浅析天然气管网压力能利用

焦洋

摘 要：随着2001年西气东输管线的开工建设，我国正在逐步调整当前能源结构，大规模发展天然气。我国燃气输配管网的输气压力可分为：高压A、高压B、次高压A、次高压B、中压A、中压B和低压管道7级。从上游供气高压管线至燃气用户使用的低压管线之间需要逐级降压。高压天然气在调压过程中会产生很大压力降，此过程将释放出大量压力能。采用适当方式将这部分压力能加以回收利用，将在很大程度上提高天然气管网运行的经济性和能源的综合利用率。

本文对天然气高压管网压力能进行了[用][火]分析，以2006年西气东输管道供气量99×108m3/年为例进行计算，该管道天然气可回收的[用][火]相当于一座装机容量接近7.5×104kW的电站一年的发电量。可见天然气管网压力能回收利用的潜力巨大。天然气高压管压力能的回收利用的主要方式是余压发电和余压制冷两大方面，其中余压发电主要方式有直接膨胀发电、联合循环发电;而余压制冷的应用，主要包括：冷库、LNG调峰、天然气脱水等。

关键词：燃气管网;压力能;利用技术

中图分类号： TE973           文献标识码： A            文章编号： 1673-1069（2016）33-81-3

0  引言

目前，天然气因其在三大一次能源中污染小（二氧化硫、粉尘的排放接近于零，二氧化碳和氮氧化物的排放量相较于煤炭分别降至40%和50%）、燃烧效率高、经济性好的特点，使得其在世界能源中的地位日益提高。据统计，2014年全世界天然气消耗3020.4亿吨油当量的天然气，占世界总能耗的23.73%，天然气在各国总能耗中占比不断增加。依据BP统计，2013年，我国消耗145.4亿吨油当量的天然气，占全国总能耗的5.1%，比2012提高0.3%。但与世界天然气资源消耗平均水平相比，我国仍有较大差距，但也正因如此，我国天然气的未来发展空间广阔。2012年制定的《天然气发展“十二五”规划》中明确指出在十二五期间要加快天然气管网建设。

近年来，以京津冀为代表的我国中东部地区冬季雾霾天气不断出现，大气环境污染形势严峻，国内各个地区开始谋划利用天然气资源以减少环境污染，天然气资源的需求急剧上涨。管道天然气作为天然气输运的主要途径，将在天然气快速发展过程中率先发展，天然气管网亦将进入快速发展期。

早在1963年我国就已敷设了第一条天然气管线：巴县—重庆天然气管道。然而2001年开始的西气东输管线建设，才从真正意义上拉开了我国天然气管道大规模建设的序幕。截至2012年底，我国已建天然气管道约6.2万km，形成了由西气东输系统、陕京线系统、川气东送系统为骨架的全国性供气网络，从而基本形成了我国现在的天然气供气格局，干线管网的输气能力超过1500×108m3/年。

西一线：干线总长3839km，西起新疆轮南，东止上海市白鹤镇，输气管径1016 mm，设计输气压力10MPa，设计年输气量170×108m3。2003年10 月东段建成投产，2004年12月西段建成投产。

西二线：干线总长4918km，包括1干8支，西北起自新疆霍尔果斯，东南止于广东广州，输气管径1219mm，设计输气压力10—12MPa，设计年输气量300×108m3。2009年12月干线西段及靖边联络线投产;2012年底全线投产。

图2  西气东输二线管网走势图

陕京一线：干线总长约846km，西起陕西靖边首站，东止北京市石景山区衙门口门站，输气管径660mm，设计输气压力6.3MPa，设计年输气量30×108m3。1997年建成投产。

陕京二线：干线总长约980km，西起陕西省靖边首站，东止北京市通州门站，输气管径1016mm，设计输气压力10MPa，设计年输气量170×108m3。2005年建成投产。

陕京三线：干线总长约1000km，西起陕西省榆林首站，东止北京昌平区西沙屯门站，输气管径1016mm，设计输

气压力10MPa，设计年输气量150×108m3。2010年底建成投产。

川气东送管道：干线总长约1700km，西起川东北普光首站，东止上海门站，输气管径1016mm，设计输气压力10MPa，设计年输气量120×108m3。2010年建成投产。

1  管网压力能利用基本理论分析

天然气从上游高压管网到用户使用的低压管网，需要经过多级调压，逐级降压过程会造成大量的压力能损失，如果能将这部分压力能损失回收并加以利用，将有效提高管网运行经济性，提高能源利用率。

[用][火]是工质（如天然气）的状态参数，是其能量中理论上能够可逆地转换为功的最大数量，即为该能量中所具有的可用能。因而一定状态的天然气的[用][火]是指其具有的最大理论作功能力，可表示为：

ex=cp（T-T0）-T0（cpln-ln） （1-1）

式中：ex——天然气比[用][火]，kJ/kg;

cp——天然气定压比热容，kJ/（kg？K）;

T——天然气温度，K;

T0——环境温度，K;

R——摩尔气体常数，一般取8.3145kJ/（kmol·K）;

M——天然气的摩尔质量，kg/kmol。

p——天然气压力，MPa（绝对压力）;

p0——环境压力，MPa（绝对压力）。

就管道天然气而言，[用][火]受到环境温度、管网系统压力等因素的影响，[用][火]值与天然气管网压力成正比。

天然气高压管网输气压力一般为10MPa，温度为20℃（293.15K），当通过绝热膨胀把压力降低到次高压管网的0.8MPa，温度为零下63℃（210.15K）时，通过降压天然气能够提供的[用][火]为：

Δex=cp（T1-T2）-T0（cpln-ln）

Δex=1.93（293.15-210.15）-293.15（1.93ln-ln）=356.63kJ/kg（1-2）

若以2006年西气东输管道共计供气99×108m3/年，为例进行计算，则该管道天然气可回收的[用][火]为：

Ex=356.63×99×108×0.7174×273.15/293.15

=23600.75×108kJ                （1-3）

这相当于装机容量接近N=23600.75×108/8760/3600≈7.5×104kW的电站一年的发电量。如果能采用适当的方式对这部分能量损失加以回收利用，可在很大程度上提高能源利用率和天然气管网运行的经济性。

2  天然气管网压力能回收技术分析

随着我国天然气需求的快速增长和天然气管网的建设步伐不断加快，长距离、大口径、高压力、网络化已经成为我国天然气输气管网的发展趋势。目前我国部分管网输气压力普遍达到10MPa。若以管网上游输气压力为10MPa，下游用户端压力0.8MPa时，可回收的压力能将为356.63kJ/kg为例，将这部分能量加以回收利用，可以有效减少压力能损失，实现能源的高效利用。

目前，天然气管网余压余能的回收利用主要是余压发电和余压制冷两大方面，其中余压发电主要方式有直接膨胀发电、联合循环发电;而余压制冷的应用，主要包括：冷库、LNG调峰、天然气脱水等。

2.1 余压发电技术的应用

高压气体在降压过程中，因体积不断膨胀，会释放出大量的压力能，若降压过程在透平膨胀机中进行，则可对外做功，从而带动发电机发电。目前日本东电公司已利用此原理于2003年初建成一座7700kW的压差发电站。

利用输气管网余压能发电主要是基于天然气管网压力能回收的联合循环构思。目前国内比较有代表的方案是王松岭教授提出的：管道天然气压力能利用燃气—蒸气联合循环系统，高压天然气经过膨胀机膨胀做功后形成低压低温天然气，把低压低温天然气送入进气冷却器，在进气冷却器中冷却进入压气机的空气，而后在进气冷却器中升温的天然气进入凝汽器，进一步吸收蒸汽轮机排气余热从而温度进一步升高，再经过排烟余热回收器进一步吸热后天然气温度进一步升高，升温后的天然气被送入燃烧室与空气实现混合燃烧，推动燃气轮机发电。这种系统把天然气管道余压充分应用，并与燃气轮机、蒸汽轮机紧密结合，最大程度实现了系统化用能，有效地提高了能源的综合利用效率。天然气管道压力能回收利用的燃气—蒸汽联合循环系统示意如图3所示。

图3  基于天然气管网压力能回收的燃气

——蒸汽联合循环系统

2.2 余压制冷原理及应用

高压天然气在降压过程中因放热导致温度降低，气体体积膨胀后产生的低温流体中蕴含着巨大的冷量，因而可以利用高压天然气的调压过程的压力能进行制冷，这就是利用天然气余压制冷的原理。

利用高压天然气压力能实现燃气调峰一直是天然气压力能利用的重点研究方向，高压管道天然气经过膨胀机做功后变成低温低压天然气，将这部分低温冷能用于天然气液化，将生成的LNG输入储罐，用于用气高峰时调峰使用。天然气管道压力能用于天然气液化流程示意如图4所示。

图4  天然气膨胀机液化流程示意图

总体而言，目前天然气管网压力能利用在较大层面上仍处于理论研究阶段，实际的工程应用仍不多见。

3  天然气管网压力能利用的现实意义

虽然，天然气输气管网中所蕴含的巨大的余压能资源，可以广泛应用于发电、制冷、调压储气、生产LNG等诸多方面，但因天然气输气过程中需经过多级调压，且调压站布局比较分散，因此也给天然气余压能的实际利用带来了困难。

如果天然气运营企业能就近取材，在天然气调压站设置余压发电装置，利用调压站的调压前后气体的压力差来进行发电，则可提供场站内部所需的照明、冬季供热和远程监控等电力，解决调压场站内现实问题，则具有以下现实意义。

①每1kWh的发电量，相当于燃烧0.35kg标准煤，照此推算，每小时将产生0.785kg二氧化碳的排放。若利用高压管网天然气余压余能发电，可以有效减少碳排放，有利于节能环保。

②从长远来看，利用余压能进行发电可降低天然气企业的运营成本，带动天然气企业的升级，有效解决了偏远场站电力需求的问题。

4  结论

随着我国能源结构的不断调整，天然气管线的不断建成通气，天然气事业正面临前所未有的发展机遇的同时。然而蕴含在天然气管网中的巨大压力能往往被人忽视。通过本文[用][火]的分析可知，若能将管网压力能加以回收，用于发电和制冷，将极具发展潜力。

参 考 文 献

[1] 发展改革委、能源局组织.天然气发展“十二五”规划[[J].2012，3383.

[2] 发展改革委、能源局组织.重点区域大气污染防治“十二五”规划[J].2012，146.

[3] 中国能源.日本利用天然气压差发电[J].中国能源，2002，11：45.

[4] 王松岭，论立勇，谢英柏，等.基于天然气管网压力能回收的联合循环构思[J].热能动力工程，2005，20（6）：628-631.

[5] 伦立勇，谢英柏，杨先亮.基于管输天然气压力能回收的液化调峰方案[J].天然气T业，2006，26（7）：114-116.