多级膨胀天然气压差发电模拟及发电能力分析

1 概述

近年来，我国天然气管网的建设规模越来越大，天然气长输管道输气压力也越来越高,如西气东输和陕京二线管道压力达到10 MPa

。为保证城市各级管网安全、有序运行，天然气输送至城市时需在门站进行调压。通过天然气压差发电工艺回收利用天然气压力能，符合节能减排政策，带来经济和社会效益。

创新是企业发展的关键，是企业的第一驱动力。而核心能力是一种与众不同的能力，它不是企业中某一种具体的能力或优势，而是一种将多种优势进行整合后形成的能力，它为企业带来长期持续的竞争优势并使其获取超额利润，且一旦形成，便具有相对稳定性，不易失去。企业核心能力是指在企业发展过程中整合能力已经达成重要共识的能力，唯有如此才能培育出属于本企业的持续竞争力，也才能提高企业的综合能力，从而奠定企业更坚实的技术和管理基础。

迄今为止，有关天然气压差发电技术的研究已逾30 a。2003年，日本东京电力公司率先建成利用天然气压差发电的发电站，功率达7 700 kW

。2011年，深圳燃气公司与华南理工大学合作，在求雨岭天然气门站(流量设计规模为1.5×10

m

/h

)，建设了调压设备压差利用的天然气发电和制冰的联合工艺项目。尽管天然气压差发电工艺已有众多项目落地，但天然气压差发电工艺尚不成熟，压差发电系统发电量低的问题并没有得到有效解决,因此本文提出一种等膨胀比两级膨胀中间加热的压差发电系统，对比单级膨胀分析其原理,证明多膨胀级的发电工艺具有更强的发电能力，通过对实际项目做两级膨胀工艺的数值模拟，计算其发电量增益，并验证多级膨胀压差发电的工艺的可行性。

2 常用天然气压差发电工艺特点分析

① 单级膨胀压差发电

高压天然气流经膨胀机，驱动膨胀机带动发电机运转，膨胀机做功产生机械能，传递给发电机发电。天然气在膨胀机中膨胀可视为等熵过程，产生焦耳-汤姆逊效应，膨胀过后天然气温度降低

，需要在膨胀机后设加热器。直接膨胀式发电工艺在膨胀机后设加热器，优点是建设投资少、工艺流程简单、使用设备少、操作难度低，缺点是发电功率低。联合式发电工艺的发电功率高于直接膨胀式，但其增加了一个朗肯循环，循环所用低温工质是工艺运行的关键因素

，联合式发电工艺设备多、投资高、控制系统复杂。目前，联合式发电工艺广泛应用于LNG冷能发电

。

天然气在膨胀机中的膨胀过程是一个热力过程，在天然气上、下游压力相同的情况下，忽略膨胀机的机械损失及管道、阀门的阻力，天然气的膨胀过程可认为是等熵过程，单级膨胀与两级膨胀的

-

图与

-

图分别见图 1、 2，单级膨胀与三级膨胀的

-

图见图 3。本文中二级膨胀指两级膨胀或多级膨胀过程中的第二级膨胀过程。图1～3中const表示常量。

——二级膨胀入口天然气的比焓，kJ/kg

天然气多级膨胀压差发电工艺由多个膨胀机与多个加热器串联组成，高压天然气流经多个膨胀机，压力逐级降低，直至压力降至下游所需压力。在相邻膨胀机之间设置加热装置，通过中间加热提高每一级膨胀机的天然气进口温度，进而提高发电功率与出口天然气温度。该工艺可避免膨胀机长时间低温工况运行，延长膨胀机寿命，同时可防止天然气出口温度低于管道韧脆转变温度而引起安全事故

。

3 单级膨胀、多级膨胀工艺发电功率分析

为研究单级膨胀与多级膨胀工艺发电功率差异，本文基于工程热力学知识，利用

-

图与

-

图，探究单级膨胀与多级膨胀工艺天然气膨胀过程，以及对外输出的技术功与发电功率。

② 多级膨胀压差发电

由图 8 可知，随着中间压力增加，加热功率呈增加趋势。在中间压力为2.7 MPa时，加热功率为290.7 kW，此状态为加热功率曲线变化的拐点。

式中：P1、P2为断面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ处的静压，Pa；ρ1、ρ2为断面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ处的空气密度，kg/m3；v1、v2为断面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ处的风速，m/s；Z1、Z2为断面Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ处的标高，m；g为重力加速度，取9.8 m/s2；hr为风流从断面Ⅰ—Ⅰ到断面Ⅱ—Ⅱ过程中的阻力损失，Pa。

式中

——单级膨胀过程技术功，kJ/kg

虽然我有幸比同龄人走得快一点，但也只是走得快，我们要走的路很长，起步快，并不意味着一直都会特别快。顺利归顺利，但千万不能进入到一个温水煮青蛙的环境里。

本课程采用双线并行贯穿项目的课程模式。学生运用课内项目中学到的知识和能力，基本上独立完成课外项目，使学生在做的过程中，学到系统的知识和综合职业技能。

(1)

单级膨胀过程在图1、2中表示为过程线1→2′→3′，单位质量天然气单级膨胀输出的技术功为：

——天然气比体积，m

/kg

——天然气压力，Pa

——入口天然气的比焓，kJ/kg

——出口天然气的比焓，kJ/kg

膨胀过程的技术功在

-

图上表示为过程线1→2′→3′与纵坐标轴之间的面积。

② 多级膨胀压差发电工艺

两级膨胀中间加热过程在图1、2中表示为过程线1→2′→2→3，其中过程1→2′为第一级膨胀过程，过程2′→2为加热过程，过程2→3第二级膨胀过程。两级膨胀过程的技术功见式(2)，中间加热过程的单位质量加热量见式(3)。

(

-

)

(2)

=

-

(3)

——一级膨胀入口天然气的比焓，kJ/kg

式中

——两级膨胀过程技术功，kJ/kg

——一级膨胀出口天然气的比焓，kJ/kg

深入参与多边国际合作。精心组织参加联合国机构有关会议等重要国际水事活动。积极参加第七届世界水论坛筹备工作，跟踪了解论坛筹备信息。积极支持我国水利专家担任国际组织职位后开展工作。继续充分利用中欧水资源交流平台，结合水利现代化试点建设、水生态文明城市建设，精心策划政策对话、科研交流、商务合作各方面的活动。

2.5 施工安全与安全管理人员的关系自从安全提到了施工生产、企业管理的议事日程后，施工工地、生产车间便设立了安全管理人员。安全员是企业安全的监督者，无论是兼职安全员还是专职安全员其责任都很重大，这个岗位与职工安全密切相关。安全管理人员的专业水平、技术能力及安全管理的经验、责任心对所辖的范围关系重大，是落实、执行国家安全法规、企业安全制度、各工种工序的行为规范最具体的管理和监督层。

——二级膨胀出口天然气的比焓，kJ/kg

——单位质量加热量，kJ/kg

两级膨胀工艺输出的技术功在

-

图上表示为过程线1→2′→2→3与纵坐标轴之间的面积。分析可知，在上、下游压力相同的情况下,单位时间内两级膨胀工艺输出的技术功更多，多出的部分为图形2′233′的面积。根据图2,采用两级膨胀工艺,膨胀机出口的天然气温度均高于单级膨胀工艺。因此，理论分析证明，两级膨胀工艺在发电功率与天然气出口温度方面均高于单级膨胀工艺。

图3中，三级膨胀过程线为1→2′→2→3′→3→4。三级膨胀较单级膨胀增加的技术功表示为图形2′23′3″与图形3″344′的面积之和。相同上、下游天然气参数的两级膨胀与三级膨胀工艺相比，图3中图形2′23′3″与图形3″344′的面积之和大于图1中图形2′233′的面积，即三级膨胀工艺输出的技术功大于两级膨胀工艺。

如图 1、3 所示，根据工程热力学原理，单位质量的天然气在相同初终状态下进行膨胀，过初始状态点的等熵线斜率大于等温线，等温线与纵坐标之间形成的面积最大。因此，想要获取最大技术功，应尽可能使膨胀过程趋于等温膨胀，但等温膨胀属于一个理想过程，不可实现。多级膨胀过程介于等熵膨胀与等温膨胀过程之间，且随着膨胀级增加，多级膨胀过程无限接近等温过程，输出的技术功越来越多。

大面积烧伤可以引起严重的全身性反应，同时出现各系统及器官的代谢紊乱和功能失调，机体产生应激反应 [5]。应激反应虽然可以通过提高机体的免疫能力而减轻应激原对机体的损伤，但是当应激反应过强或者持续时间过长，同样会引起机体内环境明显失衡，从而造成免疫功能的下降[6]。本课题组前期研究发现，大面积烧伤之后，由于持续性过强的应激反应，淋巴细胞的特异性免疫功能明显受到抑制，以T淋巴细胞受损最重。这种免疫受抑制现象在伤后一周左右可达最高水平，伤情不同，免疫受抑制的程度也不同[7]。

4 两级膨胀工艺设计最佳工况确定

虽然利用

-

图与

-

图的热力过程分析证明多级膨胀工艺的发电功率高于单级膨胀，但无法得知发电增益以及最佳工作工况。本文结合我国城市门站调压情况，利用化工模拟软件Aspen Hysys对天然气两级膨胀与单级膨胀进行模拟，探究两级膨胀发电量增益以及天然气出口温度情况，确定两级膨胀工艺的设计最佳工况。

① 单级膨胀、两级膨胀压差发电工艺模拟

对天然气在城市门站调压发电进行模拟，天然气组成见表1，流量选用14 000 m

/h，选择上游天然气压力4.5 MPa、温度20 ℃，选择下游天然气压力1.6 MPa、温度5 ℃，环境压力为101.325 kPa。单级膨胀、两级膨胀压差发电工艺流程(软件截图)见图 4、5 。为了保证二级膨胀出口天然气温度为5 ℃，加热器将天然气加热到合适的温度。

对于两级膨胀工艺而言，膨胀过程的中间压力决定一、二级膨胀压差，影响工艺输出技术功，进而影响系统发电功率。同时，膨胀中间压力决定一级膨胀后天然气状态参数，因此加热过程加热功率以及二级膨胀入口天然气状态也受其影响。为探究中间压力不同对两级膨胀工艺整体影响，以一、二级膨胀等膨胀比工况下的压力(2.7 MPa)为中间压力的基准压力，步长为0.3 MPa，取8个不同的中间压力进行两级膨胀过程的模拟，模拟时膨胀机等熵效率取75%。单级膨胀与膨胀中间压力为2.7 MPa的两级膨胀工艺模拟结果对比见表2。单级膨胀、两级膨胀技术功功率分别为255.6 kW、286.2 kW，单级膨胀、两级膨胀天然气加热功率分别为254.3 kW、290.7 kW。模拟时整个过程中天然气未发生相变，且物质的量流量不变。中间压力与技术功功率、加热前后温度、加热功率的关系分别见图 6～8。

由表2及模拟结果可知，中间压力为2.7 MPa的两级膨胀技术功功率较单级膨胀提高12%，可利用的冷能及加热功率较单级膨胀提高14%。

根据图 6可知，两级膨胀工艺技术功功率均高于单级膨胀工艺。随着两级膨胀工艺中间压力增加，技术功功率增加，当中间压力达到3.9 MPa时，技术功功率达300 kW,较单级膨胀提高17%，故在设计天然气压差发电工艺时可以采用两级膨胀工艺并通过提高膨胀中间压力增加技术功功率。

② 两级膨胀设计最佳工况

当中间压力达到3.9 MPa时，工艺总技术功功率达模拟最高值300 kW，但这并不是两级膨胀工艺的最佳工况。在工艺设计时应综合考虑天然气冷能、加热温度要求、工艺稳定性等。

由图 6 可知，在初、终状态相同的情况下，随着中间压力升高，一级膨胀过程压差和技术功逐渐减少，二级膨胀过程压差和技术功逐渐增大。采用2.7 MPa的中间压力时，一级膨胀与二级膨胀输出的技术功大致相同，工艺稳定性强。

计算得出每一年的评价等级矩阵Z，即Z=［z1，z2，…，zs］。然后根据最大隶属度原理求出最终的评价结果。

由图7可知，随着中间压力增加，加热前后温度均呈现出上升趋势，加热前后温差维持在40 ℃左右。由于中间压力增加，一级膨胀压差缩小，膨胀后天然气温度升高；二级膨胀压差增大，天然气膨胀温差变大。若要保持出口温度在5 ℃，则需提高二级膨胀天然气入口温度。因此，在设计多级膨胀工艺时，应根据所选热源温度确定膨胀比或根据膨胀比选择加热热源。在中间压力为2.7 MPa时，一级膨胀后天然气温度(-8.7 ℃)低于0 ℃，天然气的冷能品质高，加热后温度在35 ℃，该工况对加热热源温度要求低。

电话里，魏昌龙声音仍是大嗓门：“矿山复采、尾砂开发的所有资料，我都要孙主任给你备齐了，你来我这住几天，快写好快撒出去。”

① 单级膨胀压差发电工艺

综上，在进行两级膨胀压差发电工艺设计时，应采用等膨胀比的形式。在等膨胀比工况下，一、二级膨胀的膨胀比相同，可有效避免单级膨胀发电负荷过重，延长设备使用寿命；低于0 ℃的天然气具有良好的冷能可以利用，加热过程对热源温度要求不高。

虽然理论分析与工艺流程模拟证明多级膨胀压差发电工艺较单级膨胀压差发电工艺可以输出更多的技术功功率、发电功率和天然气冷能，但多级膨胀系统的膨胀级多、设备投资高、工艺控制系统复杂、对技术管理人员要求高。在工程实际中是否采用多级膨胀工艺，需要结合设备成本、技术水平、冷热源及配套产业情况综合考虑。

5 案例分析

国内某门站天然气调压压差发电制冰项目，设计流量为16 000 m

/h，进口天然气为4.0 MPa、20 ℃，经透平膨胀机膨胀至1.6 MPa、-30 ℃；-30 ℃的天然气与制冷剂R404a换热后升高至5 ℃

。该项目采用单级膨胀压差发电工艺，制冰采用朗肯循环。该工艺每小时发电量为200 kW·h,用于制冰的冷量470 kW·h。经济性方面，制冰系统的制冷性能系数COP约为2，故该制冰工艺相当于每小时节电235 kW·h。项目在经济性分析时，工艺年运行8 600 h，年节电量202×10

kW·h，按0.85 元/(kW·h)计，年收入171×10

元。

将该项目改用两级膨胀工艺，模拟时选用参数与原项目保持一致，忽略流量波动情况，采用16 000 m

/h的设计流量，进口天然气为20 ℃、4.0 MPa，出口天然气为1.6 MPa、5 ℃，采用等膨胀比的工况(中间压力为2.5 MPa)，制冰系统参数保持不变。对改进后的工艺进行模拟，工艺年运行时间8 600 h(与原项目保持一致)，计算其收益情况。模拟时膨胀机等熵效率取75%，发电机发电效率取95%，单级膨胀与两级膨胀模拟结果对比见表3。

传统知识服务商在集成海量二次文摘与引文数据库的基本上，普遍会提供一些统计分析服务，如针对主题进行趋势分析，如年度趋势发展、机构分布、区域分布等，以及发现技术发展方向、跨学科研究主题等。

根据表3，采用两级膨胀每小时发电量提高39%，每小时天然气产生冷能较原工艺提高12%。采用两级膨胀工艺，保持制冰系统不变，工艺年运行时间不变，制冰所需冷量仍然来自天然气冷能与冷却塔，制冰系统的COP仍为2，制冰工艺相当于每小时节电326.65 kW·h，每年节电280×10

kW·h,年收入238×10

元。

市场风险主要是由数据的真实性造成的，同时也包括金融交易中的不正当行为以及对数据的垄断。对大数据的分析存在质和量两大因素，但也只是数据之间行为，一旦数据出现差错，那么对金融风险的预测和防范就失真了，进而会引发市场风险。此外，有实力的金融企业会把含金量高的数据进行垄断，从而使金融市场的天平向某一方向倾斜，大数据也就因此失去了有效的市场调节作用，促使了市场风险的加剧。

6 结论

① 多级膨胀压差发电工艺由多个膨胀机与加热器交错串联组成，通过加热提高天然气的比焓，提高输出技术功功率与发电功率，解决天然气出口温度低于管道韧脆转变温度的问题。

与他相反，刘雁衡教外国文学史，却常常跑到中国文学上来。在说到某部外国经典时，总是抗衡似的，举出中国相应的一部著作，与洋鬼子理论一番，切磋一番。这使得学生广为不满，女生甚至给他起了个雅号：大唐进士。幸好，刘雁衡在报纸副刊发表的新诗，都是呼唤光明与民主的，这才抵消了学生的不满心理。

② 多级膨胀工艺的膨胀级数越高，多级膨胀工艺越接近等温过程，可利用多级膨胀工艺提高天然气压差发电工艺的发电功率。

③ 在天然气初、终状态相同的情况下，对两级膨胀与单级膨胀工艺进行模拟对比，验证了两级膨胀工艺输出技术功高于单级膨胀工艺。在等膨胀比工况下，可有效避免单级膨胀发电负荷过重，延长设备使用寿命；低于0 ℃的天然气具有良好的冷能，对加热热源温度要求不高。

④ 对国内某门站调压压差发电制冰工艺进行两级膨胀与单级膨胀工艺的模拟，与单级膨胀相比，等膨胀比的两级膨胀每小时发电量高、经济性好。

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