基于天然氣管網(wǎng)壓力能生產(chǎn)LNG技術(shù)要點

許 杰

北京安珂羅工程技術(shù)有限公司，北京 100015

1 利用天然氣管網(wǎng)壓力生產(chǎn)LNG技術(shù)研究的意義

當(dāng)代社會人們對于天然氣的需求量逐漸加大，因此，為了滿足社會發(fā)展需要，更好地服務(wù)于社會建設(shè)，需要天然氣輸送建設(shè)朝著長距離輸送、高壓輸送等方面發(fā)展。但是在實際運輸過程中，有些問題的產(chǎn)生是難以避免的，會造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，為此需要相關(guān)工作人員對天然氣管網(wǎng)壓力能生產(chǎn)LNG技術(shù)要點進(jìn)行分析。

第一，天然氣在輸送過程中，當(dāng)進(jìn)行調(diào)壓時會出現(xiàn)降壓現(xiàn)象，在一定程度上損失壓力能。而生產(chǎn)LNG技術(shù)對天然氣分?jǐn)?shù)站對壓力能的回收起著十分重要的作用。另外，需要盡可能地避免冰凍效果的產(chǎn)生而對管道造成損害。為了提升天然氣資源利用率，需要對天然氣壓力能進(jìn)行回收，盡可能地減少浪費，使得天然氣管網(wǎng)可以高效運轉(zhuǎn)。

第二，在當(dāng)代社會，LNG屬于一種具有環(huán)保特性的能源，它的利用可以使得天然氣輸送不受到距離的限制。同時，LNG的價格不斷提升，使得我國需要利用國內(nèi)現(xiàn)有資源進(jìn)行高效利用，以保證天然氣行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

第三，現(xiàn)階段，我國部分領(lǐng)導(dǎo)對利用天然氣管網(wǎng)壓力能生產(chǎn)LNG技術(shù)不夠重視，并且這方面生產(chǎn)技術(shù)還不夠完善，使得回收效果并不是十分理想，所以對這項技術(shù)進(jìn)行開發(fā)研究十分具有意義，將會對我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用[1]。

2 針對天然氣管網(wǎng)有效壓力能進(jìn)行分析研究

2.1 高壓天然氣壓力能的熱力學(xué)分析

根據(jù)理論研究，將其演變成任一形式的能量。但可以對壓力潛能進(jìn)行評估，還能夠在此基礎(chǔ)上形成高壓天然氣壓力計算模型。所以，使用火用分析法評價高壓天然氣管網(wǎng)可以利用的壓力能潛力是具有一定合理性的。

2.2 回收壓力能制冷設(shè)備的熱力學(xué)分析

在向下游用戶輸送高壓天然氣時，需要在壓力值降到最低時才可以進(jìn)行輸送[2]。目前，在進(jìn)行輸送時主要是通過降壓的方式進(jìn)行供氣，雖然可以做到節(jié)流降壓，但是也損失了部分壓力能，因此壓力能液化氣的重要性越發(fā)突顯[2]。通常情況下，為了實現(xiàn)對天然氣體降溫的目的，需要借助高壓氣體，并在此基礎(chǔ)上運用氣流閥和透平膨脹機。其中，氣流閥主要是將流通管道的橫截面積和氣流速度予以改變，從而盡可能地減少流體壓力，高壓氣體從節(jié)流閥中通過，會使得阻力有所降低，這種方式是不可逆的。而透平膨脹機，盡可能地需要降低溫度，進(jìn)而實現(xiàn)制冷。同時，需要根據(jù)流體速度發(fā)生變化的同時進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，進(jìn)而產(chǎn)生膨脹反應(yīng)，有效地避免了損耗。

2.2.1 節(jié)流閥

節(jié)流閥的膨脹制冷原理。節(jié)流閥：為了能夠有效改變流體速度，可以在流道的橫截面發(fā)生改變的時候進(jìn)行，進(jìn)而使得流體壓力調(diào)節(jié)閥有所降低。高壓天然氣從氣流閥中流出來，會因為產(chǎn)生一定的阻力使得天然氣壓力發(fā)生變化而降低。另外，當(dāng)節(jié)流效應(yīng)成為零，天然氣在膨脹過程中溫度會有所降低。

2.2.2 透平膨脹機

絕熱膨脹制冷原理。為了實現(xiàn)低溫，絕熱膨脹機絕對是有效的方法，在此過程中使得流體的速度發(fā)生變化實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，并在膨脹機中發(fā)生膨脹反應(yīng)，進(jìn)而有助于動能的產(chǎn)生，輸出外功，使得流體的溫度降低。高壓天然氣在靜噴嘴環(huán)道中可以通過膨脹改變速度，從葉柵中流出，降低天然氣動能，實現(xiàn)對外做功的目的。

由此可以得出，天然氣長輸管線分輸站具有回收壓力的潛能；透平膨脹機的使用可以產(chǎn)生制冷量和有用功，提高壓力能的回收率，所以，回收天然氣管網(wǎng)壓力能制冷的有效方法是利用透平膨脹機。

3 利用聯(lián)立模塊法壓液化工藝選擇

3.1 分輸站壓差液化天然氣工藝流程

對液化天然氣進(jìn)行回收可以減少凈化成本，對脫硫脫碳進(jìn)行深度處理，逐漸符合關(guān)于凈化提出的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對于預(yù)冷壓差液化流程，可以通過冷劑來提供預(yù)冷冷量，進(jìn)而實現(xiàn)預(yù)冷冷劑的無限循環(huán)[3]。對于膨脹制冷支路來說，分輸站是在完成脫水之后，利用制冷劑實現(xiàn)預(yù)冷循環(huán)，之后，通過降低壓差和溫度使其能夠重新返回到分輸站。天然氣管網(wǎng)壓力能的能量發(fā)生變化是由于分輸站的調(diào)壓過程導(dǎo)致的，因此，需要將這些在調(diào)壓過程中減少的能量運用LNG技術(shù)盡可能地進(jìn)行回收。因為透平膨脹機在對壓力進(jìn)行回收時，所利用的效率比較高，因此會使得制冷效果有所提升，所以可以在壓差液化過程中運用該設(shè)備，對膨脹前的壓差液化流程和膨脹后外冷壓差液化流程實施同一種技術(shù)工藝，可以利用聯(lián)立模塊法對以上幾種流程進(jìn)行計算，從而使得經(jīng)濟(jì)效益有所提升。

3.2 分輸站壓差液化流程中的模塊

分輸站壓差液化流程主要是通過接口將每個模塊連接起來，并在此基礎(chǔ)上保證模塊的物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換可以實現(xiàn)，同時還能夠使得壓力相等，還能夠使得進(jìn)出量得以平衡。

3.3 分輸站壓差液化流程系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

分輸站液化流程分為部件模型和數(shù)學(xué)模型兩類[4]。工藝系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬的數(shù)學(xué)模型在建設(shè)過程中，主要是將單位模型作為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)分?jǐn)?shù)壓差液化流程部件單元模型形成。在此過程中不但能夠得知自由度和輸出變量，還能夠在一定程度上對壓差液化流程進(jìn)行優(yōu)化，使其更加具有穩(wěn)定性和安全性。

3.4 流程的篩選和模擬

通過壓差液化系統(tǒng)，將相關(guān)軟件結(jié)合起來，逐漸建立數(shù)學(xué)模型[5]。壓差的變化會使得天然氣液化率發(fā)生變化，隨著壓差的加大而升高，同時分輸量也會對天然氣液化率產(chǎn)生影響，隨著分輸量的變化而產(chǎn)生變化。

4 利用天然氣管網(wǎng)壓力能生產(chǎn)LNG的研究內(nèi)容和方法

一是對壓力能設(shè)備進(jìn)行研究，并對分輸站的回收壓力能的使用效率等情況進(jìn)行分析研究。二是根據(jù)液化天然氣對于壓力差的理論原則，盡可能地對分輸站在回收前所浪費的壓力能進(jìn)行計算，并按照不同的壓力能制定回收工藝。三是建立關(guān)于液化流程的數(shù)學(xué)模型，為液化工藝流程創(chuàng)造理論依據(jù)。四是建立利益計算函數(shù)，根據(jù)實際情況選擇最為有效的條件。五是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上盡可能地對工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，以提升經(jīng)濟(jì)效益。

外冷循環(huán)可以分成膨脹前預(yù)冷壓差液化流程和膨脹后外冷壓差液化流程；回收壓力能液化天然氣并在此基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型主要是利用聯(lián)立模塊法，之后利用計算機的輔助作用對流程進(jìn)行適時地監(jiān)督和管理，其中壓差液化率最高是18%。外冷循環(huán)的壓差液化系統(tǒng)中外冷循環(huán)的加大，會在一定程度上對天然氣液化率產(chǎn)生影響。天然氣分輸站利用膨脹前預(yù)冷壓差液化流程過程中，這時的利潤率較高，同時經(jīng)濟(jì)效益也較高。綜上可得，利用天然氣管網(wǎng)壓力能生產(chǎn)LNG工藝是壓縮式的膨脹前預(yù)冷壓差液化流程。

工藝流程模擬主要是利用實際工藝流程，之后對化工操作和煉油過程運用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行對比，計算先后能量，最后將整個液化流程進(jìn)行模擬，并對結(jié)果進(jìn)行觀察，可以在一定程度上彌補工藝中先存在的問題，及時升級改造。

綜上所述，在膨脹前應(yīng)當(dāng)預(yù)冷壓差液化流程優(yōu)化研究屬于較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在發(fā)生情況時，當(dāng)各個參數(shù)在穩(wěn)定不變的情況下，最優(yōu)值會隨之產(chǎn)生改變，這時需要根據(jù)其變化情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。天然氣分輸站采用壓差液化天然氣工藝進(jìn)行壓力能回收，在此過程中天然氣應(yīng)當(dāng)符合凈化標(biāo)準(zhǔn)，長輸管線天然氣只需要符合一類標(biāo)準(zhǔn)即可。所以，在實際應(yīng)用過程中，天然氣液化前需要進(jìn)行深度凈化處理，并在此過程中液化過程產(chǎn)生的BOG等應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的回收處理。

5 優(yōu)化方面

優(yōu)化主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化兩個方面。其中參數(shù)優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上完成的，在工藝結(jié)構(gòu)確定的情況下，參數(shù)優(yōu)化才會變得更有意義。膨脹前預(yù)冷液化，“冷”主要來源于外冷循環(huán)，在這一環(huán)節(jié)會消耗大量的能量，但是如果結(jié)構(gòu)能夠得到比較好的優(yōu)化，就可以實現(xiàn)節(jié)約資源的目的。其中在優(yōu)化過程中應(yīng)當(dāng)注重以下幾個方面的問題：一是在冷劑種類的選擇上，因為選擇的冷劑種類不同，會使得最終實現(xiàn)不一樣的制冷效果，與此同時，對于能源的消耗也會有所不同，因此在選擇冷劑上需要對成分進(jìn)行比對，之后根據(jù)實際情況選擇最為合適的冷劑。二是當(dāng)冷劑有所確定之后，需要對參數(shù)進(jìn)行最后的優(yōu)化。

6 結(jié)語

通過對天然氣管網(wǎng)壓力能生產(chǎn)LNG技術(shù)要點進(jìn)行分析研究，可以最大化地減少浪費，提升能源利用率。但是目前階段，我國LNG技術(shù)還不完善，因此需要相關(guān)工作人員不斷進(jìn)行創(chuàng)新升級，同樣也可以借鑒國外先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，使得研究成果能夠得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)我國社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

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