天然气减压能发电技术的研究

敖曼+++李刚

摘 要：城镇燃气公司所接收的高压天然气，经过减压后送入城镇燃气管网。目前我国天然气门站的工艺均无法利用天然气的压力能，因此，大量的能源被白白损失。天然气压力能发电技术，可将压力能转化为电能，具有巨大的经济效益。

关键词：天然气减压能；发电；研究

1 城镇天然气门站工艺

城镇燃气公司销售经营天然气，通常是由上游大型能源企业通过长输管道供应的。为了长距离输送气体，天然气在埋地管道中的运行压力往往高达4.0-6.0MPa以上。以西气东输为例，国内段埋地管道经过十几个省市，国内主线长度超过四千公里，主线设计压力为10MPa。而城镇燃气用户，使用的天然气只有几千帕，例如：居民用户的灶台燃气压力只有2kPa。高压天然气通过上游能源企业的埋地管道，首先进入城镇燃气公司的天然气门站。天然气门站的主要工艺由过滤、计量、调压、加嗅、分输几部分组成。过滤是将高压天然气通过长途输送过程中携带的杂质去除；计量是为了与上游能源企业贸易结算设置的；调压是将高压天然气的压力降低；加嗅是防止天然气泄露用户无法查别；最后的天然气经过分输，送入城镇管网。城镇燃气天然气门站的调压工艺，并不是一次性地将来自上游来的高压天然气调压至最终用户使用的低压力。通常，门站将来自上游的4.0-6.0MPa的高压天然气调压之0.8-1.6MPa次高压进行分输。次高压天然气再通过城镇内的各级调压站调压，最终调至低压力级别0.01MPa以下，到用户的燃烧器进行燃烧。

2 能源的损失问题

上游大型能源企业在天然气输送首站，将从LNG接收站气化或是油井开采出来经过预处理的天然气用大型天然气压缩机加压至6.0-10.0MPa后，通过管线把燃气输送到城镇天然气门站。而在天然气加压过程中，需要消耗的大量的电能。同时，天然气在长埋地管道的输送过程中，其压力能也会有所消耗，所以在输送途中建有天然气加压站。由此可见，大型能源企业为输送天然气，消耗了大量的电能。

而从城镇天然气门站工艺中可以看到，来至上游大型能源企业的4.0-6.0MPa的高压天然气，最终调到0.01MPa以下进行燃烧。这一过程中，天然气的压力降高达400倍以上。以目前的燃气供应工艺，这些大量的天然气减压能，被白白的浪费掉了。

近年来，我国大力推动能源结构调整，鼓励以科技创新、技术改造等各种方式方法来建设节约型社会。如果将门站接受的高压天然气中所蕴藏的大量压力能回收利用，这将为城镇燃气供应企业带来大量的经济效益。既响应了国家要建设节约型社会的号召，又能为企业运行节约大量的资本金。因此，回收天然气压力能是一个即有创新意义、又有实际需要的课题。

3 天然气压力能的回收的可行性

一些发达国家已经开始意识到，长输天然气压力能的可利用性。而我们的邻国资源匮乏的日本，早在2003年，就已经实验性的简称了一座天然气压力能回收电站，其发电能力为7700kW，因投资较大，其经济效益一般。美国和加拿大都是天然气使用大国，因此，两国对天然气减压能的回收技术尤为重视。美国在90年代天然气减压能发电技术就已经开始进行实验性的应用。2008年，加拿大多伦多天然气门站建设的天然气压力能回收装置，其发电功率为2 200kW。

4 天然气减压能发电原理

4.1 减压发电系统工艺流程

天然气减压是一个降温过程，首先，高压天然气要首先经过预热。然后，高压天然气进入透平膨胀机，这是一个降温降压的过程。高压天然气通过透平膨胀机，将其内能转化为机械能。而后，由透平膨胀机速出的机械能在通过发电机转化为电能。而降压后的天然气，可以分输进入城镇管网。

4.2 透平膨胀机的工作原理

高压天然气进入透平膨胀机，通过其导流器的喷嘴后高速喷出，推动叶轮转动。而进入叶轮的高压天然气继续迅速减压膨胀，膨胀做功又再一次推动叶轮转动。随着高压天然气的不断进入，膨胀机叶轮飞速运转，由此，高压天然气所蕴含的大量内能转化为膨胀机的机械能。

5 天然气减压能回收计算

某一大型城镇燃气公司，每小时供应天然气量为200000m3，门站从上游接着天然气的到站压力为4.0MPa，天然气减压至0.8MPa后送入城镇次高压管网。

以此燃气公司为例，计算一下一年通过天然气加压能回收发电，可以节约多少电能。

天然气减压过程是一个吸热过程，因此，天然气减压时，气体温度会降低。为了保证下游管网运行安全，通常燃气在进入埋地管网，应保证其温度大于10℃。在城镇燃气运行过程中，门站内天然气减压前预热也是一项重要工况。

5.1 进口温度計算

天然气的减压过程可以简化视为理想气体（甲烷CH4）的绝热恒外压膨胀，其减压过程如下：

W=-Pex△V

=-Pex （V2-V1）

=-Pex（nRT2/P2-nRT1/P1）

W=△U=nCv，m（T2-T1）

r=Cp，m/Cv，m

Cp，m-Cv，m=R

r=Cp，m/Cv，m

由上述五式得：

T1=T2[■]

P1：甲烷减压前的压力，4.0MPa。

Pex：甲烷减压时对抗恒外压力，0.8MPa。

P2：甲烷减压后压力，0.8MPa。

T2：甲烷减压后温度，283K（10℃）。

r：甲烷的绝热系数，值为1.314。

n：1mol。

Cp，m：甲烷定压摩尔热容。

Cv，m：甲烷定容摩尔热容。

W：功。

△U：甲烷热力学能。

通过计算得：T1=350K（77℃）。

5.2 单位体积天然气绝热焓降绝热焓降的计算

△Hi=nCp，m×T1×[1-（P2/P1）（r-1）/r]

Cp，m：甲烷摩尔等压比热2.2kJ/kgK

T1：天然气入口温度350K（77℃）。

P1：甲烷减压前的压力，4.0MPa。

P2：甲烷减压后压力，0.8MPa。

r：甲烷的绝热系数，值为1.314。

n：1mol。

△Hi=246.4kJ/kg

天然气密度为0.75kg/m3，因此，单位体积的△Hi=184.8 kJ/m3。

5.3 透平膨胀发电计算

内能转化为机械能，再转化为电能的过程，如下：

L=G△HiηTηg

L：每小时透平发电机能力（kJ/h）。

G：天然气质量流量200000m3/h。

△Hi：单位体积天然气绝热焓降kJ/m3。

ηT：透平机效率，取0.8。

ηg：发电机效率，取0.9。

通过将数据带入上述公方，L=26611200kJ/h=7392kW/h。

即每小时可以发电7392度，每年约64000000度，按0.3元每度计算，每年可节约资金1900万元。

6 结束语

结合城镇燃气公司天然气减压工艺以及参考国外先进经验，可得出利用天然气减压能发电是可行的。通过实例，可得出减压能回收具有巨大的经济效益。因此，天然气减压能发电，具有深刻的经济意义和社会意义。