天然气压差发电技术在地下储气库的应用

朱力洋 熊 波 王志军 邹 银 钟明朗

1.中国石油西南油气田公司 2.中国石油西南油气田公司市场开发部 3.中国石油西南油气田公司输气管理处

0 引言

压差发电技术是利用工业生产中所产生的压力差能量，将其回收转化为机械能，驱动发电机发电的技术。天然气压差发电技术充分利用天然气的压力能来发电[1]，该技术可有效解决天然气调压过程中产生的管道振动、噪音和急速降温产生冰堵等问题，充分利用天然气内能且不产生污染，满足零排放标准[2-4]。

国内外关于天然气管网压力能利用技术理论研究较多，主要包括将电能及冷能用于发电、调峰、制冷和天然气管网调压等[5-9]。近些年，我国天然气消费量呈两位数快速增长，天然气消费的季节性、区域性差异更加明显，地下储气库（以下简称储气库）用于天然气应急调峰和战略储备的意义也愈加凸显[10-11]。较之于常规天然气管网调压，储气库有更大的、周期性的压差及流量[12]，如果能将这部分能量回收，将极大地提高天然气能量利用率和天然气管网运行的安全性[13]。为此，以国内某储气库为案例，探讨了如何将国内应用广泛的天然气压差发电技术应用到储气库项目。

1 天然气压差发电技术

1.1 工作原理

膨胀机按能量转换方式的不同，可分为速度式膨胀机和容量式膨胀机两大类[14]。透平膨胀机压差发电是指利用天然气压力能驱动透平膨胀机转子，通过齿轮箱、联轴器，把机械能传递给发电机，使发电机工作发电[15-17]。为了综合利用能源，同时避免天然气加热消耗电能，可以利用冷能制冰或给冷库供冷。因此，透平膨胀机的主要特点是既可降低输气压力做功，又可获得制冷效果。

1.2 膨胀机性能对比

膨胀机的性能直接影响到发电系统的整体发电效率[18-22]。几种常见膨胀机的性能对比分析如表1所示。

综上如述，按照不同的进出口压力等级、流量和气质组成，建议在天然气储气项目中可采用透平膨胀机或螺杆膨胀机。

表1 几种常见膨胀机性能对比分析表

2 实例应用分析

中国石油西南油气田公司相国寺储气库（以下简称相国寺储气库）位于重庆市渝北区、北碚区境内，于2013 年6 月注气投运，2014 年12 月调峰采气。设计运行压力介于13.2 ～28.0 MPa，库容量为42.6×108m3，垫底气量为19.8×108m3，工作气量为22.8×108m3，最大日注气量为1 253×104m3，同时考虑季节调峰和应急情况需要，最大日采气量为2 855×104m3。2019 年采气量为16.76×108m3，用电量为5 663×104kWh，电价为0.599 元/kWh。

2.1 采气工艺流程

储气井采气工艺流程如图1 所示。采出的高压天然气（13.5 ～25.5 MPa，20 ～40 ℃）经计量、井口节流到外输压力（小于13.5 MPa）后，再通过采气干线输往集注站。井口设置有高、低压安全截止阀，进、出站管线上设置有紧急截止阀，可在紧急、事故工况下及时截断气源。

2.2 注气工艺流程

与采气相比，注气可视为采气的逆过程，由于入口压力一般为次高压天然气（压力小于13.5 MPa，温度介于－5 ～26 ℃），低于储气库压力。因此，实际工作过程中需要额外增加增压设施以提高天然气压力。

2.3 透平膨胀机装机规模

储气井工艺参数如表2 所示。

参考表2 参数，在350 000 ～430 000 m3/h 时，根据设备特点，拟采用1 套透平膨胀发电机组用于减压发电，电力输出额定功率为1 800 kW，项目在各工况下的输出功率如表3 所示。

通过调研，暂定在相国寺储气库5 号注采站井口采气调节阀上设置旁通，安装透平膨胀机（图2、3）。

图1 储气井采气工艺流程图

表2 储气井工艺参数表

2.4 项目经济性分析

根据上述热力学计算，在相国寺储气库安装1 台1 800 kW 透平发电机，每小时净发电量1 747 kWh，每年发电611×104kWh（按采气3 500 h 计算），每年节省电费301 万元。项目技术经济性分析见表4。

根据项目投资估算，项目总投资为1 526 万元（项目建筑工程投资约400 万元，设备购置费600 万元，安装工程200 万元，工程建设其他费用276 万元，预备费50 万元），项目利润约301 万元，税后内部收益率为13.08%，动态投资回收期为7.84 年（含建设期）。

表3 项目各工况下的分析计算表

图2 天然气透平膨胀发电机组原理图

3 结论

1）相国寺储气库压差发电项目投资较少，经济效益较好，是天然气行业实现节能降耗、绿色发展、提质增效的重要技术手段。如果项目试点成功，可在全国新建储气库全面应用，将产生良好的示范作用。天然气净化厂、LNG 工厂和干线输配气站等单位的天然气流量和压差较大，有大量的压能可以回收。

图3 天然气透平膨胀发电机在输气站场的安装示意图

表4 项目经济性分析表

2）由于储气库采气期自身用电量少，将产生大量富余电力，有关单位可以和国家电网协调，交纳一定过网费，向油田内部用电大户（如天然气增压站、天然气净化厂等）定向供电，解决储气库发电富余电力的销售问题。

3）在实际应用中，压差发电技术仍存在一些需要解决的问题，如膨胀机的密封问题，在透平膨胀机高转速运行条件下，存在较大的噪音等，在天然气压差发电系统商业化运行前，必须经过多次中试实验，以解决系统运行过程中可能存在的问题。