基于㶲分析的天然气膨胀压差发电-LNG联产工艺系统用能评价

吴浩*，李治东，王晓娜，成庆林

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室）

0 引言

当今，世界各国能源消耗的趋势逐渐向“碳中和”、可持续的方向转变。天然气作为一次能源中较为清洁的能源之一，每年的消费比重在不断增加[1]。天然气自井口采出，到集气站、净化处理厂，以及之后的外输，最终送至用户，整个过程大都离不开管道输送，其中很多环节都需要通过调压阀降压，降压的同时会引起温度的骤降，在造成压力能和冷能损失的同时，还有可能发生管道内结冰等严重事故。因此越来越多学者将目光聚集于此，在保证安全生产前提下，提出很多方法对这部分节流造成的压能损失和冷能损失进行合理回收利用[2-3]。

2013年，陆涵[4]以中国首个天然气压力能发电-制冰系统的示范工程项目为研究对象，提出采用星旋流体马达替换螺杆膨胀机，改造后整套工艺系统的㶲效率为42.6%，发电量为120 kW；2015年，张超等[5]探究了相关运行参数对膨胀压差发电量的影响，发现存在一个最佳膨胀机进出口压力配比使得净发电量最大；2017年，赵先勤等[6]开展了天然气压力能发电项目，针对螺杆膨胀机进行了热力学分析，定义了新的指标用于估算实际发电功率，通过计算投资回收期确定项目具有的可实施性；2019年，商艳红等[7]针对涪陵焦石坝页岩气开采现状，提出了采用螺杆膨胀机和针型阀二级减压的流程，从技术经济学角度论证了通过膨胀机回收调压过程压差能量用于发电的可行性；2021年，熊亚选等[8]针对燃气系统提出了一种膨胀机调压发电流程，系统日净发电量为60.9 kW·h，具有一定的节能效益。虽然目前关于天然气压差发电的研究很多[9-12]，但是这些发电技术普遍模式单一，对于输气量变化大的气源适应性较差[13-14]，因此亟需寻找工艺更为灵活、节能效果更好的替代技术。

本文在前人研究的基础上，提出了一种膨胀压差发电-LNG（液化天然气）联产技术，在回收利用天然气压力能和冷能的同时，还可以根据现场实际情况或需求决定是否需要生产副产品LNG，增加了压差发电工艺的弹性与灵活性。结合热力学㶲分析方法，从能质的角度出发，分别建立了联产系统的“黑箱”与“灰箱”㶲分析模型；所建立的模型不仅可以从设备自身角度单独评价其用能状况，还能从整体角度全面评价联产系统用能状况。以中国西南部某气田为应用实例，通过计算各用能设备和总系统的㶲损失、㶲损率、㶲效率等㶲分析评价指标，准确识别整个发电-LNG系统的用能薄弱环节，为联产系统进一步提高能效提供了理论依据。

1 膨胀压差发电-LNG联产过程模型

中国西南部某气田区块共计16口气井，气井平均产量为 31×104m3/d（20 ℃，101.325 kPa），气井平均井口压力为25 MPa，井口温度为105 ℃，采气后经井口节流阀节流再进行后续输送。根据气田的生产现状及运行模式，通过Aspen Plus工艺流程模拟软件，对可适用于当前状况的膨胀压差发电-LNG联产工艺流程进行了数值模拟，并在此基础上进行了分析计算。

1.1 工艺流程

该膨胀压差发电技术的工艺流程为：高压天然气来气分为两股，一股流量占比70%的天然气直接进入膨胀机1进行一次膨胀后降温，同时带动发电机1发电，而后进入换热器1充当冷流；另一股流量占比30%的天然气直接进入换热器1充当热流，两股气流在换热器1中进行换热；冷流升温后进入管道正常输送，热流降温后进入膨胀机2进行二次膨胀后再次降温至天然气露点以下，液化生成副产品LNG，同时带动发电机2发电。而当来气量较大时，多余气体也可在一次膨胀后直接进入换热器2，通过循环系统加热后进入管道正常输送，工艺流程如图1所示。

图1 天然气膨胀压差发电-LNG联产工艺流程

1.2 Aspen Plus模型建立

根据工艺流程，运用Aspen Plus软件进行过程模拟。首先，根据实际情况输入天然气组分（见表1）；其次，建立模型（见图2），并输入设备及流股（1～11，S1）的初始参数（见表2）。

表1 天然气组分

图2 Aspen Plus模型

表2 初始参数

1.3 Aspen Plus模拟结果

Aspen Plus 软件物流模拟结果见表3。由表3可知，所设计工艺流程发电量可达2 525.32 kW·h，由于膨胀机2进出口压比为7.5，因此选用压比最大可达40的活塞式膨胀机，其出口温度为-102.35 ℃，液化率能够达到56%，LNG产量可达566.06 t/d。

表3 物流参数

2 膨胀压差发电-LNG联产㶲分析模型

从能质的角度出发，运用㶲分析方法，建立了膨胀压差发电-LNG联产技术“黑箱”与“灰箱”㶲分析模型。该模型不仅可以分别评价系统中各设备用能情况的好坏，还可以根据㶲效率、㶲损失、㶲损率等评价指标来分析整个系统的用能情况，最终确定系统中的用能薄弱环节或设备。

2.1 “黑箱”㶲分析模型

天然气物流㶲值的计算方法如下：

式中：Ex——㶲值，kJ/kg；h——㶲流的质量焓，kJ/kg；s——㶲流的质量熵，kJ（/kg·K）；h0——环境的质量焓，kJ/kg；s0——环境的质量熵，kJ/（kg·K）。

2.1.1 膨胀机1

膨胀机1的“黑箱”㶲分析模型如图3所示。其中：Ex2——膨胀机 1入口㶲，kJ/kg；Ex3、Ex4——膨胀机1出口㶲，kJ/kg；Exloss1——膨胀机1㶲损失，kJ/kg；W1——膨胀机1产生的机械能㶲，kJ/kg。

图3 膨胀机1“黑箱”㶲分析模型

2.1.2 发电机1

发电机1的“黑箱”㶲分析模型如图4所示。其中：Exele1——发电机 1产生的电㶲，kJ/kg；Exloss5——发电机1㶲损失，kJ/kg。

图4 发电机1“黑箱”㶲分析模型

2.1.3 膨胀机2

膨胀机2的“黑箱”㶲分析模型如图5所示。其中：Ex5——膨胀机2入口㶲，kJ/kg；Ex8——膨胀机2出口㶲，kJ/kg；Exloss2——膨胀机2㶲损失，kJ/kg；W2——膨胀机2产生的机械能㶲，kJ/kg。

图5 膨胀机2“黑箱”㶲分析模型

2.1.4 发电机2

发电机2的“黑箱”㶲分析模型如图6所示。其中：Exele2——发电机 2产生的电㶲，kJ/kg；Exloss6——发电机2㶲损失，kJ/kg。

图6 发电机2“黑箱”㶲分析模型

2.1.5 换热器1

换热器1的“黑箱”㶲分析模型如图7所示。其中：Ex1——分流后进入换热器 1的㶲，kJ/kg；Ex5——换热器1流入膨胀机2的㶲，kJ/kg；Ex6——换热器1出口㶲，kJ/kg；Exloss3——换热器1㶲损失，kJ/kg。

图7 换热器1“黑箱”㶲分析模型

2.1.6 换热器2

换热器2的“黑箱”㶲分析模型如图8所示。其中：Ex4、Ex10——膨胀机1、泵流入换热器2的㶲，kJ/kg；Ex11、Ex12——换热器2出口㶲，kJ/kg；Exloss4——换热器2㶲损失，kJ/kg。

图8 换热器2“黑箱”㶲分析模型

2.1.7 泵

泵的“黑箱”㶲分析模型如图9所示。其中：Ex10——泵供给㶲，kJ/kg；Exele3——泵消耗电㶲，kJ/kg；Ex13——泵入口㶲，kJ/kg；Exloss7——泵㶲损失，kJ/kg。

图9 泵“黑箱”㶲分析模型

2.1.8 加热炉

加热炉的“黑箱”㶲分析模型如图10所示。其中：Ex14——加热炉消耗的燃料㶲，kJ/kg；Exloss8——加热炉㶲损失，kJ/kg。

图10 加热炉“黑箱”㶲分析模型

2.2 “黑箱”模型㶲分析评价指标

根据各用能设备的“黑箱”模型，可以得出㶲损失、㶲效率和㶲损率等㶲分析评价指标的计算方法，如表4所示。

表4 㶲分析评价指标计算方法

2.3 “灰箱”㶲分析模型

膨胀压差发电-LNG联产系统“灰箱”㶲分析模型如图11所示。系统总㶲损为：

图11 “灰箱”㶲分析模型

式中：ExlossT——系统总㶲损，kJ/kg。

系统㶲效率为：

式中：ηT——系统㶲效率。

3 膨胀压差发电-LNG联产㶲分析模型求解

3.1 模型求解

根据天然气组分及基础参数值，运用㶲分析评价指标计算方法，计算得到各用能设备及总系统的㶲分析评价结果，如表5所示。

表5 㶲分析评价指标计算结果

整体看，通过对膨胀压差发电联产 LNG技术“灰箱”㶲分析模型的求解计算，得出其总㶲损失达到1.298×107kJ/h，整体㶲效率为74.25%；相对于仅使用节流阀节流，或是直接膨胀发电技术，用能水平均有较大提高。

局部看，膨胀机的㶲损失最大：膨胀机 1㶲损率为51.42%，膨胀机2的㶲损率为8.23%，膨胀机的总㶲损率为59.65%；且膨胀机的㶲效率相对其他设备也较低，分别为 63.87%和 59.54%。而其他用能设备的㶲损失相对较低，总共仅有40.35%，且㶲效率相对较高，用能情况良好。综合分析后认为，膨胀机为整个发电过程中的用能薄弱设备，可有针对性地进行改进，提高用能效率。

3.2 改进措施

通过以上计算和分析，确定了膨胀机为天然气膨胀压差发电-LNG联产工艺系统的用能薄弱设备。若要深入分析膨胀机所有外部排放㶲损失与内部不可逆㶲损失机制，从而切实有效地提高设备㶲效率，还需针对其进一步构建更为精细的“黑箱”与“白箱”相结合的㶲分析模型。本文从定性角度提出膨胀机运行中主要的用能改进措施，在提高能量利用效率的同时，可降低其㶲损失和㶲损率，达到更好回收利用天然气压力能的目的。

3.2.1 改善气密性

改善膨胀机装置的气密性，包括调整叶轮与壳体之间的间隙、扩压器和工作轮之间的间隙，这样既可以减少内泄漏的损失，还可以使天然气的压力能更多地转换为叶轮的机械能。

3.2.2 更换导流器

检查导流器是否出现损伤，主要检查流道、切口处。导流器出现故障会引起其内部气体的焓降与动能的增加，很大程度地降低天然气的能量转换效率。通过更换导流器，可以降低其出口压力，加强内部天然气的能量转换效率。

3.2.3 降低流动损失

影响流动损失的原因有很多，其中包括膨胀机的流道是否与天然气的流向相匹配、流道内部的表面光滑程度、流道内部的磨损程度、设备内部各部分的摩擦损失等。需要对流道内部进行清洗，去除表面的杂质残留，若磨损严重则需要及时更换；可在叶轮转子等位置适当添加润滑油以减少摩擦损失，从而有利于更高效地回收利用天然气压力能、冷能等。

4 结论

本文提出的天然气膨胀压差发电-LNG联产工艺——将高压天然气分流后分别进行膨胀发电，且热流经与冷流换热降温并再次膨胀降温后生成LNG，可达到同时回收利用天然气压力能和冷能的效果。

利用建立的天然气膨胀压差发电-LNG联产系统主要用能单体设备的㶲分析“黑箱”模型与总系统的㶲分析“灰箱”模型，对中国西南部某气田进行应用分析，结果表明，系统整体㶲效率高于采用节流阀或直接膨胀发电技术，可达74.25%，其中膨胀机的总㶲损率为59.65%，确定其为系统进一步用能改进的主要目标设备。