管道余压利用技术研究综述

王世明 龚芳芳 董超 李泽宇

摘  要：为了对目前管道余压利用技术进行探究，通过查阅国内外相关领域文献以及余压利用现场参数资料，对余压发电技术的研究现状进行了总结，并通过不同应用案例的综合性对比分析，提出目前余压利用技术存在的问题，并在发展潜力和趋势方面进行了展望。研究表明：企业高炉TRT设备的管理水平有限、余压发电系统传动损失以及利用技术的单一化是限制目前余压利用产业的主要因素，未来余压发电将成为节能减排的重要手段。

关键词：余压发电;管道;新能源;节能减排

中图分类号：TM619        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）11-0161-04

Abstract： In order to explore the current pipeline residual pressure utilization technology， the research status of residual pressure power generation technology is summarized by consulting the relevant literature at home and abroad and the field parameter data of residual pressure utilization. Through the comprehensive comparative analysis of different application cases， the existing problems of residual pressure utilization technology are put forward， and the development potential and trend are prospected. The research shows that the limited management level of blast furnace TRT equipment， the transmission loss of residual pressure power generation system and the simplification of utilization technology are the main factors limiting the current residual pressure utilization industry， and residual pressure power generation will become an important means of energy saving and emission reduction in the future.

Keywords： residual pressure power generation; pipeline; new energy; energy saving and emission reduction

引言

化石能源消耗帶来的环境污染、能源危机等问题日益显著，能源是制约国家工业、科技、经济发展的重要因素之一。人民生活水平的进步也致使了资源损耗的增加，目前资源损耗正在消减，生活的环境正在恶化。发展风能、太阳能、地热能、生物质能、余压余热等可再生能源利用技术将成为提高能源利用效率的重要措施。

在目前的工业、钢铁、冶金、化工等行业中，生产过程中经常产生大量的冗余压力能，由于传统节流降压方法为直接排放，未加利用，从而造成剩余压力能量的浪费，蒸汽在降温降压时，会损耗大量的蒸汽压力和温差，造成资源的极大浪费[1]。

管道余压利用技术是在工业过程中对高压能量进行回收和利用的技术[2]。高压能量通过透平机做功，驱动发电机进行发电，既可供管道井口本身使用，也可与市级电网连接。该技术既高效又节能，节省开支，也不会对环境造成任何形式的污染[3-4]。“十三五“节能减排综合工作计划明确指出，管道余压利用技术的应用是未来节能减排领域的重要举措。因此，研究管道余压利用技术在这一社会环境中的应用已成为必然趋势[5]。

本文对管道余压发电的国内外研究现状进行了总结，并介绍了相关技术原理，指出目前研究中存在的问题，提出下一步余压发电领域的发展趋势。

1 管道余压发电研究现状

1.1 国外研究现状

1969年，苏联初次成功实验了余压发电。日本川崎钢铁公司已经在21座高炉上安置了这类发电机，每个月能产生1.2亿度的发电量。据析，钢铁厂的高炉在完全安装了顶压发电机后，可提供该厂5%的电力消耗。

2003年头，日本东京电力公司动手制作一座天然气压能发电站，该电站采用高压天然气在减压工程中的膨胀过程发电，设计发电能力为7700kW，是世界上为数不多的天然气发电站[6]之一。美国已研制出多级膨胀式机械能设备，并已申请专利。图1为此多级膨胀机械能装备的流程图。

日本最近几年提出了操纵现存可用水路的“微水电“发电的遍及线路，道理是在已有的输水管道上安置微水电装配，对管路中的过剩水压力能举行收受接管操纵。采取的具体方法是：搜集水力数据并做成数值计算模型;经由过程计算讨论微水力发电的可能性;将模型一般化的模型寻找适合于输水道设置微水力发电城市，探讨和解决规划建设时应注意的问题。

2008年，美国罗岗市利用沿峡谷铺设的8350m的管道，用小型的水轮机来替换减压阀，不但可以起到减压作用，还可以将多余的压能转化为可用电能[8]。除此之外，英国将在伦敦的天然气输气管网上安设了与生物燃料结合的发电量为20MW的机组。美国兰斯能源有限公司依据螺杆膨胀机技术发明了压降的燃气发电装置，该技术与传统涡轮相比膨胀机可靠、稳定、耐用、投资少、维护费用低，对各种工况适应性强，并随着液体体积的增加，膨胀机间隙降低，泄漏减少，绝热效率提高。

1.2 国内研究现状

19世纪60年代、70年代，四川石油勘察规划设计院[9]曾展开天然气压能发电机研制事情，并取得了功效。他们研发的装置在天然气进口压力4MPa，出口压力2MPa，日通过气量7至10万m3时，可发出3.5kW的电能。发电效果相当于一台TQ-4-1/230型汽油发电机。发出的电能可供给本井或集气站用于生产及生活照明等[10]。但该装置受当时技术的限制，装置存在发电电压不稳，密封易坏等问题[11]。

1987年，四川石油管理局川南矿区科研所研发了井口天然气压降膨胀发电机[12]。此发电机透平系统采用冲动式复速结构，调速系统由液压调速器和调节转阀组成，密封系统由机械净化器、密封环和冷却油泵组成[13]，此装置改善、优化了之前余压发电系统中电压不稳、密封易坏等问题。

2005年，王松岭等人提出了天然气管网压力能回收的燃气-蒸汽联合循环的观点，如图2所示，此循环系统经由过程收受接管天然气输送管网压力能、天然气降压冷能和天然气燃烧热能进步能源的综合利用率[14]。

2012年，林牧等人提出采用气液旋流膨胀机的井口天然气余压发电系统[15]。如图3所示，该系统的发电单元为一台气液旋流膨胀机与一台发电机通过将多个发电单元串、并联混合排布的方式，灵活调整发电系统压能利用效率，提高天然气压力能的利用率。

2013年，刁安娜等学者提出利用螺杆膨胀机将高压天然气的压差能转化为机械能进行发电的天然气压差发电方案[16]。装置的核心部件使用螺杆膨胀机，能够很好地解决气流带液的问题，对各种工况的适应性较强。装置最高转速为相同气量的透平膨胀机的1/8至1/10，转速较低，装置运行可靠。

2015年，胡睿等提出了一种天然气压力发电装置[18]。如图4所示，该装置将转轴沿着管体轴向方向放置，且可在管体内部转动，磁铁套接固定在转轴上，叶轮套接固定在转轴上，导电线圈安装在磁铁周径的管体的外壁上，导电线圈的两端部连接有电缆。此装置将天然气膨胀机与发电机结合起来，不仅可以缩小系统的体积，而且节约成本。

国内关于井口天然气余压发电技术的研究发展迅速，相关专利越来越多，具有代表性的还有：（1）一种低压氮气余压发电系统（CN201820101041）;（2）一种轮回水余压发电装置（CN201810319032）;（3）天然气余压与燃气轮机耦合联供体系、管网体系及方式（CN201810210008）;（4）一种输油管道自激励余压发电装配（CN201721863031）;（5）輪回水冷却塔专用余压发电机组（CN201720681449）;（6）一种TRT余压发电保高炉顶压安全控制装置（CN201610753872）;（7）一种基于单螺杆膨胀机的天然气输送管线余压发电系统（CN201520711201）;（8）一种新型高压液体余压发电体系（CN201420447159）等。

国内外学者对管道余压发电的研究过程不仅表明了管道余压发电方案的可行性，而且根据数据表明管道余压发电技术是一种绿色环保技术，它通过循环利用中产生的高压能量来产生电能，全过程零排放、零污染。从长远来看，余压发电技术的规模、潜力和市场需求将保持稳定增长，余压发电技术将成为一种更具有价值的新技术。

2 余压发电原理

2.1 余压发电基本原理

管道余压发电系统采用超压流体介质在膨胀机中进行绝热膨胀，内部能量减少而外部发电机由膨胀机驱动，将能量转化为电能，回收利用。过程当中，能量转化效力和发电性能受体积介质参数、膨胀机性能、润滑油体系等多种因素的影响。

如图5所示，余压发电体系根据高压气体降压膨胀降压转化气体的流动功转换为机械能的原理，实现回收余压能并将其转化为电能，余压流体介质经储气罐进入膨胀机降压降温，降压降温过程中，利用膨胀机把余压能转换成机械能，然后经由发电机转换为电能，剩余气体在储气罐稳压处置后供后续工艺利用或直接排放[20]。

余压流体介质在膨胀机中时，其热力过程会使气体温度下降[20]。为解决低温对装备的影

响，通常采取如下两种解决措施：

（1）在降压前操纵电加热器、内燃机余热和其他可用余热等预加热。

（2）设计耐低温膨胀机，保留气体冷能。这样可以利用降压后的复热过程，充分利用压能、冷能实现发电。

2.2 余压发电实例/余压利用技术

（1）TRT高炉煤气余压发电技术

图6是高炉煤气炉顶余压透平发电系统（TRT），此系统利用高炉炉顶压力能和热能，利用透平膨胀进行二次能量收装置和驱动发电机发电，煤气是高炉冶炼的副产品[21]。也就是说，高炉煤气的残存压力经由过程燃气轮机系统转化为机械能，最后将机械能转化为电能，能量通过发电机组;TRT体系与减压阀组并联（已安置了高炉），即高炉煤气主动调节，通过透平静叶控制，TRT后将气体从煤气主网络中取出，当涡轮封闭或空载工作时，操纵减压阀组控制炉顶压力。TRT装置由透平主机、大型阀门系统、润滑油系统、液压伺服系统、排水系统、氮气密封系统、高＼低发配电系统、自动控制系统八大系统部分组成[21]。

（2）天然气余压发电系统

天然气降压系统主要由膨胀机、发电机、热换器、稳压阀等部件组成，系统主要布置在高压管线与低压管线之间[22]。机械能的来源是膨胀机转换余压能发生的，机械能再传递给发电机转换成电能。设备可能会需要配备燃料电池，防止因膨胀机内温度骤降造成霜冻损坏设备。稳压阀起稳定管道内气流作用，确保膨胀机能够稳定运行。

（3）余压直接利用

减少能源转换次数对节能减排具有重要的意义。反渗透海水淡化采取的正位移式能量回收装置，整个能源转换过程仅为“压力能-压力能”的转换，即直接把高浓度盐水的余压传递给进料海水，整个工作过程的能源传递效率可达91%至96%[21]。轮胎企业用压缩空气余压清洁管道内灰尘及炭黑的方法也是余压直接利用的一种典型应用。

（4）余压制冷技术

介质压力能释放过程降温已经应用于空调、天然气脱水、空分等领域。对比常见的余压只能装备有膨胀机、涡流管、节流阀和气波制冷机等。膨胀机制冷具有气体温降大、复热时制冷量大等特点，但结构较复杂。节流阀在通过高压介质时气体的温降小、制冷量小，但其结构简单且便于气体流量调理。涡流管主要应用在高速气流中，装置可以产生涡流把气流分离成冷、热两股气流，并分别利用。气波制冷机可将气流的压力能转换成速率并做压缩功，经激波和膨胀波运动，实现冷热分离。

3 目前尚存在的问题

目前，我国高炉TRT装备发展不平衡，现有装备技术有待提高。依然有一些高炉需要增添TRT装备。现有TRT设备的整体运行状况不理想，也是当前需要注意的问题。大部分高炉仍配备湿式除尘装备，发电潜力较大。某些企业的TRT设备管理不到位，导致TRT设备无法达到额定工作能力。

余压发电设备在工作时会因节流、导热、摩擦等因素造成能量损失。余压发电作为一个有机整体，影响其装备整体发电量的往往是体系的各个部件，对装备的各个部件的优化影响着系统的发电效率，同时也影响着余压发电装备的制冷，对余压发电设备从各部件到整体的优化对提高能源转换率具有重要的意义[20]。

虽然余热压力发电有许多明显的优势，得到了政府的鼓励和支持，但余热压力发电很难实现。要连接到电网，国家优惠政策难以落实，有关部门收费不合理的突出问题还没有得到很好的解决。由于一些政策规定不明确，行政和管理部门从各自部门的角度来看，有不同的理解。特别是个人电网机组从地方利益出发，被动或故意设置残余热压机组并网运行障碍，收取系统备用费等费用。收费，电网联网管理，这就增加了余压发电的成本也挫伤了工业企业的积极性，制约了正常运行余压发电技术的发展。希望这些问题能够尽快得到妥善解决。

4 未来发展趋势

中国是一个人均资源稀缺的国家，资源的过度开发和低效利用加深了供需矛盾。资源欠缺和资源的低利用率已成为制约我国经济社会可持续发展的重要因素。余压发电是提高资源利用率的有效途径。它可以减轻资源短缺问题和环境污染问题。这也是减缓资源和环境制约的有效措施。余热余压发电有很大的潜力确保资源高效合理利用，促进“高消费、高排放、低效率”粗放型发展模式转变的优势。

随着技术的进步，在大规模实施中，余壓发电一定会成为一条将废物转化为财富，将危害转化为利益的有效途径，成为节能减排的重要手段，在建材、冶金、炼油、化工等大多数大中型能源企业，一定会发挥越来越大的作用。

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