高压管输天然气利用压力能液化技术.pdf

第 4 3卷第 7期 2 0 1 4年 7月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o ] ． 4 3．N O． 7 J u l y ， 2 0 1 4 高压管输天然气利用压力能液化技术 李 光让 ，冷 明，刘照辰 中国石油大学 E 京 ，城市油气输配技术北京市重点实验室， 北京 1 0 2 2 0 0 摘 要通过火 用 分析得 ，高压管网输送的天然气在调压过程中释放巨大的压力能，在调压站利用膨胀机 回收天然气的压力能，用于天然气液化，以增加管网运行的经济性。并介绍了国内外几种天然气液化流程， 阐述 和分析了其液化方法和特点。 关键词高压管网；压力能；液化流程；膨胀制冷 中图分类号T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 40 7 1 3 3 6 0 4 Li que f a c t i o n Te c hno l o g y Ba s e d o n Pr e s s ur e Ene r g y i n Hi g h pr e s s ur e Na t ur e Ga s Pi pe l i ne LI Gu an g r a n g，LENG M i n g， LI U Zh a o c h e n Ke y L a b o r a t o r y o f Ur b a n Oi l a n d Ga s T r a n s p o r t a t i o nDi s t r i b u t i o n T e c h n o l o g y ， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， B e ij i n g 1 0 2 2 0 0 Ch i n a Ab s t r a c t I t i s c o n c l u d e d fr o m e x e r g y a n a l y s i s t h a t t h e r e i s e n o r mo u s r e c o v e r a b l e p r e s s u r e e n e r g y i n p r e s s u r e a d j u s t i n g p r o c e s s o f h i g h p r e s s u r e n a t u r a l g a s ． Th e p r e s s u r e e n e r g y r e c o v e r e d f r o m n a tur a l g a s b y t h e e x p a n d e r i n g a s r e g u l a t o r s t a t i o n c a n b e u s e d i n n a tur a l g a s l i q u e f a c t i o n ， i n o r d e r t o i n c r e a s e t h e e c o n o my o f t h e n e t wo r k o p e r a t i o n ． I n t h i s p a p e r ， s e v e r a l d o me s t i c a n d a b r o a d n a tu r a l g a s l i q u e f a c t i o n p r o c e s s e s we r e i n t r o d u c e d ， a n d t h e i r l i q u e f a c t i o n me t h o d s a n d f e a t u r e s we r e d e s c r i b e d a n d a n a l y z e d ． Ke y wor ds Hi g h p r es s u r e pi pe l i n e n e t wo r k Pr e s s u r e e n e r gy Li qu e f a c t i on pr oc e s s Exp a ns i o n r e fri g e r a t i on 天然气长距离输送一 般采用高压管道输气方 式 ，其中蕴含了巨大的压力能 ，但是经过调压站调 压给城镇管网供气时， 压力能会大量损失 。 如果能充 分利用好气源与用户端之间的压差 ，在调压过程中 对天然气进行液化 ，不仅能 回收天然气压力能 ，而 且可降低液化费用 。鉴于近年来我 国沿海地 区 L N G _ r 业蓬勃发展 ，市场潜力巨大 ，利用管道压差能膨 胀液化技术研究正逐步受到关注。 1 高压管道与城镇燃气管道 增大输气压力不但可以提高管线输气能力 ，还 可以减少压气站 ，降低经营费用。因此 ，天然气管 道长距离输送采用高压管输 的方式 ，如正在建设 的 西气东输三线T程 ， 其干线设计压力为 1 0 ～ 1 2 MP a 。 我 同部分天然气管道参数见表 1 ⋯ 。 高压管输 天然气必须经 过调压站降压后才能 进入城镇燃气管 网。高压或次高压天然气经过调压 装置， 逐步被降至中压天然气 ， 再通过区域调压站或 用户专用调压站才能给城市燃气管网中的低压管道 供气 ，或给工厂企业 、大型商业用户以及锅炉房供 气 。我国城镇燃气管道根据输气压力一般分 7个级 别 ，见表 2 表 1 我国部分天然气管道参数 T a b l e 1 P a r t o f d o me s t i c NG p i p e l i n e p a r a m e t e r 管道名称 管径／ m m 管长／ k in 设计压力／ MP a 输气量／ m ．a 。 。 表 2 城镇燃气管道输气压力的分类 T a b l e 2 Pr e s s u r e c a t e g o r i e s o f u r b a n g a s p i p e l i n e 燃气管道 输气压力／ MP a 高压 A燃气管道 高压 B燃气管道 次高压 A燃气管道 次高压燃 B气管道 中压 A燃气管道 中压 B燃气管道 低压燃气管道 2 5P≤ 4 ．O 1 ．6尸≤ 2 ． 5 O ． 8尸≤ l 6 04J D ≤ 0 8 0 2P≤ 0 4 0 ． 0 1P≤ O _ 2 P O 0l 2 天然气管道压力火 用 数学分析 火 用 e x e r g y是系统 由任意状态可逆 的转 变到 与环境状态相平衡 时能最大限度地转换为功的那部 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 2 1 作者简介 李光让 1 9 8 8 ， 男， 山东泰安人， 硕士在读 ， 中国石油大学 北京 ， 研 究方向 油气储运 L N G技术方向。 E - m a i l l i g u a n g r a n g l 6 3 ．c o m 第4 3 卷第 7期 李光让，等高压管输天然气利用压力能液化技术 1 3 3 7 分能量 。炯作为综合衡量能量的 “ 质”与 “ 量”的 统一尺度 ，它表示能量的可用性或作功能力 。 天然气在高压输送过程中蕴含巨大的压力能 ， 经过膨胀机膨胀后，其温度和压力均会降低。为了 能够准确分析此等熵膨胀过程天然气压力能变化情 况 ，引入炯分析法对此 系统进行分析。天然气管道 可 以看成开口系统 J ，其火 用 公式为 e ． h h o T o S S o c 一 一 ln R g In o e ． e ．P 1 e ，7 - C p 一T o 一7 “ o In 2 e T o ng I n 3 式中 e x r 一 天然气的比温度炯 ，J ／ k g ； e x P 一天然气的比压力炯 ，J ／ k g ； A 一天然气所在工况下的比焓 ，J ／ k g ； 一环境状态下天然气的比焓 ，J ／ k g ； s 一天然气所在工况下的比熵， ／ k g K k 环境状态下天然气的比熵， J ／ k g K c 一 天然气的比定压热容， J ／ k g K ； l一天然气所在工况下的温度 ，K ； 一 环境温度 ，K 一 气体常数，J ／ k g‘ K ； 尸 _ _ 一 天然气所在工况下的绝对压力，MP a ； 一 环境绝对压力，MP a 。 天然气焓炯 可分解为两部分 在压力 尸下 ， 因热不平衡系统与环境之间具有 的温度火 用e x , ；在 环境温度为 时 ， 因力不平衡系统与环境之间具有 的压力火 用 P 。 天 然气 的主要 成分是 甲烷及少量 的乙烷 、丙 烷 、丁烷等 ，其膨胀过程产生的焓火 用 与天然气 的组 分、压力等密切相关。为了式 2 、 3 物性参数 取值方便 ，假定天然气组分为纯 甲烷 甲烷物性参 数 C 2 ． 2 2 7 k J ／ k g K ，R 5 1 8 ． 7 5 J ／ k g K ， P 0 ． 7 1 7 4 k g ／ m。 ，Y 1 ． 3 0 。 取环境温度 2 5℃ 、 环境压力 0 ． 1 MP a ， 由式 3 可得 出不同管输压力下甲烷的比压力炯 ，见图 1 。 管输压力一定时，比压力炯 随用户端压力不 同 而不 同。设环境温度为 2 5℃，由式 3 可得出当 甲烷 以 6 、 8 、 1 0 MP a的输气管道压力进入不 同压力 用户端 时 ， 其所具有 的比压力炯 变化趋势如图 2 所示 图 1 甲烷比压力火 用 随管输压力变化 e l i ne pr e s s ur e VS ． m e t ha ne r a t i o pr e s s ur e e xe r g y 用户端 压力／ M P a 图 2 不同管输压力下甲烷比压力火 用 随用户端压力变化 Fi g ． 2 Cl i e n t p r e s s ur e V s ． m e t h a n e r a t i o p r e s s u r e e x e r g y u n d e r d i f f e r e n t pi p e l i n e pr e s s u r e 由式 2 知， 如要求出高压天然气膨胀降压过 程中产生的冷能大小，须先求出通过膨胀机膨胀降 压后天然气温度 ，以下具体分析确定 。 目前 ， 主要采用膨胀机 回收利用天然气压力能。 高压天然气经膨胀机膨胀降压 ，将压力火 用 转换为机 械功和冷火 用 。高压 天然气在轴流式透平膨胀机 中膨 胀作功过程可近似 为比热容为定值 的多变过程 ， 则 气体所做技术功如下。 wTh l h 2 C 一 n R g [1 一 鲁 ] 4 D 5 式中w r一 技术功 ，J ／ k g ； 膨胀机人 口天然气温度，K； 一 膨胀机出口天然气温度，K ； h l --胀机入 口天然气比焓 ，J ／ k g ； h 2 --胀机出 口天然气比焓 ，J ／ k g ； Pl一膨胀机人口天然气压力，MP a ； 尸 2 一膨胀机 出口天然气压力 ，MP a ； 一 多变指数，取 1 _ 2 根据膨胀机降压比及效率情况 ，一般取 n 1 ． 1 ～ l -2 5 。 为了对压力火 用和冷火 用 可利用规模有一个量化 化 工 2 0 1 4年 7月 概念 ，现假设输气管道压力 1 0 MP a ，天然气温度 2 5 ℃，用户端压力 0 ． 4 MP a ，由式 5 知 ，天然气 经膨胀机膨胀降压后温度为 - 9 2 ．4 8 其膨胀过程产生的比温度炯 、比压力炯 、技术 功可分别由式 2 、 3 、 4得 e ， c p TT o r o I n 。 7 0 ． 9 8 k J ／ k g 』0 e 尺 g I n 4 6 4 ．8 7 k J ／ k g nRg 一 鲁 n-I ] 3 6 5 ．6 7 k J ／ k g 同理 ，可计算 出管输压力 取不同值 时 ，天然 气按上述多变过程膨胀至 0 ． 4 MP a后 的温度 、比 温度火 用、比压力火 用 及技术功，如图 3所示 。 垣 输气 J土 力／ M P a 图 3天然气膨 胀后 温度、比温度火 用 、 比压 力火 甩 及技术功随管输压力变化 Fi g． 3 Pi pe l i ne pr e s s ur e VS ．t e mpe r at ur e ， r at i o t e mper a t ur e e xe r g y, r a t i o pr e s s ur e e xe r g y of t he e xpa nde d NG 由图3 可知， ①高压管输天然气蕴含巨大的压力 能 ，若采取有效措施进行回收 ，则可 以在很大程度 上提高管网运行的经济性。 ②天然气在降压过程中， 会产生很大的温降，此低温效应实际上已使其成为 一 种低温介质 ，这对需要冷能的天然气液化工艺提 供 了利用的可能。 3 高压管输天然气膨胀液化技术 3 ． 1 带涡流管液化技术 针对调压站的液化要求， 俄罗斯 的 L e n t r a n s g a z 、 S i g ma G a s 、K r i o n o r d及 L e n a v t o g a z 公司已经联合设 计 开发 出一种合适 的天然气液化装置 N G G L U ，此 装置采用涡流管一 节流阀制冷 ，充分利用管 网压力 能 ，可保证其不消耗额外能量就能将天然气液化 。 该液化流程如图4 所示 ， 占气源总量 3 ／ 4的高压 天然气进入换热器 I，被逆流而来的低温天然气冷 却至一 5 0 c c，同时 ，重烃成分经气液分离器分离出 来 ，并为换热器 Ⅱ提供冷量 ，轻组分天然气流经换 热器 Ⅱ，被冷却至一 8 0 ～ 9 0℃；自换热器 Ⅱ流出的 天然气经调节阀分为两股 一股流经节流阀液化后 进人储罐 ； 另一股与 L N G储罐蒸发的 B O G B o i l O ff G a s 气体一起 回流至换热器 Ⅱ，为其提供冷量 ，进 入涡流管 I的高压天然气分为冷热两股流体 冷流 进入换热器 I，预冷天然气 ；热流汇入调压站出口 管网，涡流管 Ⅱ生产的热流用于调控系统温度 。 图 4 N GGL U液化工艺流程图 Fi g ． 4 Di ag r am of t he NGGLU’ S l i que f ac t i on pr o c e s s 此装置简单 ， 缺点是液化过程需靠阀门调节， 控 制比较困难，且液化率低 ，受气源压力波动影响大。 3 ． 2带膨胀机液化技术 中科院低温中心北京科 阳公 司设计 了一套回收 管道压力能的小型液化装置，利用天然气直接膨胀 制冷生产 L N G，产量为 3 0 0 L ／ h ，如图 5所示” ” 。 。 4 MP a预处理天然气经换热器 1 预冷分离重烃 后分为两股 ，一股气体去膨胀机膨胀降温 ，为换热 器 2提供冷量 ；另一股气体进入换热器 2冷却 ，节 流降温后进入 L N G储罐储存” ” 。对 B O G进行冷量 回收后 ，增压至 0 ． 8 MP a 送入管网。 图 5天然气膨 胀制冷液化流程图 F i g ． 5 Di a g r a m o f t h e l i q u e f a c t i o n pr o c e s s b y NG e x p a n s i o n 此 工艺 主要将 高压天然气膨胀产生 的冷火 用 用 p＼ 赠 避 一 ／ j _軎 凰 第4 3卷第 7期 李光让，等高压管输天然气利用压力能液化技术 1 3 3 9 于管道天然气液化， 而压力炯膨胀转换的技术功没 利用管网压力能液化天然气 单级膨胀制冷、部分 有得到有效利用 。从图 3可知 ，高压天然气经透平 液化 的 L N G工厂见表 3 ” 。 膨胀机膨胀产生的技术功远大于冷炯 ，因此 ，在管 道天然气液化工艺中有效地利用技术功 ，不但可以 提高天然气压力能利用率，还可以提高管道天然气 液化率 ，增加 L N G产量。 B r u c e M．Wi l d i n g等设计的天然气液化装置则 回收了技术功 ，以驱动压缩机压缩处理流。其流程 如图 6所示” 。 。 图 6 B r u c e M． Wi l d i n g等设计 的天然气 液化 流程 Fi g． 6 Di a gr a m o f t he NG l i que f ac t i on pr oc e s s by Br uc e n ． W i l di nge t c 从 输气 管 网引 出 的天 然 气 4 0 0 分 成 冷 却 流 4 0 2 和处理流分 4 0 4两部分。冷却流通过透 平膨胀 机膨胀将压力炯 转换为冷炯 和技术功 。其 中，冷火 用 用于冷却处理流；技术功用于驱动压缩机 压缩处理流，压缩后的处理流由冷却流冷却，冷却 后分成两部分 ，一部分 4 2 0 膨胀液化 ， 另一部分 4 4 0 进一步膨胀制冷并冷却压缩的处理流 ， 从而 提高了液化天然气生产率。 3 ． 3 与制冷工质相结合的液化技术 D a n t e B o n a q u i s t 等设计的专利 ，结合了管网压 力能 与混 合制 冷剂 的液 化技 术” ；A B B L u mm u s G l o b a l 公 司设计了丙烷制冷和透平膨胀机制冷相结 合的小型天然气液化流程 ，使得液化效率更高 、成 本更低” 。张镨等结合天然气管网压力能的回收利 用 ， 提出了运用混合制冷剂循环获取高品质 L N G的 天然气液化系统- - 。 与制冷 工质相结合 的液化技术 面临 的主要 问 题 一是如何分配冷能与机械能 ；二是混合工质的 配 比及循环工况的选取。可以看出选取可靠 的制冷 工质 ，提高天然气液化率 已成为当前研究的重点。 3 ． 4 应用实例 我 国液化天然气工业起步较晚，但发展较快。 已基本掌握了小型天然气液化技术 ，并 已有多套小 型液化装置 小于 1 0 0 X 1 0 4 m ／ d成功应用 ，国内 表 3 国内利用管网压力能液化天然气的 L N G工厂 Ta b l e 3 Do me s t i c L NG p l a n t s u s i n g pi p e l i n e ’ S p r e s s u r e e ne r gy t o l i qu ef y nat ur a l ga s 4 结 语 高压天然气蕴含巨大的压力能，利用膨胀机可 以将天然气的压力能转化为机械能、冷能等能量形 式 ，用于天然气的液化 ，其突出的优点是消耗小 ， 几乎不需要消耗 电能，只对需要液化的天然气脱除 杂质 ，因而预处理的天然气量大为减少 约为总气 量的 2 0 ％～ 3 5 ％ o此外还具有流程简单 、设备少 、 操作及维护方便等优点。因此，它是目前重点发展 的一种液化方式 。 参考文献 [ 1 ]李长俊．天然气管道输送【 M] ． 第二版． 北京石油_T业出版社，2 0 0 8 ． [ 2]段 常 规 ． 燃 气 输 配 [ M1 ． 第 四 版 ． 北京 中 国建 筑工 业 出版 社 ．2 01 1 5 6 5 7 ． [ 3 ] 赵蕾，郭亚军， 朱常琳， 等． 工程热力学 双语版 [ M] ．北京 中国建筑 工业出版社，2 0 1 2 8 2 8 3 ． 【 4]张学学， 李桂馥， 史琳． 热工基础 【 M】 ． 第二版． 北京 高等教育出版 社 ．2 0 0 6 9 8 9 9 ． [ 5 ]申安云， 熊永强． 天然气管 网压力能利用工艺的0 分析【 J 】 ．煤气与 热力，2 0 0 8 ，2 8 1 1 B 0 1 一 B 0 2 ． [ 6 ]郑斌， 刘俊德， 刘风国． 天然气压力能回收的热力学分析与研究趋 势f J ] ．节能技术， 2 0 1 0 ， 2 8 4 3 1 1 - 3 1 2 ． [ 7] 王通旭 l， J 、 型撬装式天然气膨胀液化流程及装置的研究[ D 】 ． 北京北 京工业大学， 2 0 1 2 ． [ 8] 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 1 ．储运与集输工程， 2 0 0 6 ， 2 7 7 1 1 5 1 1 6 ． [ 9]闻菁 ，徐明仿．天然气管网压力能的回收及利用【J J ． 天然气工业 ， 2 0 0 7 ． 2 7 7 1 0 6 1 0 8 ． [ 1 0]杨克剑． 中小型天然气液化装置及其应用【 J J l 低温与超导 ，1 9 9 6， 2 4 2 5 5 ． [ 1 1 ] 顾安忠， 石玉美，汪荣顺．中国液化天然气的发展[ J 】 _ 石油化工技术 经济，2 0 0 4 1 9 1 1 - 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