摘　要：分析天然氣管網(wǎng)壓力能利用潛力，研究將天然氣余壓分布式用于發(fā)電－制冰、發(fā)電－CNG加壓、發(fā)電－生產(chǎn)LNG冷電聯(lián)供工藝。

關(guān)鍵詞：天然氣余壓；  冷電聯(lián)供；  壓力能

Research on Cooling and Power Generation System Using Excess Pressure from Natural Gas High-pressure Network

Abstract：The utilization potential of pressure energy from natural gas network is analyzed．The distributed applications of natural gas excess pressure to cooling and power generation system for power generation-ice，power generation-CNG pressurization and power generation-LNG are researched．

Keywords：natural gas excess pressure；cooling and power generation；pressure energy

1　天然氣高壓管網(wǎng)調(diào)壓過程余壓潛力

在天然氣管網(wǎng)的建設(shè)中，管網(wǎng)輸送的安全性和經(jīng)濟(jì)性一直是人們關(guān)注的問題。為了節(jié)省管材和施工費(fèi)用，天然氣采用高壓輸送，國外長輸管道的輸送壓力多數(shù)都在10MPa以上，國內(nèi)陜京二線和西氣東輸?shù)裙艿赖脑O(shè)計(jì)壓力也都達(dá)到了10MPa。

天然氣以高壓的形式輸送至各大城市門站，經(jīng)過調(diào)壓裝置調(diào)壓至下游用戶需要的壓力后進(jìn)入城市管網(wǎng)供給用戶。在調(diào)壓的過程中，天然氣會(huì)產(chǎn)生很大的壓力降和溫度降，過程中壓力降可借助膨脹發(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電，溫度降為需要冷能的工藝或系統(tǒng)提供了可能。若輸送管道壓力為10MPa，下游用戶需求壓力為0.4MPa，則天然氣(甲烷)的比壓力火用為498.94kJ／kg。有資料顯示，2006年西氣東輸管道共計(jì)供氣9.9×109m3，折合甲烷質(zhì)量為7.06×109kg，以此為例，則每年可回收的壓力能為3.52×1012kJ，相當(dāng)于裝機(jī)容量為111.71MW的電站1年的發(fā)電量。因此，若能夠有效地將這部分壓力能進(jìn)行分布式回收利用，將在很大程度上降低管網(wǎng)的運(yùn)行成本和提高能源綜合利用率。

2　余壓冷電聯(lián)供分布式利用

目前余壓回收可用于發(fā)電[1]、空氣分離、制冰[2]、制取干冰、橡膠粉碎[3]、冷水空調(diào)、冷庫、天然氣液化[4-5]、CNG加壓[6]、海水淡化等領(lǐng)域，其中余壓發(fā)電、CNG加壓、天然氣液化、冷水空調(diào)及冷庫等技術(shù)相對(duì)成熟。為了提高能源綜合利用效率，根據(jù)“溫位對(duì)口，梯級(jí)利用”等原則，可以采用天然氣高壓管網(wǎng)余壓分布式利用。

2.1　余壓分布式用于發(fā)電－制冰

輸送至門站的高壓天然氣可以經(jīng)過膨脹裝置進(jìn)行回收發(fā)電，可滿足門站內(nèi)生產(chǎn)、辦公設(shè)施對(duì)電能的需求，多余的電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)制冰，也可以利用天然氣調(diào)壓后的冷能用于制冰工藝，因此可以將余壓用于發(fā)電－制冰。

華南理工大學(xué)徐文東教授開發(fā)了余壓分布式用于發(fā)電－制冰工藝，工藝流程見圖1。該工藝的實(shí)施地點(diǎn)在西氣東輸二線留仙洞門站，進(jìn)口壓力為4.0MPa，出口壓力為1.6MPa，標(biāo)準(zhǔn)狀況下，天然氣的流量為1.5×104m3／h，溫度為20℃。天然氣經(jīng)過過濾、計(jì)量后，進(jìn)入透平膨脹機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，所發(fā)電力驅(qū)動(dòng)制冰機(jī)制冰，天然氣膨脹后溫度降為-29℃，與Rl34a在R134a-NG換熱器中換熱升溫后進(jìn)入下游天然氣管網(wǎng)。來自R134a-鹽水換熱器的制冷劑Rl34a分為兩股：一股制冷劑Rl34a經(jīng)工頻壓縮機(jī)升壓升溫后，在R134a-NG換熱器中與-29℃低溫天然氣換熱，溫度降低后流經(jīng)節(jié)流閥，溫度進(jìn)一步降低，進(jìn)入制冰系統(tǒng)制冰；另一股制冷劑R134a經(jīng)變頻壓縮機(jī)后壓力和溫度升高，經(jīng)循環(huán)水系統(tǒng)冷卻后流經(jīng)節(jié)流閥，溫度進(jìn)一步降低，進(jìn)入制冰系統(tǒng)制冰，制冰后的制冷劑Rl34a溫度升高，完成制冷劑循環(huán)。循環(huán)水經(jīng)泵升壓后，冷卻制冷劑R134a。

該余壓分布式利用工藝可發(fā)電200kW，可提供-16℃制冷劑Rl34a約9t／h，可制冰3.3t／h。若每年以8600h，電力0.85元／(kW·h)，冰200元/t計(jì)，年節(jié)電收益為146.2×104元，冰產(chǎn)品收益每年可得收入567.6×104元。

余壓分布式用于發(fā)電－制冰系統(tǒng)適用于以下場(chǎng)合：門站內(nèi)生產(chǎn)需電、周邊或合理的范圍內(nèi)有較大的冰需求(例海鮮市場(chǎng)、基因冷凍庫等)。

2.2　余壓分布式用于發(fā)電－CNG加壓

CNG加氣母站距離高壓天然氣管網(wǎng)較近，一般就設(shè)在高壓調(diào)壓站旁邊。因此，在高壓調(diào)壓站可以開發(fā)余壓分布式用于發(fā)電－CNG加壓工藝。

余壓分布式用于發(fā)電－CNG加壓工藝分為兩種類型：a．天然氣經(jīng)過膨脹機(jī)后聯(lián)軸帶動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行加壓；b．天然氣經(jīng)過膨脹機(jī)發(fā)電，所發(fā)電能供給壓縮機(jī)進(jìn)行加壓，以后者為例，此種類型的工藝流程見圖2。

工藝中所用天然氣為4.0MPa，20℃，部分天然氣經(jīng)透平膨脹機(jī)后溫度降為-29℃，產(chǎn)生的低溫天然氣與直接進(jìn)入CNG壓縮機(jī)壓縮后的天然氣在CNG-NG換熱器中換熱，升溫后輸送至下游天然氣管網(wǎng)；而經(jīng)CNG壓縮機(jī)壓縮的天然氣加壓至25MPa，溫度升高至220℃左右，然后與低溫天然氣換熱后溫度降為40～50℃，輸送至CNG氣瓶車。

余壓分布式用于發(fā)電－CNG加壓系統(tǒng)適用于以下場(chǎng)合：門站、調(diào)壓站內(nèi)生產(chǎn)需電、周邊有CNG加氣母站。

2.3　余壓分布式用于發(fā)電－生產(chǎn)LNG

筆者開發(fā)了一種余壓分布式用于發(fā)電－生產(chǎn)LNG的工藝，工藝流程見圖3。

天然氣(4.0MPa，30℃)分兩路，一路經(jīng)過透平膨脹機(jī)1膨脹發(fā)電后，溫度降至-70℃左右，壓力降至0.4MPa，進(jìn)入高低溫天然氣換熱器中與30℃的高壓天然氣換熱，溫度升到21℃，之后進(jìn)入下游天然氣管網(wǎng)。另一路流出高低溫天然氣換熱器，溫度降低到-65℃進(jìn)入1#儲(chǔ)罐，再經(jīng)透平膨脹機(jī)2膨脹發(fā)電后，溫度降至-130℃左右，壓力降至0.4MPa，一部分流入氮?dú)猓?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-size: 16px; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">NG換熱器2與高溫氮?dú)鈸Q熱后，天然氣溫度升到30℃，之后進(jìn)入下游天然氣管網(wǎng)；另一部分流入氮?dú)猓?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-size: 16px; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">NG換熱器1與低溫氮?dú)鈸Q熱后，天然氣溫度降至-160℃，最后進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐。來自2#儲(chǔ)罐的低壓氮?dú)猓?jīng)過氮?dú)鈮嚎s機(jī)由0.2MPa壓縮至0.8MPa，進(jìn)入氮?dú)猓?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-size: 16px; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">NG換熱器2與天然氣換熱，溫度降至34℃，再進(jìn)入氮?dú)鈸Q熱器與氮?dú)鈸Q熱，并再次降溫至-150℃，然后高壓氮?dú)膺M(jìn)入氮?dú)馀蛎洐C(jī)膨脹并發(fā)電后，壓力降至0.2MPa，溫度降至-185℃左右，進(jìn)入氮?dú)猓?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-size: 16px; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">NG換熱器1與天然氣換熱，最后再次進(jìn)入氮?dú)鈸Q熱器，氮?dú)鉁囟壬?span lang="EN-US" style="box-sizing: inherit; border: 0px; font-family: inherit; font-size: 16px; font-style: inherit; margin: 0px; outline: 0px; padding: 0px; vertical-align: baseline;">30℃后回到2#儲(chǔ)罐，如此循環(huán)。

余壓分布式用于發(fā)電－生產(chǎn)LNG系統(tǒng)適用于以下場(chǎng)合：門站內(nèi)生產(chǎn)需電、周邊有LNG加氣站。

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本文作進(jìn)：張輝　李夏喜　徐文東　邢琳琳　段蔚　朱軍

作者單位：北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司高壓管網(wǎng)分公司

  北京永逸舒克防腐蝕技術(shù)有限公司

  華南理工大學(xué)