天然氣壓力能發(fā)電制冰一體化應(yīng)用設(shè)計與經(jīng)濟性分析

王朝龍 李琦芬 苗沃生 謝 偉 俞光燦

上海電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院

0 引言

天然氣是一種高效的清潔能源[1]，因其熱值高、儲量大、易輸配、燃燒產(chǎn)物污染物少等優(yōu)點，在各國能源結(jié)構(gòu)中的比重日益增大[2]。天然氣資源與需求市場多數(shù)存在地域不均衡問題，為解決以上問題，全球多數(shù)國家均采用鋪設(shè)天然氣管道的方式，且高壓力、大口徑[3-4]是目前天然氣輸氣管道發(fā)展的總趨勢。高壓天然氣在送往下游用戶之前，須在各城市的調(diào)壓站、場站以及天然氣接收門站等進行適當(dāng)?shù)慕祲?，從而保證下游普通燃氣用戶的正常安全運行。

天然氣在門站調(diào)壓前后會產(chǎn)生很大的壓力降[5]，在焦耳—湯姆遜效應(yīng)[6]下天然氣溫度會驟降，同時，降壓后會釋放大量的冷能。而調(diào)壓站一般均采用節(jié)流閥等調(diào)壓裝置將天然氣直接降壓，壓力能就會完全消耗在克服流動阻力上而未推動任何的機械做功，從而造成能源浪費。例如，西氣東輸Ⅰ線和Ⅱ線，以300億m3/a的輸氣量計算，若按照壓力從8．0MPa降至0．4MPa來計算，則每年分別回收能量 24．3 億 kWh 和 45．6 億 kWh，則相當(dāng)于黃河小浪底年平均發(fā)電量（51億kWh/年）的1．37倍。

高壓天然氣調(diào)壓過程中除了有巨大的能量損失，因管線壓力的驟降所導(dǎo)致的天然氣溫度驟然降低加重了管線的負擔(dān)[7]，甚至在冬季造成天然氣地埋管發(fā)生凍脹，使天然氣管道的閥體離開閥座[8]，造成天然氣泄露，對門站及分輸站的安全運行造成很大的影響。如果能通過壓力能回收設(shè)備將這部分能量進行充分回收，將在較大程度上提高天然氣管網(wǎng)的運行收益和能源利用率。

國內(nèi)外學(xué)者在天然氣壓力能回收方面進行了大量研究，目前已有的天然氣壓力能回收方式有：壓力能發(fā)電、壓力能制冷、壓力能儲氣調(diào)峰、壓力能用于制取干冰，或?qū)⑻烊粴饨祲汉蟮睦淠苡糜谥迫√烊粴馑衔?，利用空調(diào)機組回收水合物的冷能，提高能源利用率[9-10]；除此之外，天然氣門站往往與CNG加氣站聯(lián)系起來，在利用天然氣壓力能發(fā)電同時，發(fā)電量供給CNG加壓設(shè)備，能起到就地消納電量的效果，省去部分成本[11-12]。

針對天然氣壓力能的浪費及衍生問題，以華中地區(qū)某天然氣門站為例，從實際情況出發(fā)，設(shè)計一套壓力能發(fā)電制冰系統(tǒng)，并對不同邊界條件影響因素下的方案經(jīng)濟性進行分析比對，選取最佳方案，為該工程提供參考。

1 管輸天然氣調(diào)壓過程可利用壓力能估算

對于管道輸送天然氣調(diào)壓過程中的壓力能與冷能的確定，目前多采用?方法與能量平衡分析法。

?方法考慮能量的品位，從熱力學(xué)第二定律的角度對調(diào)壓過程中可利用的壓力能的最大值進行了估算。因此，其計算得出的壓力?與溫度?不存在能量品位的差別，可以直接相加，便于分析比較該過程中可利用壓力能的總量。

能量平衡分析法結(jié)合實際設(shè)備效率，直接給出接近實際工程的機械功及與給定溫差下天然氣所提供的冷量，這種方法中所給出的機械功及冷量具有不同的能量品位，不能直接相加進行評估壓力能的總量。

以?方法為例，估算調(diào)壓過程中可利用的能量：

對于穩(wěn)定流動的系統(tǒng)，忽略工質(zhì)的位能?及動能?工質(zhì)在某一狀態(tài)下的比焓?可以用下式表示（字母均為基準(zhǔn)狀態(tài)（25℃、1 atm）下的熱力學(xué)值）：

對于理想氣體，焓僅為溫度的函數(shù)：其中cp為天然氣的比定容熱容，kJ/(kg·K)。

則穩(wěn)定物流的焓?可以表達為∶

根據(jù)上式的特點：理想氣體的焓?中前兩項僅與溫度有關(guān)，后一項僅與壓力有關(guān)，于是可將理想氣體的焓?分為兩部分：溫度?ex，H()T 和壓力?ex，H()P ，溫度?代表了由于溫度的變化所引起的穩(wěn)定物流?的變化，壓力?代表了由于壓力的改變所引起的穩(wěn)定物流?的變化值。即

因此，若要計算高壓天然氣膨脹降壓后產(chǎn)生的冷能，需計算出膨脹降壓后天然氣的溫度值。由于膨脹過程是一個多變過程，可得膨脹機實際出口溫度為：

例如以某調(diào)壓門站天然氣平均進口壓力為5．0MPa，進口溫度為15℃，流量為52 000Nm3/h，調(diào)壓至2．0MPa的輸氣管線作為研究對象，對該調(diào)壓門站可用能進行估算。

假設(shè)天然氣的組分全部是甲烷，取天然氣的比定壓熱容cp為2．223 kJ/(kg·K)，絕熱非等熵過程的指數(shù)n為1．26。根據(jù)式（6）計算可得調(diào)壓后天然氣的溫度：，約為-35℃。

2 天然氣余壓利用系統(tǒng)一體化應(yīng)用設(shè)計

天然氣門站由計量系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)及其它附屬設(shè)備構(gòu)成。調(diào)壓系統(tǒng)（調(diào)壓撬）將高中壓天然氣降壓到市政管網(wǎng)要求壓力范圍，而計量系統(tǒng)關(guān)系到燃氣公司與燃氣用戶之間的結(jié)算，因此方案設(shè)計中，要考慮壓力能的回收，同時要消除對計量的影響。

本方案設(shè)計首選透平膨脹機作為壓力能回收的主要設(shè)備，透平膨脹機作為一種降壓設(shè)備，利用工質(zhì)流動將進出口壓力差所帶來的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能，同軸帶動發(fā)電機發(fā)電，高壓天然氣經(jīng)透平膨脹機充分膨脹后，溫降很大，天然氣攜帶的冷能相當(dāng)可觀，綜合各類冷能利用方式，同時結(jié)合門站所在地天氣、經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)等相關(guān)因素，選擇最簡單現(xiàn)實的冷能利用方式——制取冰塊。門站對天然氣的計量、安全穩(wěn)定運行、參數(shù)變化等要求苛刻，為避免壓力能利用系統(tǒng)對門站天然氣造成影響，方案設(shè)計中引入脫水脫烴裝置、電加熱換熱器及超聲波計量器等裝置，做到計量統(tǒng)一，參數(shù)達標(biāo)，圖1為天然氣壓力能發(fā)電制冰一體化系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計流程圖。

圖1 天然氣壓力能發(fā)電制冰一體化系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計流程圖[15]

2.1 脫水脫烴系統(tǒng)

在一定的溫度和壓力條件下，含水天然氣可生成白色致密的結(jié)晶固體，稱為天然氣水合物。正常情況下，4．0MPa時的水露點約在-12℃，0．4MPa時為-23℃。其烴露點變化的一般規(guī)律是：隨著天然氣壓力的降低，天然氣的烴露點相應(yīng)降低。當(dāng)壓力不變時，烴類溫度降低到該壓力下自身露點時，重?zé)N就會析出。但天然氣經(jīng)過絕熱節(jié)流后，溫降很大，當(dāng)其溫度等于或低于其水露點且壓力高于平衡絕對壓力時，就有可能導(dǎo)致結(jié)冰，C4以上組分含量較高時，甚至形成水合物，造成管道及設(shè)備堵塞、調(diào)壓設(shè)備破壞，影響系統(tǒng)的正常運行。因此設(shè)置脫水脫烴裝置（圖2），對天然氣進行再次除水除烴以保證系統(tǒng)安全。表1為天然氣平衡絕對壓力與溫度對照表。

圖2 脫水脫烴系統(tǒng)流程圖

表1 平衡絕對壓力與溫度對照表

經(jīng)計量穩(wěn)壓后的高壓管網(wǎng)氣首先進入原料氣入口分離器分離出固體雜質(zhì)及部分液態(tài)水，初步處理后的天然氣進入3A分子篩脫除水分，再進入AC活性炭吸附塔脫除重?zé)N，實現(xiàn)一塔脫水脫烴。脫除水分、重?zé)N的天然氣再進入粉塵過濾器除去固體雜質(zhì)。在引入下游冷能利用后的天然氣分兩路進入脫水、脫烴系統(tǒng)。應(yīng)用一路下游冷能利用后天然氣的剩余冷量對上游脫水、脫烴、除塵后的清潔天然氣進行預(yù)冷卻，預(yù)冷后的天然氣進入膨脹機。引用另一路冷能利用后的天然氣與高溫導(dǎo)熱油進行換熱，換熱后作為再生氣通入活性炭吸附塔和分子篩塔，對吸附飽和的活性炭和分子篩進行再生，再生后在活性炭吸附塔和分子篩塔內(nèi)通入下游引入的低溫天然氣，對塔進行冷卻。攜帶重?zé)N及水分的再生氣經(jīng)再生氣冷卻器、再生氣分離器分離出重?zé)N和水分后進入下游管網(wǎng)，而分離出的重?zé)N及水分也逐漸與下游管網(wǎng)氣混合，流向下游用戶，實現(xiàn)重?zé)N和水分零排放處理。為了保障出口天然氣質(zhì)量，在計量裝置中加裝水露點分析儀和色譜分析儀。

2.2 膨脹發(fā)電系統(tǒng)

經(jīng)計量后的高壓天然氣，需通過穩(wěn)壓閥進行穩(wěn)壓，保證膨脹機入口前壓力穩(wěn)定，穩(wěn)壓后的高壓天然氣通過脫水脫烴裝置，脫除水分與重?zé)N。

高壓天然氣進入透平膨脹機之前，會與后端冷能利用后的天然氣進行預(yù)冷，再進入透平膨脹機，壓力能轉(zhuǎn)化為機械能，同軸帶動發(fā)電機發(fā)電，如圖3所示。

圖3 膨脹發(fā)電系統(tǒng)

2.3 冷能制冰利用系統(tǒng)

膨脹后的天然氣攜帶大量的冷能，可用于制冰，其冷能利用系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 冷能利用系統(tǒng)

采用最成熟的鹽水制冰法，為避免鹽水腐蝕，低溫的天然氣先通過螺旋換熱器與中間換熱介質(zhì)乙二醇（50%）換熱，乙二醇與天然氣換熱后，溫度降低至-19℃。鹽水池中的鹽水（NaCl，29．4%）再與乙二醇進行熱交換，天然氣出口溫度升為-15℃左右。-15℃的天然氣仍然具有可利用的冷能，此部分冷能將通過儲水池與水換熱，此時天然氣溫度升至-5℃，而儲水池中的水降溫至10℃，并直接作為制冰原水。-5℃的天然氣經(jīng)電加熱器加熱至所需的溫度輸送到下游，被冷卻后的濃鹽水在鹽水池內(nèi)與冰桶內(nèi)的水進行熱交換，將水冷凍成冰，完成天然氣冷量的利用。制冰公式可參考式（7）。1kg水冷卻結(jié)冰的熱量估算（KJ/kg）：

L—水的凝固潛熱KJ/kg；

3 案例分析

3.1 門站運行情況及初步方案選擇

湖北地區(qū)某門站分別供應(yīng)A市、B市、C市和D市四路用戶。A市是以環(huán)網(wǎng)的方式進行供氣，供氣量比較穩(wěn)定，供氣壓力為 1．2MPa～2．5MPa，天然氣供應(yīng)流量80 000Nm3/h，B市天然氣供應(yīng)流量30 000Nm3/h，本項目僅考慮A、B市。

門站管輸天然氣壓力能回收設(shè)計，需結(jié)合門站當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、產(chǎn)業(yè)和市場需求等因素，初步采用壓力能發(fā)電制冰一體化技術(shù)方案。該方案中，獲得的產(chǎn)品主要是電能和“冷能”（商用冰塊）。

最初方案只考慮A市一路，下游客戶需求供氣壓力1．6MPa，因不可預(yù)測因素，一段時間后，下游某用戶提出要求，要求壓力不低于2．5MPa，導(dǎo)致膨脹機出口壓力從1．6MPa升至2．5MPa，直接導(dǎo)致可回收利用的壓力能減少，天然氣出口溫度上升，冰塊產(chǎn)量下降。為了提高收益，考慮采用國產(chǎn)透平膨脹機代替進口透平膨脹機，新增一套系統(tǒng)（因B市要求壓力不低于2．0MPa），在不同條件下進行方案組合比較，通過測算投資、投資收益、投資回收期，最終決定投資方案，主要分為以下三個方案，簡稱方案1、方案2和方案3，詳見表2。

表2 三個方案簡介與特點

3.2 經(jīng)濟性分析

三個方案下的運行參數(shù)按表3設(shè)定，通過Aspen Plus仿真軟件及設(shè)備商自備軟件，通過計算分別得到不同方案下的發(fā)電量，制冰量。

方案1：A市流量80 000Nm3/h的天然氣進入透平膨脹機膨脹（壓力降至2．5MPa，出口溫度-28℃），同軸帶動發(fā)電機發(fā)電。考慮發(fā)電機效率，則發(fā)電功率1 090kW，同時采用換熱器回收低溫天然氣攜帶的冷量進行鹽水制冰，每天最大制冰量 70．18t；B市天然氣流量 30 000Nm3/h（壓力降至2．0MPa，出口溫度-39℃）壓力降至2．0MPa，發(fā)電功率520 kW，每天最大制冰量52．12t。則總發(fā)電功率1 610 kW，最大總制冰量122．30t/d。

表3 三個方案天然氣進口參數(shù)與出口壓力要求

方案3中采用了國產(chǎn)膨脹機及發(fā)電設(shè)備，方案2中B市一路采用國產(chǎn)設(shè)備，在發(fā)電效率與制冰量上與進口設(shè)備存在差距。A市和B市均采用國產(chǎn)膨脹機及配套設(shè)備時，A市燃氣一路發(fā)電功率只能達到1 000kW，膨脹機出口處溫度為-25℃，B市燃氣一路發(fā)電功率400kW，出口溫度-35℃。表4為三個方案的運行參數(shù)值。

表4 三個方案的運行參數(shù)及最大制冰量

天然氣余壓利用類項目投資大，余壓發(fā)電側(cè)需申請上網(wǎng)，冷能利用端制取的冰塊需及時銷售，且項目受到安全、環(huán)境、資金、運行成本、收益等因素影響。本項目涉及三個方案，因此項目按照工程科研報告的標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，同時進行詳細的技經(jīng)分析測算，表5為三個方案的技經(jīng)分析表，經(jīng)過詳細的測算，可以通過結(jié)論性的數(shù)據(jù)指標(biāo)進行決策，以得到最佳的投資方案。

表5 三個方案的成本、收益、投資回收期對比

方案1與方案2相比，方案2的技經(jīng)結(jié)果優(yōu)于方案1，方案2中B市一路系統(tǒng)（國產(chǎn)設(shè)備）占據(jù)了價格優(yōu)勢，且體量（30 000Nm3/h）相對來說較小，其內(nèi)部收益率與投資回收期相對優(yōu)于方案1。

方案1與方案3相比，方案1初投資高了很多，主要因為采用進口膨脹機及相關(guān)配套設(shè)備，以阿特拉斯設(shè)備為例，同等功率下，其生產(chǎn)的膨脹機及配套設(shè)備和國內(nèi)廠商相比高出近千萬元，導(dǎo)致初投資成本高很多，但進口設(shè)備發(fā)電功率較國產(chǎn)設(shè)備高，發(fā)電量存在差異，天然氣膨脹做功后的溫度位也更低（方 案 1（-28℃/-39℃）與 方 案 3（-25℃/-35℃）），制冰量存在差異，盡管項目初投資成本差距大，但方案1收益高。

方案2與方案3相比，區(qū)別在于采用進口設(shè)備的A市一路系統(tǒng)，導(dǎo)致初投資成本相差近1 300萬元，但A市一路發(fā)電功率較國產(chǎn)設(shè)備高，總體發(fā)電效率方案2（1 490kW）高于方案1（1 400kW），同樣由于A市天然氣出口溫度（-28℃）低于B市，可以獲得更高的冷能，總體收益高于方案3，且隨著國產(chǎn)設(shè)備的不斷優(yōu)化、不斷改進，效率會提高，同等發(fā)電功率情況下，國產(chǎn)設(shè)備性價比更高。

從投資、收益、回收期以及安全穩(wěn)定等因素出發(fā)，綜合三個方案，最終選取方案2。A市采用進口設(shè)備，更穩(wěn)定可靠，收益相對而言更高，有保障；B市采用國產(chǎn)設(shè)備，初投資低，且近年來國產(chǎn)設(shè)備的性能逐步提升，推動了設(shè)備國產(chǎn)化。

3.3 節(jié)能減排量

相比于燃煤電廠通過燃燒燃煤發(fā)電，制冰廠商采用電能制取冰塊。本項目通過利用天然氣余壓發(fā)電制冰，不僅回收了大量浪費的壓力能與冷能，而且起到了節(jié)約標(biāo)煤、減少CO2、SO2、粉塵灰渣等排放的問題。按照國家《能源十三五規(guī)劃》中的要求，到2020年，煤電平均供電煤耗下降到每千瓦時310克標(biāo)準(zhǔn)煤以下，即：每節(jié)約1kWh的電耗，相應(yīng)節(jié)約0．31kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時減少CO2排放0．773kg，SO20．023kg，NOx 0．012kg，碳粉塵0．211kg。制冰耗電折算成能量進行計算，取制冰用水溫度20℃，冰的終溫-10℃，代入式（7），得到1kg水冷卻結(jié)冰需要能量460．55kJ，折合成電能0．128kWh，對應(yīng)1t水冷卻結(jié)凍耗能128kWh，取開利19XR離心式冷水機組制冷COP保守值5作為計算標(biāo)準(zhǔn)，則理論上1t水冷卻結(jié)冰耗電26．5 kWh。

方案2中，余壓發(fā)電側(cè)年發(fā)電1 192萬kWh，年制冰量38 800t，則相應(yīng)的節(jié)能減排量見表6，單位：t。

表6 余壓發(fā)電制冰節(jié)能減排量

天然氣余壓發(fā)電制冰項目每年可以節(jié)約標(biāo)煤4 013．94t，減少 CO2排放 10 008．96t，SO2297．81t，NOx155．38t，碳粉塵2 732．07t，項目具有很好節(jié)能減排效應(yīng)，符合國家大力倡導(dǎo)的綠色發(fā)展道路，能起到很好的示范作用。

4 結(jié)論

（1）理論計算與軟件模擬能夠準(zhǔn)確的計算發(fā)電功率、天然氣出口溫度等，設(shè)計的天然氣余壓發(fā)電制冰一體化系統(tǒng)可以有效回收天然氣壓力能及膨脹后攜帶的冷能。

（2）膨脹機前段加裝脫水脫烴設(shè)置，可以有效地除去天然氣中攜帶的微量水分以及C4以上的重?zé)N成分，避免因壓降、溫降驟變，生成天然氣水合物，堵塞設(shè)備。

（3）依據(jù)實際狀況，通過詳細的技經(jīng)測算，比對三個方案，結(jié)果顯示，方案2最佳，盡管初投資較大，但運行穩(wěn)定、可靠、產(chǎn)品收益高。

（4）通過回收壓力能冷能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)電能、商用冰塊，與傳統(tǒng)火電，電制冰相比，節(jié)約4 013．94t標(biāo)準(zhǔn)煤 ，減 少 CO2排 放 10 008．96t，SO2297．81t，NOx155．38t，碳粉塵2 732．07t，是很好的節(jié)能減排項目，可以廣泛的推廣。