程思杰 趙靚 紀(jì)文 陳文科 徐璐

摘 要：高壓天然氣經(jīng)門站調(diào)壓后進(jìn)入城市管網(wǎng)，此過程中蘊含著大量的壓力能可供回收利用，目前最主要的壓力能利用方式為壓差發(fā)電和制冷兩個方面，而壓力能綜合利用評估仍缺乏系統(tǒng)性理論。本文從建設(shè)運營、產(chǎn)能質(zhì)量、經(jīng)濟效益、環(huán)境保護(hù)四個方面構(gòu)建壓力能綜合利用評估指標(biāo)體系，并介紹了幾種可用于天然氣壓力能綜合利用的評估方法，形成了標(biāo)準(zhǔn)化的評估體系和方法，為后續(xù)的天然氣壓力能利用綜合評估提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：天然氣;壓力能;評估指標(biāo);評估方法

0? 引言

現(xiàn)今，天然氣管道的總體發(fā)展趨勢為高壓力和大口徑。在國外，天然氣長距離輸氣管道的壓力大多不低于10MPa，如阿-意輸氣管道中，穿越西西里海峽段的最大工作壓力就達(dá)到了15MPa，我國“西氣東輸”、“陜京二線”等的輸氣壓力也達(dá)到了10MPa[1]。高壓力的天然氣要經(jīng)過降壓處理才能輸送給用戶使用，這個過程一般在接收門站或調(diào)壓站進(jìn)行，當(dāng)10MPa的高壓天然氣降至0.8MPa時，可回收的壓力能最大可達(dá)到359.1kJ/kg[2]。發(fā)電和制冷是現(xiàn)階段回收天然氣壓力能的兩種主要方式。在發(fā)電方面，由于傳統(tǒng)調(diào)壓閥的粗放調(diào)壓將壓力能白白耗散掉，取而代之的是利用膨脹機回收壓力能進(jìn)行發(fā)電，目前主要有3種方式：一，天然氣膨脹機與同軸發(fā)電機相聯(lián)，膨脹后的輸出功驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電;二，天然氣膨脹做功不直接用于發(fā)電，而是將膨脹后產(chǎn)生的冷能利用起來，冷卻燃?xì)廨啓C進(jìn)氣;三，既利用膨脹做功發(fā)電，又回收利用冷能，即將上述兩種方式結(jié)合起來。在制冷方面，天然氣膨脹后產(chǎn)生的冷能目前的利用方式主要包括低溫橡膠粉碎、冷庫制冰、輕烴回收、燃?xì)鈨庹{(diào)峰以及冷水空調(diào)等[3]。綜上，天然氣壓力能的回收利用正呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。

然而，對于壓力能的綜合利用評估方面目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也缺乏相對完善的評估體系，深入系統(tǒng)地對項目進(jìn)行評估的相關(guān)研究也相對較少。這不僅在投資收益評估方面對壓力能回收利用企業(yè)造成了一定的限制，也影響相關(guān)產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展[4]。基于此，本文建立了一套綜合考慮建設(shè)運營、產(chǎn)能質(zhì)量、經(jīng)濟效益和環(huán)境保護(hù)的系統(tǒng)化評估指標(biāo)，并介紹了幾種可用于壓力能綜合利用能效評估的方法，形成了一體化的評估體系，為后續(xù)的天然氣管網(wǎng)壓力能綜合利用評估提供借鑒和支撐。

1? 壓力能利用的綜合評估指標(biāo)體系

1.1? 指標(biāo)體系構(gòu)建

指標(biāo)體系的設(shè)計與選取對天然氣壓力能綜合評估結(jié)果至關(guān)重要，要保障評估的質(zhì)量不僅要考慮評價指標(biāo)體系的綜合性，系統(tǒng)性和科學(xué)性要求也發(fā)揮著重要作用[5]。綜合多方面因素，本文建立的評估指標(biāo)體系涵蓋建設(shè)運營、產(chǎn)能質(zhì)量、經(jīng)濟效益、環(huán)境保護(hù)四個方面，具體指標(biāo)如圖2所示。

1.2? 關(guān)鍵指標(biāo)計算模型

（1）建設(shè)運營

a.膨脹發(fā)電機組發(fā)電量

利用火用分析法可以對天然氣管網(wǎng)的可利用壓力能進(jìn)行估算。理論上，膨脹發(fā)電機做功與氣流壓力能之間的關(guān)系公式如下：

式中：L為膨脹發(fā)電機組終端發(fā)電量，Q為天然氣小時流量，ρ為天然氣密度，Cp為天然氣質(zhì)量等壓比熱容，T為天然氣入口溫度，P1 為天然氣入口絕對壓力，P2 為天然氣出口絕對壓力，k為天然氣絕熱指數(shù)，ηT為膨脹機效率，ηg為發(fā)電機效率[6]。

b.設(shè)備利用率

設(shè)備利用率是指在一段指定的時間內(nèi)，相比于計劃工作時間，某臺設(shè)備的實際使用時間占其的比值，利用該指標(biāo)可以評估在壓差發(fā)電過程中各設(shè)備的工作狀態(tài)，同時從側(cè)面體現(xiàn)壓差發(fā)電的生產(chǎn)效率，評估意義重大。

c.裝置故障率

裝置故障率指在一段計劃工作時間內(nèi)，設(shè)備由于一些自身運行故障或者人為操作失誤導(dǎo)致的設(shè)備無法正常運行，最終結(jié)果是生產(chǎn)效率降低。計算方法為裝置故障時間比上設(shè)備計劃工作時間。

d.建設(shè)進(jìn)度控制

項目建設(shè)進(jìn)度影響著壓差發(fā)電投產(chǎn)時間，最終影響項目收益，利用該指標(biāo)可以評估壓差項目建設(shè)效率，由專家基于建設(shè)規(guī)劃，結(jié)合實際建設(shè)工程進(jìn)度，綜合考慮建設(shè)延誤情況、出現(xiàn)的意外狀況等進(jìn)行評分。

（2）產(chǎn)能質(zhì)量

a.供電電壓合格率

受氣源影響，壓差發(fā)電電壓存在的一定的波動，供電電壓合格率指壓力能發(fā)電并網(wǎng)運行中，與總的電壓監(jiān)測時間相比，監(jiān)測點電壓波動控制在可接受范圍內(nèi)的時間占比。

b.供電頻率合格率

供電頻率合格率指壓力能發(fā)電并網(wǎng)運行中，監(jiān)測時間內(nèi)，監(jiān)測點電能頻率在合格范圍內(nèi)的時間總和占監(jiān)測總時間的百分比。

c.功率穩(wěn)定性

功率穩(wěn)定性常用來評估壓力能發(fā)電上網(wǎng)后的功率波動幅度，是衡量壓力能發(fā)電水平的一重要指標(biāo)。

d.供電可靠性

供電可靠性是壓差發(fā)電系統(tǒng)平均供電時間占評估統(tǒng)計時間的比率，利用該指標(biāo)可以評估系統(tǒng)持續(xù)供電能力的大小，同時能反映出供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

（3）經(jīng)濟效益

a.投資回收期

利用投資回收期可以評估壓力能綜合利用的經(jīng)濟性。投資回收期通常與壓力能綜合利用的投資費用（含設(shè)備加工費用）和年經(jīng)濟收益有關(guān)，其定義為：

式中：ηT為壓力能綜合利用的投資回收期，CT為壓力能綜合利用的投資費用（含設(shè)備加工費用），Ea為年經(jīng)濟收益。

b.配套設(shè)備成本

配套設(shè)備成本即配套設(shè)備初始裝設(shè)成本+運行維護(hù)成本。

c.凈現(xiàn)值

凈現(xiàn)值指未來資金（現(xiàn)金）流入（收入）現(xiàn)值與未來資金（現(xiàn)金）流出（支出）現(xiàn)值的差額，是項目經(jīng)濟性評估中凈現(xiàn)值法的基本指標(biāo)。未來的資金流入與資金流出均按預(yù)計折現(xiàn)率各個時期的現(xiàn)值系數(shù)換算為現(xiàn)值后，再確定其凈現(xiàn)值。這種預(yù)計折現(xiàn)率是按企業(yè)的最低的投資收益率來確定的.是企業(yè)投資可以接受的最低界限。

d.靜態(tài)投資收益率

當(dāng)要對方案進(jìn)行一個粗略的評價時，可以采用不考慮時間價值的靜態(tài)投資收益率。

式中：E為靜態(tài)投資收益率，K為總投資。

（4）環(huán)境保護(hù)

a.碳排放指數(shù)

利用碳排放恢復(fù)指數(shù)（CER）可以評估壓力能綜合利用的環(huán)保性。定義碳排放恢復(fù)指數(shù)為：

式中：erel 和eWER 分別為相對過程碳排放（kW）和回收過程碳排放（kg/h）。

b.清潔能源電量占比

利用清潔能源電量占比可以有效評估壓力能利用場站在正常運行時的用電來源中，通過清潔能源發(fā)出的電所占的比例。

c.可再生能源滲透率

可再生能源的滲透率能體現(xiàn)壓力能回收利用系統(tǒng)的發(fā)展水平，系統(tǒng)接納氣能、熱能以及電能等能源的能力越強，則滲透率較高，反之則較低，提高系統(tǒng)可再生能源滲透率的同時系統(tǒng)的魯棒性也會得到相應(yīng)的提高。

d.非可再生一次能耗節(jié)約率

該指標(biāo)指壓力能回收利用系統(tǒng)運行時減少的一次能源消耗量，與傳統(tǒng)耗能模式下消耗的一次能源相比，其比值為大小，它可以反映壓差發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能水平，體現(xiàn)壓差發(fā)電系統(tǒng)能量梯級利用、多能互補的優(yōu)勢。

2? 綜合評估方法

由于天然氣壓力能綜合評估體系下包含的模塊眾多，很難用準(zhǔn)確定量描述各指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系，綜合評估方法的選取對評估結(jié)果的可參考性影響深遠(yuǎn)。本節(jié)主要介紹幾種常用的評估方法，為后續(xù)的壓力能綜合利用評估提供參考。

（1）層次分析法

層次分析法（AHP）是將一個復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個目標(biāo)或準(zhǔn)則，然后將其分解為多個層次的多個指標(biāo)（或準(zhǔn)則和約束），并計算層次單一排序的一種系統(tǒng)方法（權(quán)重）和總排序通過定性指標(biāo)模糊定量的方法[7]，以便作為目標(biāo)（多指標(biāo)）和多方案優(yōu)化決策。

（2）專家打分法

專家打分法又稱德爾菲法，在對有關(guān)專家進(jìn)行意見征詢時，采用的征詢方式為匿名方式，征詢后對意見進(jìn)行統(tǒng)計、處理、分析和歸納，將多數(shù)專家的經(jīng)驗與主觀判斷進(jìn)行客觀地綜合，對大量的采用技術(shù)方法難以進(jìn)行定量分析的因素進(jìn)行合理估算，經(jīng)過多輪意見征詢、反饋和調(diào)整后，最終對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行分析[8]。該方法能較好地解決長期預(yù)測中的數(shù)據(jù)缺乏問題。

（3）熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，最早由美國數(shù)學(xué)家Shannon提出，在實際使用過程中，熵權(quán)法會綜合考慮各指標(biāo)的變異程度，各指標(biāo)熵權(quán)的計算也需要用到信息熵，此外，還需要對權(quán)重進(jìn)行修正，這個過程也是通過熵權(quán)進(jìn)行，最后得出較為客觀的指標(biāo)權(quán)重。熵權(quán)法可用于任何評價問題中的確定指標(biāo)權(quán)重，也可以用于剔除指標(biāo)體系中對評價結(jié)果貢獻(xiàn)不大的指標(biāo)[9-10]。具有很強的適應(yīng)性。

綜上分析，當(dāng)對某一具體壓力能項目進(jìn)行綜合評估時，可根據(jù)評估場景所確定的指標(biāo)選取合適的綜合評估方法。當(dāng)一些指標(biāo)難以進(jìn)行定量分析，如公司制度、人員配備等，就需要使用主觀賦權(quán)法來對這些因數(shù)進(jìn)行定性估算，如專家打分法。當(dāng)一些指標(biāo)的數(shù)據(jù)特征較為明顯，一些帶有明顯個人特征的賦權(quán)方法不能對其權(quán)重進(jìn)行理性認(rèn)定時，就需要選擇客觀賦權(quán)法來確定其權(quán)重，如，熵權(quán)法。除此之外，也有一些場合需要主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法相結(jié)合才能更好地來確定目標(biāo)權(quán)重，這就需要根據(jù)具體情況來進(jìn)行甄別。

3? 結(jié)語

對壓力能進(jìn)行回收利用既能夠提高能源的綜合利用水平，減少化石能源使用，又有利于解決傳統(tǒng)調(diào)壓方式中難以避免的噪音過大和安全隱患問題嚴(yán)重等問題，取得環(huán)保和社會雙重效益。針對目前壓力能綜合利用評估系統(tǒng)性理論缺乏的問題，本文構(gòu)建了以建設(shè)運營、產(chǎn)能質(zhì)量、經(jīng)濟效益和環(huán)境保護(hù)為原則的較為全面的評估指標(biāo)體系，提出了相應(yīng)的計算方法，并介紹了幾種常用的評估方法，形成了較為完備的壓力能綜合利用評估體系，有助于壓力能利用項目的運營效益分析，推動壓力能回收利用領(lǐng)域發(fā)展，從而促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。

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作者簡介：

程思杰，1992.10，男，漢族，四川仁壽，本科，工程師，從事節(jié)能減排工作。