商艷紅 周斌 李超

（1.中國石化石油機械裝備重點實驗室；2.中國石化石油機械股份有限公司研究院）

頁巖氣是一種清潔、高效的綠色能源，我國高度重視頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，已將頁巖氣擺到國家能源戰(zhàn)略的位置。目前，我國頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42×1012m3[1]，可采資源潛力為 25.08×1012m3。頁巖氣開發(fā)在國家各項政策的支持下已進入黃金時期，但在國際油氣價格持續(xù)低迷的大形勢下，降本增效仍是石油行業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要手段，因此，頁巖氣開采過程中壓力能的利用意義非凡。

頁巖氣氣井生產(chǎn)初期，井口采氣樹出口壓力通常在20～70 MPa之間，管網(wǎng)集輸壓力為5～6 MPa，為此，需將壓力降至集氣管線壓力后輸送到集輸站進行集中處理。現(xiàn)有工藝普遍采用兩級節(jié)流降壓流程（圖1），由于節(jié)流降壓工藝會產(chǎn)生巨大冷能，容易形成霜凍，嚴重時候會發(fā)生冰堵，影響生產(chǎn)，需要在節(jié)流降壓前對天然氣進行預處理，一般采用燃氣水套爐對產(chǎn)出頁巖氣加熱。

從頁巖氣開采的工藝流程可見，節(jié)流減壓過程產(chǎn)生的巨大壓差能做無用功消耗掉，而水套爐的加熱處理又要消耗部分井口產(chǎn)出天然氣并釋放污染物，造成壓力能和燃氣的雙重浪費又污染了環(huán)境。因此，在降壓的同時回收利用頁巖氣的壓力能用于發(fā)電，不消耗任何能源，清潔、節(jié)能、安全又環(huán)保，可降低頁巖氣的開采成本，為企業(yè)帶來可觀經(jīng)濟效益，更符合國家倡導發(fā)展低碳經(jīng)濟、減少大氣污染物排放，發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)和清潔能源的要求。

1 國內(nèi)外壓力能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

美國和加拿大運行的天然氣降壓發(fā)電系統(tǒng)主要布置在高低壓管網(wǎng)之間[2]，包括渦輪膨脹機、發(fā)電機、燃料電池，以及備用燃氣鍋爐、換熱器、電能適配器、穩(wěn)壓閥等配套設(shè)備（圖2）。渦輪膨脹機將高壓氣體膨脹做功轉(zhuǎn)換成機械能，帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能；燃料電池根據(jù)實際情況可有可無，主要是將天然氣的化學能轉(zhuǎn)換成電能，并將產(chǎn)生的大量熱能通過換熱器傳遞給膨脹機入口高壓氣體，避免在渦輪膨脹機內(nèi)的溫度驟降中產(chǎn)生霜凍損壞設(shè)備。備用燃氣鍋爐用于膨脹機停機檢修時為膨脹閥入口氣升溫，穩(wěn)壓閥用于調(diào)節(jié)氣流。

圖1 節(jié)流降壓工藝流程示意圖

圖2 降壓站壓力能發(fā)電流程

加拿大Fuel cell energy公司已經(jīng)實現(xiàn)天然氣輸送管道中余氣壓能利用的產(chǎn)業(yè)化（圖3）。

圖3 天然氣輸送管道中余氣壓能利用產(chǎn)業(yè)化

國內(nèi)壓力能發(fā)電技術(shù)大多處于理論研究和實驗階段，用于產(chǎn)業(yè)化少。2013年，在天然氣螺桿膨脹機的開發(fā)與應用中，刁安娜等[3]探討了燃氣管網(wǎng)壓力能的回收方式和和應用方向，提出了利用螺桿膨脹機回收調(diào)壓站余壓發(fā)電的方案。

2018年6月，北京工業(yè)大學學報[4]上發(fā)表的某篇論文中，介紹了高壓單螺桿膨脹機設(shè)計和實驗，指出其可用于回收6 MPa以下的天然氣輸送管道中的余氣壓能。

深圳求雨嶺門站設(shè)計并應用了國內(nèi)首個壓力能發(fā)電制冰項目[5]。該站發(fā)電制冰聯(lián)合系統(tǒng)通過透平膨脹機回收燃氣管道壓力能，將降壓后低溫天然氣蘊含的大量冷能用于制冰。其天然氣流量（標準） 為15 000 m3/h，調(diào)壓梯度為4～1.65 MPa，該項目發(fā)電能力達200 kWh，制冰規(guī)模為3.3 t/h。工藝流程見圖4。

圖4 求雨嶺門站天然氣壓力能用于發(fā)電和制冰的工藝流程

綜上所述，目前國內(nèi)外對壓力能發(fā)電的研究主要是在開發(fā)難度較低的天然氣輸送管道中的余氣壓能。天然氣降壓發(fā)電系統(tǒng)布置在高低壓管網(wǎng)之間，管網(wǎng)中的天然氣經(jīng)油氣處理廠處理后，氣質(zhì)條件好，輸出流量大，壓力較低，易于開發(fā)使用。而對頁巖氣井口余壓發(fā)電的研究很少，由于頁巖氣（天然氣）井口壓力高達20～70 MPa，其氣液、雜質(zhì)（砂子、鹽等）未分，要求壓力能發(fā)電裝置及膨脹機必須能夠耐高壓，并在雜質(zhì)未分的情況下正常工作，開發(fā)難度大，國內(nèi)外尚無開發(fā)。

2 頁巖氣壓力能發(fā)電原理

2.1 頁巖氣減壓發(fā)電流程

在頁巖氣二級節(jié)流減壓的開采流程基礎(chǔ)上進行改造，用膨脹機代替一級節(jié)流減壓流程，通過膨脹機的絕熱做功將壓力能轉(zhuǎn)換成機械能進行發(fā)電。將原來的燃氣水套爐更換成電力水套爐，可實現(xiàn)壓力能發(fā)電供自身開采流程設(shè)備用電。

頁巖氣減壓發(fā)電流程：井口采氣樹出口壓力為20～70 MPa的頁巖氣經(jīng)電力水套爐加熱至65℃后，進行一級膨脹機降壓至12～14 MPa，溫度降至35℃，再進行二級節(jié)流壓降至5～6 MPa，溫度降至10℃，壓降后氣體從低壓側(cè)管道排入管網(wǎng)去往集輸站。膨脹機輸出端安裝發(fā)電機，將壓力能轉(zhuǎn)換成的機械能直接驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的電能為電力水套爐供電，多余電能可供其他井場照明等輔助設(shè)備用（圖5）。

此流程實現(xiàn)頁巖氣開采同時發(fā)電，不需要額外的能量供應，不涉及天然氣燃燒設(shè)備，綠色環(huán)保，節(jié)能減排。壓力能發(fā)電裝置主要設(shè)備見表1，其中單螺桿膨脹機是發(fā)電的核心設(shè)備。

表1 壓力能發(fā)電裝置主要設(shè)備

圖5 頁巖氣壓力能發(fā)電流程

2.2 單螺桿膨脹機工作原理

目前高壓管網(wǎng)余壓發(fā)電系統(tǒng)普遍采用透平膨脹技術(shù)，但由于透平膨脹機無法實現(xiàn)氣流帶液，無法應用于頁巖氣井壓力能發(fā)電。通過技術(shù)對比確定只有單螺桿膨脹機才能適用于頁巖氣壓力能發(fā)電方案。

單螺桿膨脹機是20世紀70年代末發(fā)展起來的新型余熱余壓發(fā)電裝置。其工作原理是：蒸汽進入機內(nèi)齒槽，推動螺桿轉(zhuǎn)動，隨著螺桿轉(zhuǎn)動，齒槽間的容積逐漸增大，介質(zhì)降壓降溫膨脹做功，最后從齒槽末端排出；功率從主軸螺桿輸出，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。其特點[6-7]在于：

1）星輪對稱布置，具有理想的力平衡，不受任何徑向或軸向氣體力，對各種工況的適應性很強，可以在不同壓力狀態(tài)下有效工作，適合油田作業(yè)條件及高壓場所。

2）單機容量大，無余隙容積。螺桿每轉(zhuǎn)1周，每一螺槽均使用2次，螺槽充分利用；排量大，最高轉(zhuǎn)速約為透平膨脹機的1/8～1/10。

3）允許氣流帶液，最適合于帶液工藝流程，帶液量愈大，膨脹機的間隙越小，泄漏越低，絕熱效率越高。

與使用透平膨脹機的天然氣余壓發(fā)電系統(tǒng)相比，核心部件使用螺桿膨脹機能夠很好解決氣流帶液的問題，對各種工況的適應性較強，轉(zhuǎn)速低，同時也提高了運行的可靠性，可適應于頁巖氣井壓力能發(fā)電。

3 頁巖氣壓力能發(fā)電可行性分析

3.1 涪陵頁巖氣開采情況

1）工程概括。中石化在涪陵頁巖氣區(qū)域共有300多口井，日總產(chǎn)量1 600×104m3，每口井平均日產(chǎn)量（標準）60 000 m3（其中含水10 m3），井口最高壓力30 MPa，最低壓力12 MPa，管網(wǎng)集輸壓力6 MPa。為達到輸出壓力，需要對高壓天然氣進行節(jié)流減壓處理，壓力能在節(jié)流過程中損失，未被利用。

2）頁巖氣生產(chǎn)現(xiàn)場裝備介紹。燃氣水套加熱爐：將頁巖氣氣井采出的頁巖氣進行加熱，防止其在節(jié)流降壓時發(fā)生冰堵，影響生產(chǎn)。調(diào)壓撬：將氣井采出氣進行二級節(jié)流降壓，由12～30 MPa降至5～6 MPa。分離撬：分離采出氣中的水分、砂等雜質(zhì)。值班房、井場照明、污水輸送用電設(shè)施：井場用電總功率約為15 kW左右。

3）壓力能發(fā)電用途。壓力能發(fā)出的電能主要供水套爐加熱，替代原采用的燃氣加熱方式，以及凈化后的電能用以驅(qū)動污水泵和供給井場輔助設(shè)備用。

3.2 壓力能發(fā)電技術(shù)可行性

以涪陵焦石壩頁巖氣每天平均產(chǎn)能（60 000 m3，其中含水10 m3）、平均井口壓力（20 MPa）、集輸管線壓力（6 MPa）、井口溫度（20℃）、集輸管線氣體溫度（10℃）的工況條件為設(shè)計依據(jù)，具體計算如下所述[8]。

1）燃氣水套加熱爐功率。

若節(jié)流系數(shù) μ=3.5，T2=10℃， P1=20 MPa，P2=6 MPa，則得出T1=59℃。該結(jié)果與現(xiàn)場實際情況相符，現(xiàn)場設(shè)定溫度為60℃。

式中： ρ——標準狀態(tài)天然氣和水密度，0.75 kg/m3和1 000 kg/m3；

C——天然氣和水常壓下熱容，2.16kJ/（kg·K）和 4.2kJ/（kg·K）；

m——天然氣和水質(zhì)量；

t2——調(diào)壓后的溫度，℃；

t1——調(diào)壓前的溫度，℃。

經(jīng)過計算Q=5 412.48 MJ，則燃氣水套加熱爐功率（燃氣水套加熱爐效率85%）為73.7 kW。

2）電力水套加熱爐功率。天然氣的減壓過程可簡化視為理想氣體（甲烷CH4）的絕熱恒外壓膨脹，不考慮液態(tài)水對膨脹降溫的影響，其減壓過程如下所述[9-12]

一級單螺桿膨脹機降壓（20 MPa降至13 MPa）：

式中：P1——減壓前壓力，MPa；

Pex——減壓時對抗恒外壓，MPa；

P2——減壓后壓力，MPa；

T1——一級減壓入口溫度，℃；

T2——減壓后溫度即二級減壓的初始溫度，℃；

r——甲烷的絕熱系數(shù)，取值1.314。

二級降壓為針型閥方式（13 MPa降至6 MPa）：

利用公式（1）、（2）、（3）計算，得出一級減壓入口溫度為65℃，電力水套加熱爐功率為82.9 kW。

3）壓力能發(fā)電功率計算。按照焦石壩頁巖氣生產(chǎn)流程采用兩級等梯度膨脹降壓，即一級從20 MPa降到13 MPa，二級再降到6 MPa，每級降壓為6 MPa?？紤]發(fā)電機組標準化和通用性，仍采用兩級膨脹降壓。一級使用單螺桿膨脹機降壓，降壓6 MPa；二級使用針型閥降壓至6 MPa，同時二級針型閥也是單螺桿膨脹機的背壓調(diào)節(jié)閥。

式中：Cp,m——甲烷摩爾等壓比熱，kJ/h；

n ——1 mol。

式中：W——螺桿膨脹發(fā)電機組發(fā)電功率，kW；

G——天然氣氣質(zhì)流量，m3/h；

ΔHi——單位體積天然氣絕熱焓降，kJ/m3；

η1——螺桿膨脹機效率，%；

η2——發(fā)電機效率，%。

考慮頁巖氣（天然氣）組分復雜、含砂和含水，為了保障可靠性和運行壽命，會加大螺桿與星輪之間的間隙，從而降低效率，初步設(shè)計螺桿膨脹機效率為40%，發(fā)電機效率為0.95，則螺桿膨脹發(fā)電機組發(fā)電功率約為105 kW。通過以上計算結(jié)果可得出結(jié)論，利用壓力能發(fā)電提供井場所需能量技術(shù)上是可行的。

3.3 應用壓力能的經(jīng)濟可行性

1）制造成本。節(jié)流降壓方案和壓力能發(fā)電方案的成本對比如表2所示。

表2 節(jié)流降壓方案與壓力能發(fā)電方案的成本對比 萬元

由表2可知，節(jié)流降壓方案采用燃氣水套爐加熱，壓力能發(fā)電方案采用電力水套爐加熱，節(jié)流降壓方案的成本為29萬元，壓力能發(fā)電方案（單井）的成本為40萬元，新增投資11萬元。

2）運營成本。頁巖氣（天然氣）節(jié)流降壓裝備燃氣水套爐將井口采出氣（20 MPa，20℃）加熱至60℃需要73.7 kWh能量（相當于天然氣180 m3/d），則年用氣量（標準）為65 700 m3；以天然氣作為燃料，按內(nèi)部價1.326元/m3計算，每年僅燃料費用是8.71萬元。井場輔助用電年支出是6.57萬元（表3）。

表3 節(jié)流降壓方案與壓力能發(fā)電方案運營成本 萬元

在不考慮燃氣水套加熱爐維保費用，使用燃氣水套加熱爐的生產(chǎn)流程年總營運成本為13.28萬元，而頁巖氣（天然氣）壓力能發(fā)電的生產(chǎn)流程沒有燃氣成本和網(wǎng)電成本。由表2、表3可知，壓力能發(fā)電方案增加的制造成本1年內(nèi)即可收回。

3）碳排放計算。按每口井水套爐加熱180 m3/d天然氣，天然氣碳排放量0.94 kg/m3，碳排放價格20元/t計算，每口井1年水套爐碳排放量為61.75 t。使用壓力能發(fā)電方案無碳排放，增加碳排放收益1 235元。

4 結(jié)論及認識

1）頁巖氣開采過程中常規(guī)節(jié)流減壓流程會造成大量能源浪費，采用單螺桿膨脹機代替減壓閥吸收壓力能發(fā)電，并將電能用于水套爐加熱和井場其他輔助用電，技術(shù)方案可行。

2）單螺桿膨脹機是頁巖氣減壓發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，北京工業(yè)大學重點實驗室已經(jīng)成功研制出10 kW和40 kW樣機，而100 kW以上的單螺桿膨脹機國內(nèi)還沒有相關(guān)產(chǎn)品的報道，單螺桿膨脹機在壓力能發(fā)電工程中具有良好的應用前景，可進一步開發(fā)和推廣應用。

3）涪陵地區(qū)頁巖氣開采中，用單螺桿膨脹機發(fā)電機組發(fā)出電力供水套爐加熱用，1年內(nèi)即可收回新增成本，以后每年可節(jié)約成本13.28萬元，降低了頁巖氣的開采成本，能為企業(yè)帶來可觀經(jīng)濟效益。