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冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 7 期 总 第 185 期 天然气门站压力能的回收利用 王玉君 （中冶南方工程技术有限公司， 湖北武汉430223） 【摘要】我国天然气大多采用高压输送至各大门站， 经调压至中低压后进入下游燃气管网。天然气在调 压的过程中具有丰富的压力能可供回收， 利用各种压力能回收装置， 可用于天然气发电、 天然气液化调峰、 天然 气的净化处理、 城市冷库的冷源、 废旧橡胶的深冷粉碎和加压 CNG 等。 【关键词】高压天然气； 门站；压力能； 回收利用 【中图分类号】TE832.3【文献标识码】B【文章编号】1006-6764201507-0023-04 Recovery and Utilization of Pressure Energy at Natural Gas Gateway Stations WANG Yujun （WISDRI Engineering gateway station; pressure energy; recovery and u- tilization 1引言 为了节约建设成本，以更高压力输送是天然气 管网发展的一个趋势，也在一定程度上反映了一个 国家输气管道的整体技术水平。目前国内如陕京 线、西气东输等长距离输送天然气管道的输气压力 为 6.4 MPa 或 10 MPa， 特别是西气东输二线管道设 计压力达到 12 MPa， 标志着我国长输管道技术已经 达到国际先进水平。 然而， 实际上城市燃气管网的设 计压力一般为 1.64.0 MPa， 因此根据不同的终端用 户需求， 由长输干线输送来的高压天然气， 需要在城 市门站或接收站内进行减压后输送至下游燃气输配 管网。 高压天然气在减压过程中会释放巨大的能量， 而目前这部分能量往往被白白浪费掉了。 为了经济的可持续发展和节能降耗，管道压力 能所蕴含的巨大经济价值逐渐得到人们广泛的关 注。 目前， 天然气管网压力能的回收利用方式主要有 发电和制冷两大类， 主要应用在发电、 天然气液化调 峰、 空气分离、 冷库、 橡胶粉碎、 加压 CNG 等[1-13]。 2天然气降压过程火用能分析及计算 高压天然气在经过节流阀或作等熵膨胀后， 压 力和温度均会降低，把天然气管道看成一种开口系 统， 由热力学分析和火用分析法可知， 系统的比焓火用 ex， h为 ex， h＝ （h-h0 ） -T 0（s-s0） 驻h-T0驻s T0 T 乙 cpdT P0 P 乙 v-T 鄣v 鄣T 蓸蔀 p 蓘蓡 dp -T 0 T0 T 乙 cp T dT- P0 P 乙 鄣v 鄣T 蓸蔀 p dp 蓘蓡 T0 T 乙 cp1-T0 T 蓸蔀dT P0 P 乙 v-T 鄣v 鄣T 蓸蔀 p T 0 鄣v 鄣T 蓸蔀 p 蓘蓡 dp ex， Tex，P （1） 由以上分析可知，高压天然气经过节流调压或 作等熵膨胀过程中的比焓火用ex， h包括由温差引起的 比温度火用ex， T和由压差引起的比压力火用ex， P。 对于等压过程， 由于温度差引起的比温度火用为 23 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 7 期 总 第 185 期 ex， T T0 T 乙 cp1-T0 T 蓸蔀dTcp （T 0-T） -cpT0ln T0 T （2） 对于等温过程， 由于压力差引起的比压力火用为 ex， P P0 P 乙 v-T 鄣v 鄣T 蓸蔀 p T 0 鄣v 鄣T 蓸蔀 p 蓘蓡dpT0Rgln P0 P （3） 式中， h、 h0分别为天然气在调压前后状态的比焓， J/kg； s、 s0分别为天然气在调压前后状态的比熵， J/ kg K； P、 P0分别为天然气在调压前后的绝对压力， MPa； T、 T0分别为天然气在调压前后的气体温度， K； cp为天然气比定压热容， J/kg K； Rg为天然气的气体常数， J/kg K。 由于天然气由甲烷组成（体积分数在 99以 上） ， 为简化计算， 一般取天然气性质等同于甲烷， 取 减压后天然气温度为 25 ℃，可得出天然气的比压 力火用与天然气输气压力和用户端压力的关系，如图 1 所示。图中 P00.1 MPa 曲线为当用户端绝对压力 P00.1 MPa 时， 天然气比压力火用随着输气压力的变 化， 其余三条曲线表示当输气压力一定 （分别为 10 MPa， 8 MPa， 6 MPa， 4 MPa） 时， 天然气比压力火用随 着用户端压力不同的变化曲线。 图 1天然气比压力火用与天然气输气压力和用户端压力关系 假如某个门站， 上游来气压力为 10 MPa， 用户 端压力为 0.4 MPa，则天然气的比压力火用为 464.5 kJ/kg， 若该门站的处理能力为 10 万 m3/h， 每小时可 回收的压力能为 3.33x107kJ，若按年工作时间 360 天计算， 则每年最大可回收约 2.881011kJ 的压力 能。由此可见，高压天然气蕴含有非常巨大的压力 能， 如果采取有效措施回收， 将会产生非常可观的经 济效益。 3天然气压力能用于发电 利用天然气压力能发电主要是以膨胀机代替传 统的调压阀来回收减压过程中的压力能，并将其用 于发电。 直接膨胀发电技术的基本原理即利用高压天然 气膨胀降压时产生的机械能直接驱动发电机发电， 如图 1 所示。高压天然气首先经过加热器加热后进 入透平膨胀机降压， 天然气体积增大对外做功， 驱动 发电机组发电，再经过加热器后以低压天然气的形 式输出。 其中， 设置加热器的作用是防止天然气膨胀 后温度降低到露点以下使气体中的水分凝结阻塞管 路。目前， 该技术已有应用报道， 日本东京电力公司 利用在燃气电厂附近建设了一座发电功率为 7700 kW 的发电站。 图 2天然气压力能直接膨胀发电流程图 4天然气压力能用于储气调峰 目前， 国内外主要使用压缩天然气 （CNG） 的调 峰方法， 一般将 CNG 储存在储气罐、 地下储气库、 高 压管束、 输气管道末端和城市输配管网中。同时， 采 用液化天然气 （LNG） 和天然气水合物 （NGH） 调峰的 方式因其技术的先进性和经济性， 引起了广泛关注。 利用天然气压力制取 LNG 和 NGH 进行调峰则提高 了能源的利用效率。 4.1LNG 调峰 采用 LNG 调峰， 即在用气低谷时， 回收天然气 压力能使部分天然气以 LNG 的形式储存起来， 在用 气高峰时，再将储存的 LNG 气化输送至下游管网， 确保下游正常供气。此工艺对天然气管网进行了削 峰填谷， 可有效解决城市燃气不均匀性矛盾， 确保了 天然气管网的平稳运行。 据国外资料统计， 在欧美和 日本已建成投产超过 100 座 LNG 调峰装置， 相对于 高压储气罐和地下储气库， 更节省土地和资金， 工期 短， 而且方便灵活， 不受地质条件限制。 天然气压力能用于制取液化天然气 （LNG） 的基 本原理为 高压天然气干燥后， 分为膨胀制冷和节流 液化两路。常温高压天然气经膨胀机膨胀后温度降 低， 进入冷箱与节流路未完全液化的天然气换热， 变 用户端压力 /MPa 输气压力 /MPa P00.1 MPa P10.1 MPa P8.1 MPa P6.1 MPa P4.1 MPa 高压天然气 调压站 低压天然气 预热器 辅热器 透平膨胀机 发电机 G 24 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 7 期 总 第 185 期 为常温、 中低压的天然气进入后续管网。 而节流路的 天然气经冷箱和节流制冷， 生产出 LNG。文献[12]提 出一种采用气波制冷机和透平膨胀机联合制取 LNG 的方法， 更加有效地利用气体的压力， 提高制 冷效率。 图 3基于天然气压力能回收 LNG 制取的流程图 4.2NGH 储气调峰 NGH 为主要由甲烷与水作用生成的一种非固 定化学计量的笼形晶体化合物。 NGH 储气调峰的原 理为 在用气低谷时， 通过膨胀机组进行膨胀， 将产 生的冷能供给过量的天然气合成 NGH；用气高峰 时， NGH 可以分解为天然气进入下游城市燃气管 网。 此工艺不仅有效地回收了管网压力能， 而且具有 较好的储气调峰功能， 具有广阔的应用前景。 5天然气压力能用于制冷 5.1天然气压力能制冷用于净化处理天然气 为了避免天然气中的酸性气体、烃类组分和水 等在低温下冻结而堵塞、 腐蚀设备和管道， 天然气在 进入输气管道之前必须进行净化处理 （脱硫、 脱烃、 脱水） 。 可利用天然气压力能制冷应用与天然气的脱 水和净化。目前工程应用有采用气波制冷机和透平 膨胀机制冷的天然气脱水净化装置，露点最低可达 -40 ℃， 脱水效率可达 92， 且无需外部电力驱动， 装置结构简单， 设备投资更低。 5.2天然气压力能制冷梯级利用供不同品位的冷 能用户 如图 4 所示，高压天然气经过气波制冷机降压 以低温输出， 然后通过冷媒逐级供给 -30 ℃低温冷 库、 -15 ℃较低温冷库和空调系统， 升温后的天然气 进入后续管网。天然气压力能制冷及冷量的梯级利 用， 不仅减少了压缩机的制冷成本， 而且提高了压力 能的利用效率。 5.3天然气压力能用于空气分离 传统的空分行业用的液氮 / 液氧都是通过对冷 却液化后的空气进行精馏和分离获得的。而一般的 低温环境都是由电力驱动的机械制冷实现的，由制 冷原理可知， 随着温度的降低， 消耗的电能将急剧增 加。若利用高压天然气降压产生的冷能对空气进行 液化， 则不需要额外的制冷机械， 可以降低电耗， 节 省大量的能量， 具有非常可观的经济效益。 5.4天然气压力能用于制取干冰 制取干冰 （液态 CO2） 传统制造干冰的工艺是 先将 CO2压缩至 2.53 MPa，再利用制冷设备进行 液化。 而利用天然气压力能产生的冷能制取干冰， 可 将液化装置的压力降至 0.9 MPa 左右。制冷设备的 负荷较传统工艺大为减少， 电耗也大幅降低， 并且产 品的纯度高。 5.5天然气压力能用于废旧橡胶粉碎 低温粉碎技术是指利用物料的低温脆化特性， 将物料冷却到脆化点温度以下，用外力进行粉碎的 过程。 目前， 废旧橡胶粉碎主要采用该工艺。 利用天 然气压力能产生的冷能粉碎废旧橡胶的工艺流程主 要包括高压天然气预冷、膨胀制冷和冷能利用 3 个 部分。此工艺不需要消耗外部能量即可产生大量廉 价冷能， 且城市的燃气需求量大， 可以确保冷能的供 给， 大大降低了工艺生产成本。 一方面有效地回收了 天然气调压过程中的压力能，另一方面降低了废旧 橡胶粉碎的生成成本。 6天然气压力能用于 CNG 加压工艺 文献 [13] 提出天然气压力能用于 CNG 加压工 艺， 如图 5 所示， 高压天然气经过膨胀机膨胀直接带 动天然气压缩机压缩天然气。经过加压得到的 25 MPa 的高温天然气，与经过膨胀机减压得到的低温 天然气进入热交换器换热，变成常温后， CNG 进入 CNG 罐储存或 CNG 槽车用于运输，而减压后的天 然气进入下游管网。不仅利用了天然气调压过程中 浪费掉的压力能， 同时降低了 CNG 的功耗和运营成 本， 设备成本投资小， 适用于附近配备有已建成或将 建设的 CNG 加压站的大型天然气门站或调压站。 高压天然气 透平膨胀机 中低压天然气 冷箱 LNG 图 4天然气压力能制冷梯级利用供不同品位 的冷能用户流程图 高压天然气 气波制冷机 热交换器 1热交换器 2热交换器 3 乙二醇溶液 空调系统 R22 －25 ℃R22 -10 ℃10 ℃ -30 ℃冷库 －15 ℃冷库 25 冶金动力 METALLURGICAL POWER 2015 年第 7 期 总 第 185 期 注水， 此时上游煤气已被水封切断； 当水封箱中的水 从抽水管抽出后， 上游煤气又可以流向下游。 4结束语 煤气水封具有结构简单、 投资低、 安全可靠的优 点， 本文列出了一些正在应用的煤气水封， 通过分析 说明， 希望能够引导从事煤气水封设计、 生产的单位 及设计人员开发出更多形式的煤气水封，更加灵活 地应用煤气水封，为煤气系统的安全生产及降低设 备投资做出贡献。 收稿日期 2015－03－05 作者简介王湛 （1976－） ， 男， 工学学士学位， 高级工程师， 现从事钢 铁企业燃气系统设计工作。 图 7埋地式切断水封立面图 图 5天然气压力能用于 CNG 加压工艺流程图 7结语 随着世界能源紧张和环境污染问题的日益加 剧，新能源和新技术的开发已经成为当今最重要的 课题之一。天然气作为一种清洁、 高效的能源， 已成 为我国重点发展的能源。输送至门站或调压站的高 压天然气蕴含着宝贵的高品位压力能，回收利用这 部分压力能具有巨大的经济价值。 [ 参 考 文 献 ] [1] 樊栓狮， 徐东来， 解东来. 天然气利用新技术[M]. 北京 化学工业 出版社， 2012. [2] 陈绍凯， 李自力， 雷思恩等. 高压天然气压力能的回收利用分析 [J]. 煤气与热力， 2008， 2804 38-42. [3] 闻菁， 徐明仿. 天然气管网压力能的回收及利用[J]. 天然气工业， 2007， 2707 106-108. [4] 王松岭， 论立勇， 谢英柏等. 基于天然气管网压力能回收的联合 循环构思[J]. 热能动力工程， 2005， 206 628-631. [5] 申安云， 熊永强. 天然气管网压力能利用工艺的火用分析[J]. 煤 气与热力， 2008， 2811 B01-B05. [6] 徐文东， 郑慧平， 朗雪梅等. 高压管网天然气压力能回收利用技 术[J]. 化工进展， 2010， 2912 2385-2389. [7] 刘宗斌， 徐文东， 边海军等. 天然气管网压力能利用研究进展[J]. 城市燃气， 201201 14-18. [8] 熊永强， 华贲， 罗晓东. 用于燃气调峰和轻烃回收的管道天然气 液化流程[J]. 天然气工业， 20065 130-132. [9] 熊永强， 华贲， 罗晓东等. 天然气管网压力能用于废旧轮胎橡胶 粉碎的制冷装置[J]. 现代化工， 2007， 271 49-52. [10] 李秉繁， 刘培胜， 潘振等. 天然气压力能回收利用研究进展及分 析[J]. 当代化工， 2014， 4312 2591-2593. [11] 乔武康， 李静， 张德坤等. 利用天然气压力能的方法[P]. 中国专 利 101245956A， 2008 8. [12] 论立勇， 谢英柏， 杨先亮. 基于管输天然气压力能回收的液化调 峰方案[J]. 天然气工业， 20067 114-116 [13] 张辉. 天然气管网压力能集成利用工艺研究[D]. 华南理工大 学， 2014. 收稿日期 2015－04－15 作者简介王玉君 （1957－） ， 男， 研究生学历， 高级工程师， 现从事工 程设计和项目管理工作， 多次获得国家和省部级优秀工程设计奖。 NG 4.0 MPa 20 ℃ 膨胀机压缩机CNG 25 MPa 220 ℃ CNG 20 MPa 20 ℃ NG 0.4 MPa 20 ℃ 热交换器 NG 0.4 MPa -74 ℃ （上接第 20 页） 26