天然气透平膨胀发电技术在燃机电厂的应用

梁庆林

（广东大唐国际肇庆热电有限责任公司，广东 肇庆526000）

0 引言

天然气作为高效清洁能源，近年来获得了广泛应用。天然气在进入城市门站或燃气电厂前，根据不同的压力要求，常用调压器进行降压处理。由工程热力学理论可知，当天然气具备一定的压力和温度时，就具备了一定的能量，即由压力所体现的势能和由温度所体现的动能，二者合称为天然气的内能。在用调压器进行调节时，会造成部分内能损失。以日处理50万m3的门站为例，压力从4.0 MPa降至0.4 MPa，压力能损失大约有101.7万kJ／h，天然气透平膨胀发电技术利用天然气在膨胀机内进行绝热膨胀，内能降低而对外做功，并由膨胀机驱动发电机将能量转换为电能进行回收。

图2 天然气透平膨胀发电示意图

1 天然气透平膨胀发电技术介绍

1.1 透平膨胀机工作原理

透平膨胀机是一种使压缩气体膨胀并输出功率，因而压力降低和能量减少的原动机。在透平膨胀机中，气体的能量交换发生在导流器的喷嘴叶片间与工作叶轮内。高压气流在喷嘴内进行部分膨胀，然后以一定的速度进入叶轮，推动叶轮旋转。气流进入叶轮后还会进一步膨胀，气流的反冲力进一步推动叶轮旋转，旋转的叶轮轴可驱动发电机组进行发电。由于气体在膨胀机中通过的时间极短，来不及与周围环境进行热量交换，因而绝热效率很高，此过程可视为等熵膨胀。进入透平膨胀机的气体流量可通过导流叶片进行调节，以适应系统负荷。

1.2 透平膨胀机用于天然气管道压差发电

天然气管道压差分配图如图1所示，天然气透平膨胀发电示意图如图2所示。

图1 天然气管道压差分配图

1.3 压能回收能力分析

绝热膨胀透平发电机做功与气流压能之间的关系如下：

式中，W 为透平发电机端的出力（k W）；ΔHi为天然气高压端与低压端之间的绝热焓降（kJ／kg）；G为天然气质量流量（kg／s）；ηt为透平机效率；ηg为发电机效率。

绝热焓降的计算：

式中，Cp为天然气质量等压比热［kJ／（kg·K）］；T1为天然气入口温度（K）；p1为天然气入口压力（MPa）；p2为天然气出口压力（MPa）；K为天然气的绝热指数。

2 天然气透平膨胀发电技术在燃机电厂中的应用

广东大唐国际肇庆热电有限责任公司有2台套F级燃气机组。入厂天然气压力为5.4 MPa，通过调压撬进行调压，将压力降到约3 MPa再送给燃机。若采用透平膨胀发电机取代调压撬，即可实现在对天然气进行降压的同时发出电能。现根据本公司调压站设计参数，进行差压发电能力分析。

从设计数据可知，供气量为流量14万m3／h，天然气密度为0.717 4 kg／m3，供气量为100.436 t／h，调压撬入口压力p1为5.4 MPa，调压撬出口压力p2为3 MPa，调压撬入口温度T1为288 K，透平机效率按0.8，发电机效率按0.95，减速箱效率按0.97，天然气绝热指数K为1.3，取平均等压比热Cp为2.2 kJ／（kg·K）。

每小时利用天然气差压可发电1 648 k W。

2.1 天然气压差发电方案

2.1.1 天然气压差参数

管道公司供气压力5.4～6.5 MPa，温度6～15℃，进入电厂经调压站调整到3 MPa、15～50℃供燃气轮机使用，压差约2.4～3.5 MPa。

2.1.2 压差发电系统工艺流程

压差发电系统工艺流程如图3所示。

图3 压差发电系统工艺流程图

2.1.3 发电机组选型

天然气经膨胀做功后，气体温度会降到0℃以下，国产汽轮发电机组都是热机，无法满足要求。当膨胀机运行温度低于环境温度时，对制造材料和工艺要求更高，国产民用设备目前还不能满足要求。

考虑以上因素，我们选用UniEco透平膨胀机发电机组，该机组转子、变速箱在美国生产，国内做配套组装完成。其是由高谱公司与联优机械共同开发的用于天然气等特殊气体压差发电的专用设备。

2.1.4 装机方案

经 测 算：140 000 m3／h 流 量 的 天 然 气，压 力 从 5.4～6.5 MPa降到3 MPa，发电量约1 626 k W左右。需要安装1台2 000 k W发电机组。

2.1.5 发电机组技术参数

发电机组技术参数如表1所示。

2.2 经济效益

此燃机电厂2台燃机计划全年运行5 000 h，电费按照0.7元／k W·h进行计算：

全年发电量1 626 k W×5 000 h＝813万k W·h，折合电费569万。

项目总投资约1 680万元，投资回收期3年左右。

2.3 社会效益（减排指标）

年节约标准煤：813万k W·h×330 g（1 k W·h电消耗标准煤）＝2 683 t；

年减排SO2量：2 683×0.008 5＝23 t；

年减排 NOx量：2 683×0.007 4＝20 t；

年减排CO2量：2 683×2.6＝6 976 t。

表1 发电机组技术参数

3 结语

天然气透平膨胀发电技术利用天然气管道压力能发电，实现了天然气的高效利用，减少了能量的浪费，为企业创造了较好的经济效益和社会效益。体现了企业积极主动开展节能减排活动，践行节能减排的承诺，履行了社会责任，突出了企业的科技创新能力。

天然气透平膨胀发电技术符合国家能源政策和节能减排政策，实施后可申请市、省、国家相关的新能源利用、节能减排以及产学研领域的基金和奖励，彰显企业节能减排示范作用。

天然气透平膨胀发电技术促进了天然气产业节能技术的发展，带动天然气企业的升级，可增强天然气行业竞争力，促进燃机电厂的健康发展。

［1］江楚标.透平膨胀机及发展动态［J］.深冷技术，2001（5）

［2］邹云.160万 m3／d天然气透平膨胀机的研制［J］.深冷技术，2006（3）

［3］祁圣华.小型天然气透平膨胀机技术改造［J］.油气田地面工程，2006（1）