城市燃气门站压力能回收热力学分析

吴玉国，李小玲

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

城市燃气门站压力能回收热力学分析

吴玉国，李小玲

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

长输来气需在门站内经调压过程将高压燃气降到较低的压力方可送入城市燃气输配系统，节流降压过程存在压力能的损失。采用能量系统的(火用)分析法对城市门站调压过程进行热力学分析，结果表明节流阀节流降压虽能满足工艺要求，但过程的(火用)损较大，(火用)效率低，应考虑可代替节流阀的其它压力能回收设备，如透平膨胀机、涡轮机等，从而有效回收城市门站调压过程损失的压力能。

节流阀； 压力能； (火用)分析； (火用)效率

燃气经长输管线送至城市，为配合城市各级输气管网的正常运行，需在门站内经调压过程将高压燃气（如西气东输和川气东送输气管道设计压力为10 MPa）降到较低的压力（管道沿线城市管网设计压力多为1.6~4.0 MPa）[1]。传统的调压过程中，燃气经节流阀降压降温（焦耳-汤姆逊效应），压降完全消耗在克服流动阻力上，没有推动任何机械做功，压力能未得到回收利用。如何回收这部分压力能，并使其经济效益和社会效益达到最大化是值得深入研究的课题之一。节能减排受到前所未有重视的同时科学用能显得至关重要，科学用能即如何把能源用好。为此能源回收利用时，必须同时依据热力学第一定律和第二定律，不仅要分析能量的“数量”损失，还要分析能量的“质量”贬值情况。采用能量系统的(火用)分析法对城市门站调压过程进行热力学分析，对用能状况做出评价，找出系统中用能薄弱环节。

1 门站调压过程的热力学理论分析

1.1 （火用）及（火用）分析法

各种不同形式的能量转换为功的能力是不同的，在周围环境条件下，任一形式的能量中理论上能够转变为有用功的那部分能量，我们称其为该能量的(火用)或有效能[2]。实际能量系统中不可避免地存在摩擦、温差等，引起能的品质贬值，产生(火用)损。因此，(火用)表征能量转变为功的能力和技术上的有用程度，可以用(火用)来评价能量的品质和级位。

能量的热平衡分析法是应用热力学第一定律，从能量的“数量”方面分析、评价用能设备的有效程度，指标是热效率。这种方法可以获得所供应的能量中有多少得到了有效利用，但不清楚所供应能量的质量是否适合用户的需要。而能量的(火用)平衡分析法是依据热力学第二定律，从能量的“品质”方面分析、评价用能装置或系统的优劣，揭示其热力学完善程度及其存在的薄弱环节，指标是(火用)效率。(火用)具有能的量纲，所以(火用)分析比热分析更科学，比熵分析更便于理解。

1.2 门站调压过程(火用)分析

燃气管网是典型的稳定流动开口系统，从给定的进口状态到出口环境状态的稳定物流的(火用)为：

则，单位质量温度物流的比火用为：

忽略稳定流动工质的宏观动能和位能，则稳定物流的火用就仅考虑焓一种形式的能量的火用，即：

根据热力学熵的关系式：

将（4）式带入（3）式得：

由（5）式可以看出，稳流物质的焓(火用)可分解为两部分，即在某一压力下系统与环境之间因热不平衡而具有的温度(火用)ex，T和在环境温度时系统与环境之间因力不平衡而具有的压力(火用)ex，p。分析表明燃气输配过程中蕴含着压力(火用)和温度(火用)。

天然气经调压节流后温度降低出现管道低温的现象，如杭州市北门站高-中压调压器2008年1月中旬结冰情况比较严重，调压器后地上管道管外结冰厚度为5～6 cm，埋地管道周围冻土沿管长方向的长度约30 m[3]。低温对管道输送的主要影响在于管道可能结冰、产生水化物而影响输送，且低温对管材、管件也有影响，如管道脆性断裂。因此，燃气输配系统要考虑天然气的加热问题，如管道伴热。

城市门站传统的调压方法是通过节流阀膨胀降压，设管道伴热输入的热量(火用)为ex，q，进入系统的(火用)为ex，h入，离开系统的(火用)为ex，h出，(火用)损为ex，h损，则根据(火用)效率的关系式：

根据能量平衡方程：

进入体系的(火用)=离开体系的(火用)+ (火用)积累+(火用)损

即：

节流阀的(火用)损为：

2 实例分析

以某城市燃气门站冬季运行为例，设输气量为34 000 m3/h, 每2 h记录一次进出站压力和温度等参数，设该站早8点开机，晚10点关机，保持出口压力稳定在2.5 MPa。计算结果列于表1。

表1 计算结果Table 1 The calculation result of the example

计算结果表明，门站节流阀节流降压过程的(火用)损较大，(火用)效率仅为38.05%，这主要是因为节流阀调压虽能满足工艺要求，但压力(火用)和温度(火用)得不到合理利用。因此，应进一步考虑可代替节流阀的其它压力能回收设备。

目前，可替代节流阀的设备主要有透平膨胀机和涡流管两种。燃气门站利用膨胀机回收压力能主要用于发电和副产LNG，利用涡流管回收压力能主要用于加热和副产LNG。

透平膨胀机的应用已是一项成熟的技术，但将其应用在长输管道上以回收压力能的研究最早始于20世纪80年代。除了可利用膨胀机输出的轴功发电外，由于天然气输出轴功后温度下降幅度很大（超过节流阀在同等压力降下的温度降），因此还可以获得冷能，利用膨胀机的制冷特性生产LNG[1，4]。当前我国应用于石化、天然气领域的膨胀机基本依赖进口。

涡流管因其结构简单、操作方便、运行安全可靠、造价低等特点在石油化工、低温制冷等领域得到了广泛的应用。国外从20世纪90年代就尝试将涡流管技术应用于天然气工业。我国涡流管加热技术率先应用于中国石油管道公司华中输气公司管辖的武汉西计量站[5]。此外，涡流管技术也可应用于城市门站生产LNG。

文献[6]以西气东输豫北支线门站的气源条件，对天然气透平膨胀做了(火用)分析，结果表明天然气温度(火用)和压力(火用)经透平膨胀后的(火用)降占1.3%。可见用透平膨胀机代替节流阀能使得(火用)效率显著提高，(火用)损失降低。

3 结 论

利用(火用)分析法评价燃气管网可利用的压力能是比较科学的，不仅可得能量的“数量”损失，还能得到能量的“质量”贬值情况。燃气门站传统的节流阀节流降压虽能满足工艺要求，但过程的(火用)损较大，(火用)效率低，因此，应进一步考虑可代替节流阀的其它压力能回收设备，如透平膨胀机、涡轮机等，从而改进城市门站压力能回收利用的方式，科学用能，提高能源利用率。

[1] 孙洁.城市门站压力能回收设备研究应用进展[J].煤气与热力，2010，30(7) ：A18-A20.

[2] 傅秦生.能量系统的热力学分析方法[M].西安交通大学出版社，2006.

[3] 张鸿鹏，李颜强.门站调压节流引起管道低温的分析[J]. 煤气与热力，2009，29(1) ：B01-B04.

[4] 郑志,王树立等.天然气输配过程流体压力能回收技术现状与展望[J].天然气与石油.2009,27(1) ：11-15.

[5] 熊长征，陈川,等．涡流管加热技术在天然气工业中的应用[J]．油气储运，2009，28(6)：69-72.

[6] 郑斌，陈文，白兴利.基于工业化回收的天然气压力能热力学研究[J]．安阳工学院学报，2010，9(4)：22-25.

Thermodynamic Analysis on Recovery of Pressure Energy at the City Gas Gate Station

WU Yu-guo, LI Xiao-ling
（College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The gas from long-distance pipeline should be regulated to lower pressure before it enters the city gas distribution system. This throttling process causes a loss of pressure energy. In this paper, the exergy analysis method was adopted to carry out thermodynamic analysis of the pressure regulation at the city gas gate station. The result shows that reducing pressure by throttle valve can meet the technological requirements, but exergy loss is great and exergy efficiency is low in throttling process. So it is necessary to consider other equipments for pressure energy recovery to replace throttle valve in order to recovery the pressure energy lost in pressure regulation process. The equipments include turbo expander, turbine and so on.

Throttle valve; Pressure energy; Exergy analysis; Exergy efficiency

TK123

A

1671-0460（2011）11-1166-03

2011-10-18

吴玉国（1977-），男，辽宁抚顺人，副教授，博士，研究方向：从事石油天然气储配技术工作。E-mail：wyg0413@126.com。