天然气降压发电系统研究综述.pdf

一 1 2 4 一 石油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1 年第3 9卷增刊 ●专题综 述 天然气 降压发电系统研究综述 信石玉 高文金 沈珍平 江汉石 油机械研 究院 摘要 随着天然气使用范围的扩大，将会有大量的压力损失可被用来发电。由于长途输运的 需要，从气井输出到终端用户，降压级别分为好几个层次逐级递减，在压力逐级递减时存在 巨大 的压差能量。气体通过节流阀降压，会产生巨大冷量，在阀口产生霜冻，堵塞管道。传统的解决 方案压 降能量全部浪费，采用降压发 电系统，在节流 阀处安装透平或往复式引擎来吸收压降能量 用以发 电。介绍了天然气降压发电系统的构成及工艺流程 ，从技术 因素、管理 因素和经济性等方 面分析了系统的可行性。介绍了加拿大的降压发电试点项目，该项目的最大发电功率为 1 M W。 最后指出业内要对管道降压发 电项 目的经济性和应用潜力进行周期性评估。 关键词天然气 降压发电透平膨胀机 0 引 言 天然气 已经成为石油和煤炭的重要补充 能源 ， 许多国家都建设了天然气长途输运管网，2 0 0 7年 全球天然气消费量达 3 ． 2万亿 In 。 。随着天然气使 用范围的扩大 ，将会有大量的压力损失可被用来发 电 。中国和美国都有许多座降压站。由于长途 输运的需要 ，从气井输出到终端用户，降压级别分 为好几个层次逐级递减 ，基本上距离在 1 0 0 k m 以 上 ，管道压力在 5～1 0 M P a ；超过 2 0 k m的 ，压力 在 2 5 MP a ，在城市 的分输管 网内只需 1 MP a压 力 ，送至家庭用户只需略高于大气压 即可 J 。 在压力逐级递减时存在巨大的压差能量。气体 通过节流阀降压，会产生巨大冷量，在阀E l 产生霜 冻，堵塞管道。传统的解决方案是通过燃烧锅炉或 换热器 ，提前对高压气体加热 ，这需要消耗燃气 ， 并且会释放污染物，压降能量全部浪费 J 。采用 降压发电系统，在节流阀处安装透平或往复式引擎 来吸收压降能量用以发电。气体通过涡轮时膨胀， 结合气流推力所产生的压力推动涡轮旋转，涡轮带 动感应发电机运动，气体压力降低，从低压侧管道 排出；产生电力可直接并人输电线路以供使用，具 备一定的经济价值和社会效益，这为降压发电系统 提供了广阔的使用空间。只要有天然气管网长距离 输运至城市区域或其他消费单位，就有压降发电系 统的使用潜力 引 。 1 系统概况 目前 ，美国和加拿大试运行的天然气降压发 电 系统布置在高压管线和低压管线之间 图 1 。主 要设备包括涡轮膨胀机、发电机、燃料电池以及备 换热器。 ● 非燃烧热能 备用燃 气锅炉 预热 高 压气体 稳 压 闯 厦 稳 压阀 出 口 低 压气 体 涡轮膨 胀机； 哪 舞 出 I 雾 蘩 耄 气 ， l管 道 内 天 然 气 从 日低压气体 4 图 1 天然气降压发 电系统工作流程 用燃气锅炉、换热器、电能适配器、稳压阀等配套 设备 。涡轮膨胀机将高压气体膨胀做功转换成机械 能，带动发电机运转， 产生电能；燃料电池根据实 际情况可有可无 ，主要是将天然气的化学能转换成 电能，并将产生的大量热能通过换热器传递给膨胀 机人口高压气体，避免在涡轮膨胀机内的温度骤降 中产生霜冻损坏设备。备用燃气锅炉用于膨胀机停 机检修时为膨胀阀人口气升温， 稳压阀用于调节气 2 0 1 1年 第 3 9卷增刊 信石玉等天然气降压发电系统研究综述 一 1 2 5一 流 ，在部分季节不适于使用涡轮膨胀机时采用传统 方式降压 。 2 系统可行性分析 2 ． 1 技术因素 2 ． 1 ． 1 压 力 比 压降是透平 膨胀机 的动力来源 ，压力 比是 高、 低压管 网内压力 的比值 ，能量回收潜力与压力 比的 自然对数 成 比例。压 力 比越 高，可 回收的能量越 多 ，产生的电能就越多。标准的管 网操作压力 比一 般小于透平膨胀机允许的最大压力 比，同时为了使 透平膨胀 机正常工作 ，需要满 足一个最 小压力 比 约 1 ． 3 1 。 2 ． 1 ． 2 气流量 及其 稳 定性 发电量也是气 流量 的函数 ，对项 目经济 性来 说，气流量的波动是一个非常重要的考虑因素。通 常在城市降压站中，气流量会受到季节性和每日需 求 的影响而变化。透平膨胀机发 电系统要能在波动 气量条件下维持相对稳定的压力 比。透平膨胀机的 运行能力因制造商而异 ，但一般能在设计流量范围 的 5 0 ％ ～1 4 0 ％ 内工作。这能对难以评估 的设备安 装规模提供优化结果。一旦整体系统过大 ，当遭遇 长时间低压供应难以达到透平膨胀机最小工作要求 时，设备就会闲置；整体系统过小，部分气体无法 通过透平膨胀机造成流量 的长期流失 ，导致投资成 本损失。因此 ，优化降压发电系统规模是实现利益 最大化的前提 。 2 ． 1 ． 3 透平膨胀机 负荷 系数 输气管道均要面对季节性和每天的供需波动 ， 因此发电量与透平膨胀机 的负载成正 比例关系。工 作时接近满负荷运转的透平膨胀机优于负载波动较 大的机器 。同时，为了回收更多 的能量 ，高负荷 系 数的透平膨胀机需能提供稳定、可预测的能量供应， 这有利于买方选择 ，负荷系数至少达到 6 0 ％ l o j 。 2 ． 1 ． 4预 热量 高压气体降压前都需要预热，以减弱节流效应 对设备运转 的影响。评估气体通过透平膨胀机降压 前后的热量损失和设备的承受能力 ，可计算出高压 气体 的预热需求量 ，进而计算 出预热成本 。 2 ． 1 ． 5发 电机 发电机与透平膨胀机匹配，并且输出的电力应 与输 电线路相匹配。 2 ． 2管理 因素 2 ． 2 ． 1 降压站 场地 降压站内必须有足够的场地容纳透平膨胀机发 电系统及其附属 的控制 、换热设备 ，并且透平膨胀 机需要与输气管线尽量靠近以减小能量损失。 2 ． 2 ． 2环境 条件 当地温度和气压条件对发电效率和透平膨胀机 出口气体均有影响。温度越高 ，效能越低 。 2 ． 2 ． 3入 网条件 电力运营的准人许可 ；降压站与输电管网的距 离会影响入网连接成本 ，特别是需要安装输 电线路 和附属设备时 如变压器等 。这些成本可能非常 高昂，直接影响项 目的经济性 。 2 ． 3 经济性 2 ． 3 ． 1 安 装成 本 项 目的全部成本包含 透平膨胀机 、变速箱 、 发电机 、预热器、连接设备 、控制设备 、管网连接 设备成本和工程安装费用 。表 1 列举 了 2 0世纪 8 O 年代的部分项 目，其成本从每千 瓦 6 0 0～ 2 3 0 0美 元不等 。最大的系统每千瓦成本最低 ，表明该系统 有一定 的规模经济性 。 经验表 明，系统安装具有选址特殊性 ，并需要 针对性的工程设计 ，很难实现压缩成本的打包或标 准化设计 。 表 1 部分 2 0世纪 8 0年代 的压差发 电项 目 2 ． 3 ． 2运 营成 本 降压发 电系统 的运 营成 本 比常规降压站高很 多 ，主要包 括预热燃料成本 和透平膨胀机维护成 本 。1 9 8 7年美 国燃气协会 A G A做 的一份调查 表明，表 1 列出的项 目 非燃料运营成本仅占资金成 本 的 2 ％ 。该类 系统 的运 营成本 大概在 每千瓦 时 0 ． 0 0 1 ～ 0 ． 0 0 5美元 。 2 ． 3 ． 3 电能销 售 总体收益取决于电价与发 电量 。发电量是气流 量 、压力比和设备效率的函数。每天和季节性的流 量压力变化会对总电量产生影响，并且很可能影响 最终消费者需付的电价 。 3 运行实例 目前 ，加拿大和美 国尚未有透平膨胀机在输气 一 1 2 6一 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷增刊 管道降压站发 电项 目的商业应用 。由于较高的投资 成本 、较低的电价 、流量和压力不稳定对透平膨胀 机的负面作用等综合因素影响 ，导致这些项 目的经 济可行性较差。与此同时 ，已经有一些前商业阶段 的示范项 目正在运行 ，这些项 目得到了政府研究基 金的资助 ，暂不具备商业替代性 。下面以加拿大的 项 目为例进行说明 。 安大略省多伦多市 2 0 0 8年实施 了 1个 降压 发 电试点项 目。该降压站本是一个标准调压站 ，后被 植入透平膨胀机和燃料电池发电 ，以回收利用压降 能量 。该项 目由 E n b r i d g e I n c ．和 F u e l C e l l E n e r g y I n c ． 2家公 司联 合发起 ，E n b r i d g e经销燃气 ，并 经 营液体和气体管道；F u e l C e l l E n e r g y经营稳定 的燃 料 电池产品。表 2列举了该项 目应用压差发电系统 前后的对 比情况。 表 2 加拿大项目应用压差发电系统前后对比 4 结束语 降压发电系统在使用过程中取得一定成功，业 内还需对管道降压发 电项 目的经济性和应用潜力进 行周期性地评估。加拿大的项 目是一些试点工程 ， 结合了燃料 电池系统与透平膨胀机技术。该项 目可 由降压站和电力公司以外的第 3方来实现 ，因为第 3方拥有并运营降压发电装置 ，同电力公 司有长期 的购电合同，并向降压站支付占地费用。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] 参考文献 S a r k e s L A．Er i c k s o n J P ． Ap p l i c a t i o n o f t u r b o e x p a n d e r s f o r p r e s s u r e l e t d o w n e n e r g y r e c o v e r y[ J ]． A G A，E n g i n e e r i n g T e c h n i c a l N o t e ，1 9 8 7 7 ． En b a r N，J a f f e S ． E n b r i d g e ’ S a p p r o a c h t o g r e e n i n g t h e n a t u r a l g a s T D n e t w o r k v i a h y b r i d f u e l c e l l s [ R]． E n e r g y I n s i g h t s，2 01 0． D i r e c t F u e l C e l l E n e r g y R e c o v e r y Ge n e r a t i o n ． F u e l C e 1 1 En e my ． B a b a s o l a A． S y s t e m S t u d y a n d CO 2 E mi s s i o n s An a l y s i s o f a Wa s t e E n e r g y R e c o v e r y s v s t e m f o r N a t u r a l G a s L e t d o w n S t a t i o n A p p l i c a t i o n [ D]． A d e g b o y e g a B a b a s o l a Q u e e n ’ S U n i v e r s i t y ，2 0 1 0 ． Na t u r a l Ga s Pi p e l i ne S y s t e m． EI A． E n e r gy R e c o v e ry f r o m Na t u r a l Ga s L e t d o w n S t a t i o n s ． L E I ， 201 1 ． Wa s t e En e r gy Re c o v e r y Op p o r t un i t i e s for I n t e r s t a t e Na t u r a l G a s P i p e l i n e s ． I n t e r s t a t e N a t u r a l Ga s As s o c i a t i o n o f Ame r i c a，20 08 ． Ho w a r d C R． Hy b ri d t u r b o e x p a n d e r a n d f u e l c e l l s y s t e m for p o we r r e c o v e ry a t n a t u r al g a s p r e s s u r e r e d u c t i o n s t a t i o n[ D]． C l i f f o r d R o b e r t H o w a r d Q u e e n ’ S U n i v e r s i - t y， 2 0 09 ． GHG E mi s s i o n s I n v e n t o r y ． E n b ri d g e，2 0 1 0 ． GHG Emi s s i o ns I nv e nt o r y． En b r i d g e，2 00 9． F u e l C e l l En e r gy R e l e a s e s D a t a for F i r s t Ye a r o f U l t r a C l e a n Hy b r i d P o we r P l a n t ’ S Op e r a t i o n ． F u e l C e l l En e r g y P o g o r s k i S ． En b r i d g e p i p e l i n e t o u l t r ac l e a n p o w e e n - e r a t i o n p r o j e c t i n s t a l l a t i o n o f a t u r b o e x p a n d e r i n a N o rt h A m e r i c a n g a s d i s t ri b u t i o n s y s t e m [ C]． 4 7 t h A n n u m CGA Ga s Me a s ur e me n t S c h o o 】 ． 2 0 08 ． 第一作者简介信石玉，工程师，生于 1 9 8 3年，2 0 0 9 年毕业于上海理工大学能源动力专业，获硕士学位，主要 研究 方 向为石 油天 然气领 域节 能及 清 洁能源。地 址 4 3 0 2 2 3 湖北省武汉市。E ma i l x i n s h i y u 4 2 9 0 0 1 6 3 ． c o n。 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 0 4 本文编辑王刚庆