長輸管線的設(shè)計(jì)壓力都在10 MPa以上[2-3]。而中國城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)壓力均在4 MPa以下，可回收的壓力能巨大。城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)壓力分級參見表1。

表1 城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)壓力（表壓）分級

針對壓力能進(jìn)行回收的歷史由來已久，美國是最早對天然氣壓力能進(jìn)行回收的國家，1983年，美國在加利福尼亞南部的天然氣門站安裝了第一臺(tái)制冷膨脹發(fā)電機(jī)組回收天然氣的壓力能發(fā)電并制冷。英國近年的研究更傾向于天然氣管道壓力能綜合回收利用。2009年1月，英國國家電網(wǎng)和2OC公司聯(lián)合在倫敦東部天然氣管道上安裝了微型渦輪膨脹機(jī)，對天然氣管道上的壓力能進(jìn)行回收，這些膨脹機(jī)體積小，直徑僅20 cm，但是發(fā)電功率可以達(dá)到1,000 kW[4]。2001年，日本東京電力公司開工建設(shè)了一座利用天然氣的壓差發(fā)電的發(fā)電站，發(fā)電能力為7,700 kW[5]。國內(nèi)西安交通大學(xué)的邢子文教授[6]也申請了一種燃料電池汽車用螺桿壓縮-膨脹機(jī)組。歐美國家及俄羅斯利用管道壓力能液化的技術(shù)比較成熟[7]。

目前，申安云等[8]進(jìn)行了天然氣管網(wǎng)壓力能利用的?分析。國內(nèi)求雨嶺門站已經(jīng)成功實(shí)施“天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電制冰技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用”項(xiàng)目，該項(xiàng)目天然氣流量36×104m3/d，標(biāo)稱發(fā)電輸出功率200 kW，日制冰能力80 t，制冰冷量441 kW，其中170 kW直接從低溫天然氣回收冷能，蒸發(fā)溫度按照-16 ℃計(jì)，系統(tǒng)COP約為2，僅回收冷能一項(xiàng)，每小時(shí)可節(jié)電85 kW，該系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示[9]。許靖煊等[10]采用天然氣發(fā)電結(jié)合余熱驅(qū)動(dòng)吸收式制冷與LNG冷能聯(lián)動(dòng)供冷，高效地服務(wù)于常規(guī)電網(wǎng)供能系統(tǒng)。趙先勤等[11]給出了發(fā)電輸出功率為45 kW的天然氣膨脹發(fā)電機(jī)組成功運(yùn)轉(zhuǎn)案例。趙思越等[12]通過蓄冷裝置收集L-CNG汽化放出的冷能，供周邊辦公住宅使用。闞蘇玉等[13]回收LNG燃料船在使用燃料發(fā)電時(shí)的冷量，利用Rankine發(fā)電循環(huán)可回收約102.6 kW電量。此外國內(nèi)部分管網(wǎng)利用壓力能單級膨脹制冷結(jié)合天然氣的液化工藝，在中石油西南分公司、江陰天力、瀘縣LNG工廠和蘇州華峰也均有成功應(yīng)用案例[14]。我國的天然氣余壓膨脹利用技術(shù)仍有很大的發(fā)展空間，尤其在投資回收期和投資回收比方面，存在很大的改善空間。

圖1 求雨嶺天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電制冰技術(shù)流程圖

1 天然氣遠(yuǎn)輸降壓過程?損失分析

1.1 天然氣降壓狀態(tài)點(diǎn)

天然氣的主要成分是甲烷，含量在95%以上，為簡化分析，假定天然氣的中僅含甲烷（Methane）。

設(shè)定天然氣降壓過程起點(diǎn)1點(diǎn)的狀態(tài)為：甲烷的壓力和溫度分別為10.1 MPaA和293.15 K，降壓終態(tài)壓力為4.1 MPaA，環(huán)境溫度為T0為293.15 K。將兩種降壓過程分別繪制在甲烷的T-S圖上，詳見圖2，曲線1-2為絕熱節(jié)流過程，曲線1-2'為等熵膨脹過程。

圖2 甲烷10.1-4.1 MPaA降壓過程曲線

兩種降壓過程的初終態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)參比狀態(tài)3列于表2。

從表2中可見，節(jié)流降壓后溫度為-5 ℃，高于膨脹降壓出口溫度-43 ℃。

表2 甲烷不同降壓過程狀態(tài)參數(shù)表

1.2 天然氣降壓過程?分析

相對于確定的環(huán)境狀態(tài)，工質(zhì)的焓?只取決于工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。一定狀態(tài)下質(zhì)量為m的工質(zhì)的焓?可表示為：

比焓?可表示為：

穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)?平衡方程為（忽略位能變化）：

式中：

ex,h——工質(zhì)的比焓?，J/kg；

H——焓，J/kg；

To——環(huán)境溫度，K；

cp——工質(zhì)的比定壓熱容，J/(kg·K)；

T——工質(zhì)所在狀態(tài)下的溫度，K；

R——摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；

M——工質(zhì)的摩爾質(zhì)量，kg/mol；

p——工質(zhì)所在狀態(tài)下的絕對壓力，MPaA；

pO——環(huán)境絕對壓力，MPaA；

ωi——軸功；

i——?損失。

對于絕熱節(jié)流過程：

調(diào)取表一中狀態(tài)參數(shù)，代入式(4)中，絕熱節(jié)流過程的?損失為118.49 kJ/kg，且根據(jù)式(4)，環(huán)境溫度越高?損失越大。

定義膨脹降壓過程為可逆絕熱過程，絕熱膨脹過程的做功為：

調(diào)取表2中狀態(tài)參數(shù)，代入式(5)中，絕熱膨脹過程的可輸出軸功為100.38 kJ/kg。

1.3 天然氣降壓過程能量回收潛力巨大

通過穩(wěn)定流動(dòng)過程?平衡方程的分析可知，絕熱節(jié)流過程的壓降全部轉(zhuǎn)化為?損失，沒有可用功的輸出。而采用膨脹機(jī)可對絕熱膨脹過程的膨脹功進(jìn)行有效回收，單位天然氣可回收功為100.38 kJ/kg，節(jié)能效果顯著，能源利用水平較高，但從圖1中亦可看出，絕熱膨脹過程終了狀態(tài)溫度低于絕熱節(jié)流過程終了狀態(tài)溫度，采用膨脹降壓過程可以獲得低溫環(huán)境。為保證管道的安全和避免天然氣中水分的析出凝固，絕熱膨脹過程需要更大的復(fù)熱量。

未來天然氣產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)輸?shù)陌l(fā)展方向是高壓力。甲烷的標(biāo)準(zhǔn)參比參數(shù)定為101.325 kPa和20 ℃，密度為0.66816 kg/Nm3。如果每年有2,000×108Nm3管道天然氣采用膨脹發(fā)電機(jī)組回收膨脹過程壓力能，膨脹機(jī)的絕熱效率取0.8，發(fā)電機(jī)發(fā)電效率取0.95，每年可回收壓力能9.56×109MJ，相當(dāng)于307 MW的電站一年的發(fā)電量，回收潛力巨大。

2 高壓管網(wǎng)天然氣膨脹發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)

2.1 膨脹機(jī)的選取

膨脹機(jī)是利用高壓氣體的膨脹降壓向外輸出機(jī)械功并伴隨氣體溫度變化的動(dòng)力設(shè)備。膨脹機(jī)按能量轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為速度式和容積式兩大類。速度式膨脹機(jī)適用于流量大、負(fù)荷穩(wěn)定的場合，如透平膨脹機(jī)，容積式膨脹機(jī)適用于小流量、負(fù)荷波動(dòng)大的場合，如螺桿式膨脹機(jī)等[15]。

深圳求雨嶺高壓管網(wǎng)壓力能發(fā)電-制冰項(xiàng)目在運(yùn)行過程中存在較多問題：透平膨脹機(jī)的高轉(zhuǎn)速造成機(jī)組潤滑油系統(tǒng)溫度過高；膨脹機(jī)主軸轉(zhuǎn)速過高，需匹配大減速比的減速箱，影響減速箱的使用壽命和強(qiáng)度；發(fā)電連載壓縮機(jī)的時(shí)候，電流波動(dòng)較大，影響壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速[16]。筆者提出了采用無油的、低速、高效的螺桿膨脹機(jī)的改進(jìn)設(shè)想。

螺桿膨脹機(jī)對液體和凍結(jié)雜質(zhì)雜質(zhì)不敏感，并且?guī)б毫吭酱螅蛎洐C(jī)的間隙越小，泄露損失越小，絕熱效率越高，而透平膨脹機(jī)需要克服帶液氣流對葉輪的沖擊等一些列問題。透平膨脹機(jī)要求流量和參數(shù)要相對穩(wěn)定，偏離設(shè)計(jì)工況10%之后效率急劇下降，螺桿膨脹機(jī)適應(yīng)變工況能力強(qiáng)，在負(fù)荷變化不超過50%范圍內(nèi)能平穩(wěn)可靠工作，在低負(fù)荷下仍能維持45%以上的內(nèi)效率[17]。螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速更加接近，膨脹機(jī)和發(fā)電機(jī)可直連，齒輪和軸承問題相對容易解決，而透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速一般在上萬轉(zhuǎn)，需要增加高精度的齒輪箱。基于以上優(yōu)勢，螺桿膨脹機(jī)近幾年得到了快速的發(fā)展。

2.2 膨脹機(jī)的復(fù)熱

天然氣不可避免的存在水蒸氣，天然氣膨脹降壓的同時(shí)溫度急劇下降，各組分分壓力發(fā)生變化，一部分水蒸氣析出甚至凝固，對膨脹設(shè)備產(chǎn)生一定的危害。

根據(jù)道爾頓分壓力定律可知，理想氣體混合物中各組元的摩爾數(shù)之比等于分壓力之比，即：

式中：

na——水蒸氣的摩爾數(shù)；

nc——甲烷的摩爾數(shù)；

pa——水蒸氣的分壓力，kPa；

pc——甲烷的分壓力，kPa。

假設(shè)天然氣和水蒸氣的混合氣體為理想氣體，實(shí)際計(jì)算過程多為計(jì)算膨脹前后的焓差計(jì)算膨脹發(fā)電量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 17820-2012《天然氣》的規(guī)定，在交接壓力下水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃。若最低環(huán)境溫度取-10 ℃，則天然氣水露點(diǎn)溫度為-15 ℃。

膨脹機(jī)入口狀態(tài)參數(shù)：查NIST物性參數(shù)程序可知，-15 ℃對應(yīng)的水蒸氣飽和壓力為0.17 kPa，即水蒸氣在天然氣中的分壓力為0.17 kPa，而總壓力P=10.1 MPa，水蒸氣的摩爾占比等于0.17/10100。

絕熱等熵膨脹后，膨脹機(jī)出口狀態(tài)參數(shù)：此時(shí)總壓為4.1 MPa，水蒸氣的分壓力為4.1×0.17/10,100=0.07 kPa，此時(shí)水露點(diǎn)溫度為-23.99 ℃。根據(jù)表2可知，天然氣絕熱膨脹后溫度將降低到-43 ℃左右，遠(yuǎn)低于出口的水露點(diǎn)溫度，為避免水蒸氣析出凝凍在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，造成旋轉(zhuǎn)設(shè)備動(dòng)平衡失穩(wěn)，有必要對膨脹前或膨脹中的天然氣進(jìn)行復(fù)熱。

2.3 不同條件下復(fù)熱功率和發(fā)電量計(jì)算

計(jì)算條件：1）介質(zhì)組分甲烷；2）采用螺桿膨脹機(jī)，進(jìn)氣復(fù)熱的方式，流量為104Nm3/h；3）膨脹機(jī)出口溫度為5 ℃；4）膨脹機(jī)效率取0.75。

對膨脹過程進(jìn)行模擬。流程圖如圖3?；旌掀鱉IX-102將水蒸氣和甲烷混合均勻，E-100為進(jìn)氣復(fù)熱器，K-100為螺桿膨脹機(jī)。

圖3 膨脹機(jī)膨脹流程圖

分別模擬膨脹機(jī)進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、排氣壓力以及進(jìn)氣露點(diǎn)溫度對復(fù)熱量、發(fā)電量和排氣露點(diǎn)溫度的影響。

膨脹機(jī)進(jìn)口溫度維持20 ℃，膨脹機(jī)出口溫度為5 ℃，出口壓力4 MPa，膨脹機(jī)進(jìn)口壓力由10 MPa以0.5 MPa的壓差逐漸降低至5.5 MPa時(shí)，計(jì)算復(fù)熱量和發(fā)電量隨進(jìn)口壓力的變化規(guī)律。由圖4可以看出，隨著進(jìn)口壓力的降低，復(fù)熱量和發(fā)電量都在不斷下降，復(fù)熱量的下降速度更加明顯，當(dāng)排氣壓力為7.3 MPa時(shí)，復(fù)熱量等于發(fā)電量，吸氣壓力再降低，復(fù)熱量將小于發(fā)電量。

圖4 復(fù)熱量和發(fā)電量隨進(jìn)氣壓力的變化規(guī)律

膨脹機(jī)出口溫度為5 ℃，膨脹機(jī)進(jìn)口壓力8 MPa，出口壓力4 MPa，膨脹機(jī)的進(jìn)口溫度由5 ℃升至30 ℃，由圖5可知，發(fā)電量不變，復(fù)熱量急劇下降，當(dāng)進(jìn)氣溫度為23 ℃時(shí)，復(fù)熱量等于發(fā)電量。

圖5 復(fù)熱量和發(fā)電量隨進(jìn)氣溫度的變化規(guī)律

膨脹機(jī)出口溫度為5 ℃，膨脹機(jī)進(jìn)氣壓力10 MPa，膨脹機(jī)的進(jìn)氣溫度20 ℃，膨脹機(jī)出氣壓力由4 MPa 降至2 MPa，由圖6可知，復(fù)熱量和發(fā)電量均隨著排氣壓力的下降而不斷下降，在指定條件下，復(fù)熱量總是大于發(fā)電量。

圖6 膨脹機(jī)排氣壓力對復(fù)熱量和發(fā)電量的影響

膨脹機(jī)進(jìn)口壓力10 MPa，進(jìn)口溫度20 ℃，出口壓力4 MPa，出口溫度為5 ℃，計(jì)算進(jìn)氣露點(diǎn)溫度對復(fù)熱量、發(fā)電量和排氣露點(diǎn)溫度的影響。由圖7可知，進(jìn)氣露點(diǎn)溫度在-15 ℃～5 ℃之間變化時(shí)，對發(fā)電量無影響，但復(fù)熱量隨著進(jìn)氣露點(diǎn)溫度的升高略有增加，進(jìn)氣露點(diǎn)溫度升高20 ℃，復(fù)熱量增加0.6 kW，占總復(fù)熱量的比值為0.24%，進(jìn)氣露點(diǎn)影響排氣露點(diǎn)溫度，排氣露點(diǎn)隨著進(jìn)氣露點(diǎn)的增加而增加。

從以上圖表可以總結(jié)出，隨著進(jìn)排氣壓差的增大，發(fā)電量增大，進(jìn)氣壓力越高，排氣壓力越低，發(fā)電量越大，但同時(shí)進(jìn)排氣壓差越小，復(fù)熱量占發(fā)電量的比例越小。進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣露點(diǎn)溫度對發(fā)電量幾乎無影響，復(fù)熱量隨著進(jìn)氣溫度的升高而降低，隨著進(jìn)氣露點(diǎn)溫度的升高而增大。進(jìn)氣露點(diǎn)直接影響排氣露點(diǎn)溫度，進(jìn)氣露點(diǎn)溫度越高，排氣露點(diǎn)溫度也越高。

圖7 進(jìn)氣露點(diǎn)溫度對復(fù)熱量、發(fā)電量及排氣露點(diǎn)溫度的影響

3 結(jié)論與展望

針對當(dāng)前天然氣高壓遠(yuǎn)輸過程存在的巨大壓力能，以熱力學(xué)中穩(wěn)定流動(dòng)過程中?損失理論，分析了天然氣調(diào)壓站中兩種降壓模式的?損失。結(jié)果表明，絕熱節(jié)流過程的?損失為環(huán)境溫度與熵變之積，可回收功為零，而絕熱膨脹過程?損失為零，可回收功為焓差。并根據(jù)道爾頓分壓力定律，計(jì)算了降壓后，天然氣中水分的析出會(huì)對膨脹系統(tǒng)造成的問題。最后計(jì)算了天然氣膨脹發(fā)電量和復(fù)熱量隨進(jìn)出口壓力、溫度和露點(diǎn)溫度的變化情況，為天然氣膨脹工藝的設(shè)計(jì)提供了一些優(yōu)化思路。

天然氣膨脹過程會(huì)產(chǎn)生大量高品位余冷，如果此處余冷被有效利用，整個(gè)系統(tǒng)的能源利用水平將更高。天然氣膨脹發(fā)電系統(tǒng)高品位余冷的利用程度越高，復(fù)熱量越小。鑒于實(shí)際工程應(yīng)用現(xiàn)狀并不樂觀，未來開發(fā)適用于低溫下的無油螺桿膨脹機(jī)、解決系統(tǒng)材料、軸承潤滑和余冷回收所需的高效換熱器，將是天然氣減壓站余壓余冷能源回收利用的關(guān)鍵問題。