摘　要：本文探討利用自膨脹制冷工藝回收天然氣高中壓降壓過程中釋放的壓力能，并將其應用于天然氣部分液化。被液化的天然氣可用于城市燃氣調(diào)峰和周邊市場配送，項目具有一定前景。文中以長輸管道的高壓天然氣入口壓力為4.0MPa，供中壓城市管網(wǎng)的出口壓力為0.4MPa，日均天然氣處理量為50×10⁴Nm³的工況進行研究，提出了項目實施的液化工藝流程，并對其運行工況進行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)項目年液化天然氣量約1728×10⁴Nm³，液化率約10.5％。根據(jù)管道天然氣與液化天然氣的進銷差價評估項目的靜態(tài)經(jīng)濟回收期一般為4～6年。

關(guān)鍵詞：管網(wǎng)壓力能  液化天然氣  膨脹制冷  液化工藝

1　前言

我國天然氣長輸管道主要采用高壓輸氣，而城市輸配管網(wǎng)則主要采用中壓配氣，因此上游高壓管網(wǎng)輸氣至各城市區(qū)域時，需要經(jīng)過天然氣門站或者分輸站進行高、中壓降壓后才能進入城市輸配管網(wǎng)。傳統(tǒng)的降壓方法是采用調(diào)壓器進行節(jié)流膨脹降壓，節(jié)流過程中壓損較大，使得大量的壓力能被浪費掉。針對管網(wǎng)高、中壓降壓的壓力能回收，近年有不少的研究應用案例。如利用高壓氣體膨脹推動發(fā)電機發(fā)電；利用節(jié)流膨脹產(chǎn)生的冷能脫水，降低天然氣露點，減少堵塞，平衡穩(wěn)定供氣；利用節(jié)流膨脹產(chǎn)生的冷能降低溫度形成天然氣氣液混合物，在低溫分離器中分離出輕烴；經(jīng)節(jié)流降壓設備制冷得到深冷天然氣，與冷媒換冷，將冷媒冷量供給深冷裝置，同時天然氣膨脹功驅(qū)動冷媒壓縮機運轉(zhuǎn)等^[1]。本文選擇生產(chǎn)工藝較為成熟的透平膨脹機實現(xiàn)高中壓降壓，同時回收壓力能用于部分液化天然氣。該項目液化下來的天然氣可以作為城市燃氣調(diào)峰供氣^[2-3]和周邊市場用氣配送，整個液化過程中基本不消耗額外的電能，所以其既具有節(jié)能效果的同時也具有現(xiàn)實意義。

2　調(diào)壓過程中的熱力學分析

為對降壓過程中釋放的壓力能進行評估，本文采用燜分析法^[4]。天然氣管網(wǎng)適用于穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)，從給定的進口狀態(tài)到出口狀態(tài)的穩(wěn)定單位質(zhì)量溫度物流的比用為：

忽略穩(wěn)定流動工質(zhì)的宏觀動能和位能，則穩(wěn)定物流的用就僅考慮焓一種形式的能量用，即：

ex,h＝h1-h2-T2(s1-s2)         (2)

根據(jù)熱力學熵的關(guān)系式：

把式(3)代入式(2)后，拆簡得

由(4)式可以看出，穩(wěn)流物質(zhì)的用可分解為兩部分，即在某一壓力下系統(tǒng)與環(huán)境之間因熱不平衡而具有的溫度用ex,T和在環(huán)境溫度時系統(tǒng)與環(huán)境之間因力不平衡而具有的壓力用ex,T。分析表明天然氣在高中壓降壓過程中可回收的最大壓力用為

式中：h2——出口狀態(tài)的比焓，kJ／kg；

h——進口狀態(tài)的比焓，kJ／kg：

s2——出口狀態(tài)的比熵，kJ／(kg·K)；

s1——進口狀態(tài)的比熵，kJ／(kg·K)；

Kc——速度，m／s；

g——重力加速度，m／s²；

z——高度，m；

CP——定壓比熱，kJ／(kg·K)：

T2——出口狀態(tài)的溫度，K：

T1——進口狀態(tài)的溫度，K：

Rg——氣體常數(shù)，kJ／(kg·K)；

P2——出口狀態(tài)的壓力，MPa：

P1——進口狀態(tài)的壓力，MPa

3　自膨脹部分液化天然氣工藝流程設計

以來自長輸管道的高壓天然氣入口壓力為4.0MPa，中壓城市管網(wǎng)的出口壓力為0.4MPa，日均天然氣處理量為50×10⁴Nm³，天然氣溫度為25℃的工況來設計自膨脹制冷部分液化天然氣系統(tǒng)的工藝流程^[2，3，6]，如圖1所示，整個流程包括如下過程：

(1)原料天然氣的過濾、計量及加壓

來自長輸高壓管道的天然氣進入門站壓力為4.0MPa，溫度為25℃，其首先進入過濾計量撬，即經(jīng)過濾分離器分離可能存在的水分或凝液后進行計量；再進入一級透平膨脹機加壓端進行一級加壓，將天然氣壓力加壓到5.0MPa。由于加壓后氣體溫度較高，所以出口氣體需經(jīng)冷卻后再進入二級透平膨脹機加壓端，天然氣壓力被加壓到6.0Mpa，出口氣體再次經(jīng)過冷卻后進入凈化裝置。

該加壓過程是利用膨脹氣流在膨脹制冷過程中，會輸出一定量的膨脹功，利用同軸增壓機來吸收該功率，使原料天然氣壓力得以提升，從而降低液化過程的能耗。

(2)原料天然氣的凈化

該凈化過程的功能主要是因為天然氣中水分、重烴的存在往往會形成水合物阻塞管路，影響冷卻液化過程；另外天然氣液化溫度低，水、重烴的存在也會導致設備凍堵，故必須脫水和重烴。同時液化氣流中二氧化碳的含量也應≤100ppm，否則在低溫下會凍堵。通常采用三組同樣的吸附塔吸附水分、重烴、二氧化碳，并使用變壓和變溫吸附(PSA+TSA)方法從吸附劑中吸收或解吸天然氣中的水分、重烴、二氧化碳。而脫汞，主要是因為汞對鋁材的腐蝕很強，而冷箱換熱器的制作往往采用鋁材，其經(jīng)汞腐蝕后會嚴重影響其承壓能力，甚至破裂，所以原料天然氣在進冷箱換熱前往往需脫汞。

凈化過程如下：加壓之后的原料天然氣氣進入分子篩和活性炭吸附塔(脫水、脫重烴)除去水分和重烴。天然氣由上而下通過吸附塔后出來的原料天然氣中水分含量≤1ppm、每種重烴和芳香烴含量均≤10ppm。

經(jīng)過脫水、脫重烴的原料天然氣再進入浸硫活性炭吸附塔(脫汞)，汞與浸硫活性炭上的硫產(chǎn)生化學反應生成硫化汞，吸附在活性炭上，從而達到脫除汞之目的。經(jīng)脫汞處理的天然氣的汞含量小于0.01mg／Nm³。吸附塔(脫汞)設兩臺脫汞器，一般每半年切換一次。

經(jīng)脫汞后氣體其分成兩部分，膨脹氣流(70％)和液化氣流(30％)。

膨脹氣流在粉塵過濾器過濾粉塵后進入液化冷箱。

液化氣流繼續(xù)在吸附塔(脫二氧化碳)中脫除二氧化碳，經(jīng)處理后的液化氣流中二氧化碳含量≤l00ppm。液化氣流在粉塵過濾器過濾粉塵后進入液化冷箱。

過程中，吸附塔(脫水、脫重烴)和吸附塔(脫二氧化碳)分別為三臺，兩兩串聯(lián)成一組，一組處于吸附狀態(tài)、一組處于再生狀態(tài)、一組處于冷卻狀態(tài)，循環(huán)切換使用(吸附周期約為8小時)。

吸附塔中吸附劑的加熱再生采用從冷箱出來的膨脹氣流，該氣流通過流量計量后，進入再生氣加熱爐加熱到260～280℃，由下而上通過加熱再生狀態(tài)的吸附塔組，將分子篩吸附的水和二氧化碳解吸，以及活性炭吸附的重烴解吸。再生氣流出吸附塔組后，再經(jīng)過冷卻器冷卻，進入再生氣分離器分離冷凝液體。冷卻后的再生氣匯入中壓管，再經(jīng)過緊急切斷閥出界區(qū)后進入中壓城市管網(wǎng)。過程中，取出少量的尾氣作為再生氣加熱爐的燃料氣。

實際上，原料天然氣的凈化裝置是根據(jù)氣源的組分，所含雜質(zhì)的程度來進行選擇組合的。并未完全包括上述介紹的常規(guī)過程。

(3)30％凈化天然氣的液化

30％經(jīng)脫除二氧化碳的液化氣流，進入液化冷箱的預冷換熱器中冷卻到約-35℃，隨后進入重烴分離器將凝液分離出來。分離器頂部出來的氣流繼續(xù)冷卻至約-l35℃后進入節(jié)流閥，節(jié)流降壓到液化天然氣(LNG)貯存壓力(約0.7MPa)，溫度約-137℃，進入液化冷箱內(nèi)的LNG閃蒸罐，分離出的液體，即為LNG產(chǎn)品送入LNG儲罐。分離出來的氣體，在液化換熱器和預冷換熱器中復熱到常溫后進入壓力為0.4MPa的中壓管。

(4)70％膨脹氣流的制冷

從吸附塔(脫汞)出來的約70％的原料氣進入冷箱換熱器，壓力為6.0MPa，經(jīng)預冷到-18℃后進入一級透平膨脹機的膨脹端進口，膨脹機出口壓力約l.45MPa，溫度約-85℃，出口氣體經(jīng)換熱器換熱放冷后，溫度升至約-66℃，氣體然后進入二級透平膨脹機的膨脹端進口，膨脹機出口壓力為0.4MPa，溫度約-l02℃，進入冷箱換熱器放冷復熱后出冷箱至0.4MPa的中壓管。其復熱過程包括前述吸附塔的解吸和進入透平膨脹機作為換熱介質(zhì)。

4　項目經(jīng)濟分析

如前述調(diào)壓過程中的熱力學分析可知，高中壓降壓過程中可回收的壓力能與調(diào)壓前后的壓差比以及溫度情況相關(guān)；壓差比越大，釋放的壓力能就越大。以門站來自長輸管道的高壓天然氣入口壓力為4.0MPa，中壓城市管網(wǎng)的出口壓力為0.4MPa，天然氣溫度為25℃，摩爾質(zhì)量為16g／mol(天然氣以甲烷為主)，進行估算得出降壓過程中釋放的壓力能約為356.5kJ／kg。按每天50×10⁴Nm³天然氣的處理能力計算一天釋放的壓力能約為12834×10⁴kJ。按目前國際上生產(chǎn)l噸LNG的能葬為850kwh計算^[7]，且假設自膨脹制冷部分液化天然氣系統(tǒng)中能耗損失為10％，即一天可以液化約37.7噸的天然氣(天然氣密度按0.72kg／Nm³計算，即約52361Nm³天然氣)，液化率約為10.5％。按一年運行330天計算，即一年液化的天然氣量約為1728×10⁴Nm³。

根據(jù)天然氣自膨脹制冷部分液化工藝流程設計可知，項目包括以下幾個系統(tǒng)，天然氣凈化系統(tǒng)，透平膨脹系統(tǒng)，冷箱熱交換系統(tǒng)，以及LNG儲罐系統(tǒng)。具體項目投資因氣質(zhì)、壓力情況、士建及配套工程和運行管理而有所不同、項目總投資一般約3500～4800×10⁴元。

經(jīng)濟淺析如下：假如管道天然氣與液化天然氣的進銷差價達0.9～1.0元／Nm³，扣除每方天然氣液化及管理成本后，收益一般可達0.5元／Nm³。假如一年液化天然氣1728×104Nm³計算，每年收益約864×10⁴元，按項目總投資3500～4800×10⁴元估算，即靜態(tài)經(jīng)濟回收期約為4～6年。

5　總結(jié)

本文探討利用白膨脹制冷工藝回收天然氣高中壓降壓過程中釋放的壓力能實現(xiàn)天然氣部分液化。并以長輸管道的天然氣入口壓力為4.0MPa，進中壓城市輸配管網(wǎng)的出口壓力為0.4MPa，日均處理天然氣流量為50×10⁴Nm³的工況進行項目研究分析。

(1)經(jīng)過對降壓過程的熱力學分析發(fā)現(xiàn)，降壓過程中的壓差比越大，可回收利用的壓力能越大。在計算工況下，一天可回收的壓力能約為12834×10⁴JT。

(2)自膨脹制冷部分液化天然氣工藝流程主要包括：原料天然氣的過濾、計量及加壓，原料天然氣的凈化，30％凈化天然氣的液化，70％膨脹氣流的制冷；主要設備系統(tǒng)則包括：天然氣凈化系統(tǒng)，透平膨脹系統(tǒng)，冷箱熱交換系統(tǒng)，以及LNG儲罐系統(tǒng)。

(3)經(jīng)過項目經(jīng)濟淺析發(fā)現(xiàn)，項目總投資約為3500～4800×10⁴元，年液化天然氣量約為1728×10⁴Nm³，液化率約為10.5％。根據(jù)管道天然氣與液化天然氣的進銷差價評估項目的靜態(tài)經(jīng)濟回收期約為4～6年。

(4)在項目工況下，城市輸配中壓管網(wǎng)的接收能力需滿足除液化下來外的其它天然氣釋放量，不小于45×10⁴Nm³／d。

參考文獻：

[1]劉宗斌，徐文東，邊海軍，等．天然氣管網(wǎng)壓力能利用研究進展[J]．燃氣技術(shù)，2012(01)：14-18．

[2]沈余生，范學軍．南京調(diào)峰型天然氣膨脹液化流程方案[C]//中國城市燃氣學會LNG專業(yè)委員會．2009年煤層氣液化主題年會論文集．鄭州，2009：86-93．

[3]熊永強；華賁；羅東曉．用于燃氣調(diào)峰和輕烴回收的管道天然氣液化流程[J]．天然氣工業(yè)，2006(05)：199-205

[4]吳玉國，李小玲．城市燃氣門站壓力能回收熱力學分析[J]．當代化工，2011，40(11)：ll65-1168

[5]羅東曉．高壓天然氣壓力能回收利用技術(shù)研究[C]//中國科學技術(shù)協(xié)會，節(jié)能環(huán)保和諧發(fā)展——2007中國科協(xié)年會論文集(二)．武漢，2007：1-5

[6]李明，王暉，溫冬云，等．部分液化型LNG生產(chǎn)裝置的設計[J]．石油與天然氣化工，2008．37(04)：312-316

[7]王竹筠．液化天然氣LNG冷能回收及應用研究(碩士論文)[D]．大慶：大慶石油學院，2010．

本文作者：林梓榮　趙先勤

作者單位：佛山市燃氣集團股份有限公司