天然气压力能回收利用研究进展及分析

李秉繁，刘培胜，潘振,孙 超

（1. 辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

天然气压力能回收利用研究进展及分析

李秉繁1，刘培胜1，潘振1,孙 超2

（1. 辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

随着我国长输管道（高压）的发展，管道内的高压天然气的压力能所具有的经济价值是不容忽视的，天然气压力能利用包括直接利用和间接利用，介绍了高压天然气（CNG）直接膨胀发电、天然气压力能用于制冷技术和一种改进的将天然气压力能用于冷热电三联供的方法与装置存在的问题及分析。

压力能; 经济价值; 压力能利用

如表1所示国内部分天然气管道基本参数［1］，输送管道的发展在距离上、压力上不断的刷新历史，为了经济的可持续发展和节约资源，管道压力能所蕴含的巨大经济价值得到了人们广泛的关注。

表1 国内部分天然气管道基本参数Table 1 The basic parameters of the domestic partial natural gas pipelines

以西气东输二线管道（压力可达到12 MPa）的设计运行，标志着我国长输管道技术达到国际先进水平。

1 天然气压力能用于发电技术

1.1 用于直接膨胀发电

如图1所示天然气压力能用于直接膨胀发电装置，高压天然气经过加热器加热后进入透平膨胀机膨胀驱动发电机发电，再经过加热器后以低压天然气的形式输出。其中，加热器的作用是防止天然气膨胀后温度降低到 0 ℃以下使天然气中的水分凝结阻塞管路[2]。

图1 天然气压力能用于直接膨胀发电装置Fig.1 Gas pressure energy direct expansion power generation plant

1.2 膨胀后的低温天然气用于降低燃气轮机的吸气温度

由布雷顿循环知，在定压加热过程中温度达到临界值时，若降低燃气轮机的吸气温度，则循环作功和其效率将得到显著提高。膨胀后的低温天然气用于冷却燃气轮机入口进入的空气，提高进入燃气轮机的空气质量以提高其循环作功和效率[3]。

现存的天然气压力能用于直接膨胀和降低燃气轮机的吸气温度相结合的一种新型天然气压力能发电技术，不仅减少了管网压力能的浪费也提高了发电量综合利用了资源[4]。

1.3 天然气压力能用于发电技术存在的问题

（1）高压天然气的爆炸极限较低，高压天然气进入透平膨胀机之前必须经过预热，防止天然气膨胀后温度降低使天然气中的水蒸气凝结，天然气局部温度能以控制问题。

（2）建设大型天然气压力能回收发电工厂，需要大量地高压天然气而天然气管网化、城市接收门站和调压站的分散布局，建厂的困难问题。

（3）天然气的使用由于用户、时间、温度、节气的不同，天然气的使用量不断变化而利用高压天然气压力能发电必须满足天然气供应的压力和流量稳定问题[5]。

2 天然气压力能用于燃气调峰

天然气高压管道调峰主要是指利用邻近城市的压气站到城市接收门站这一管段，将天然气以压缩天然气的形式储存在这一管段中。城市燃气使用量随着时间、温度、气候等息息相关，用气量波动巨大，每天都要面临着“调峰”，当用气量多时，天然气管网的高压天然气膨胀输送给用户，当用气量少时，天然气以高压天然气的是形式储存在管网中[6]。

3 天然气压力能用于制冷技术

3.1 天然气压力能制冷用于粉碎橡胶

我国橡胶消费量每年以 7.2%的速度增长，2013年增至3.7×106t[7]。废旧橡胶的回收利用已成当务之急。将天然气压力能制冷用于废旧橡胶冷却至玻璃化温度（-100 ℃左右）后在进行粉碎的方式与传统的粉碎方式不仅节省了粉碎机的能耗、减少了噪音也合理利用了能源。以处理14 000 m3/h 天然气的调压站为例，压力从5 MPa降至0.5 MPa的高压天然气能够处理约10 000 t的废旧橡胶[8]。

3.2 天然气压力能制冷用于不同品味的冷能用户

图2 天然气压力能制冷用于不同品位的冷能用户流程图Fig.2 Natural gas pressure energy refrigeration flowchart for different grade users

如图2所示，天然气压力能制冷用于不同品位的冷能用户，高压天然气经过气波制冷机换热器1、2、3后以低压常温天然气的形式输出，将-30 ℃用于低温冷库，将-15 ℃用于较低温冷库，0 ℃用于空调系统。将天然气压力能用于制冷不仅较少了压缩机制冷的成本，低温天然气的冷量梯级利用也提高了压力能的利用效率[9]。

3.3 天然气压力能制冷用于液化燃气调峰

如图3所示天然气压力能制冷用于液化天然气调峰流程图，高压天然气经过膨胀机1膨胀作功后变为中压低温天然气，膨胀机驱动压缩机5压缩常温常压的冷媒，从膨胀机出来的高压冷媒经过水冷却再经过节流阀3进入换热器2用于制取LNG；从膨胀机1出来的中压低温天然气一部分经过换热器6预热后供给中压天然气管网，一部分经过换热器2、节流阀7以常压LNG的形式储存在LNG储罐中；当用气高峰时，LNG经过压缩机9供给中压天然气管网，实现了天然气的调峰作用[10]。

图3 天然气压力能制冷用于不同品位的冷能用户流程图Fig.3 Natural gas pressure energy refrigeration flowchart for different grade users

3.4 天然气压力能用于制冷技术存在的问题

（1）高压天然气在膨胀作功之前必须经过预热防止混合在天然气中的水分凝结，高压天然气产生的冷量效益与预热效益收支问题；

（2）气波制冷机的制冷效率低问题；

（3）天然气压力、流量不稳定问题。

用于低温冷库，将-15 ℃用于较低温冷库，0 ℃用于空调系统。将天然气压力能用于制冷不仅较少了压缩机制冷的成本，低温天然气的冷量梯级利用也提高了压力能的利用效率。

4 一种改进的将天然气压力能用于冷热电三联供的方法与装置

如图4所示一种改进的将天然气压力能用于冷热电三联供的装置，高压天然气经过预热后进入透平膨胀机膨胀作功驱动压气机汽轮机同轴转动，经过透平膨胀机后的低温常压天然气进入换热器用于预冷燃气轮机进口的空气，换热器还可以提供空调制冷系统所需的冷量。一种改进的将天然气压力能用于冷热电三联供的方法与装置，其优点在于： 1)天然气压力能用于膨胀作功驱动压气机、汽轮机提高了传统冷热电三联供的发电量减少了天然气压力能的浪费； 2)将从膨胀机出来的低温常压天然气用于冷却燃气轮机的吸气温度，提高了燃气轮机的工作效率； 3) 低温常温天然气还可以为空调系统提供冷量，合理利用天然气所蕴含的冷能[11]。

图4 一种改进的将天然气压力能用于冷热电三联供装置Fig.4 An improved natural gas pressure energy CCHP system

5 结束语

根据天然气压力能用于发电技术存在的问题提出的以下解决办法： 1)净化天然中的水分； 2)建设小型压力能发电厂，与冷热电三联供相结合将天然气压力能用于直接膨胀发电，低温天然气用于冷却燃气轮机进口吸气温度； 3)建设调峰装置，以便电厂的安全稳定运行[12]。

根据提出的以下解决办法： 1)采用多能级梯度利用天然气压力能产生的冷量； 2)为稳定天然气压力、流量建设必要的调峰罐，提高膨胀机的稳定作功。

天然气压力能的利用不仅减少了压力能资源的浪费，也减少了发电过程、制冷过程汽轮机和压缩机能耗，压力能的利用符合我国节能标准[13]。

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Research and Analysis of Recycling Pressure Energy From Nature Gas Pipelines

LI Bing-fan1，LIU Pei-sheng1，PEN Zhen1，SUN Chao2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Heibei Langfang 065000，China;）

With the development of China's long-distance pipelines (high pressure), economic value of the pressure energy of high pressure natural gas in the pipelines should not be ignored, application of the pressure energy includes direct utilization and indirect utilization. In this paper, the high-pressure natural gas (CNG) direct expansion power generation technology, natural gas pressure energy refrigeration technology and CCHP technology were introduced; existing problems in these units were analyzed.

Pressure energy; Economic value; Pressure energy use

TE 832

A

1671-0460（2014）12-2591-03

2014-04-12

李秉繁（1901-），男，辽宁抚顺人，研究生在读，辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：油气管道输送技术。E-mail：670264522qq.com。