高压管网天然气压力能回收利用技术.pdf

2 0 1 0年第 2 9 卷第 l 2期 化 工 进 展 CHE MI CAL I NDUS T RY AND ENGD旺} ERI Na P R0GRES S 2 3 8 5 e ／ 0 气 进展与述评 ／ 高压管网天然气压力能回收利用技术 徐文东 ，郑惠平 ，郎雪梅 ，陈玉娟 ，樊栓狮 华南理工大学化学与化工学 院，传热 强化与过程节能教育 部重点实验室，广 东 广州 5 1 0 6 4 0 摘要天然 气高压 管 网蕴含 了大量 的能量 ，2 5℃的天然 气由 4 ． 0MP a降为 0 ．4MP a时，可 回收压力能约为 3 2 2 l d ／ k g ，而实际过程却很 少回收利用 。文 中阐述 了目前 高压管 网天然气压 力能用于发 电和 制冷的两种主要 回收利 用方 式。在发 电方 面，结合发 电厂的余 热回收、燃气轮机进 气冷却技术 ，主要有 3种发 电方 式；在 制冷方面， 主要是膨胀制冷并用于燃气调峰、冷库 、冷水空调、橡胶深冷粉碎以及轻烃回收等。针对 目前所存在的问题 ， 为了提 高天然气压力能利用效率，扩展该系统操作弹性，文中提出了一种新型工艺，即在高压天然气膨胀制冷 的同时，将膨胀机输出功用于压缩冷媒制冷系统，大幅提高制冷效果。 关键 词天然气；管 网；压 力能；发 电；制冷 中图分类号T Q 0 8 3 ．4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 01 22 3 8 5～ 0 5 Re c yc l i ng o f na t ur a l g as pr e s s ur e e ne r g y f r om h i g h - pr e s s ur e pi pe l i ne ne t wo r k X UW e n d o n g ，Z H E NGHu i p i n g ，L A NGX u e me i ，C H E NY u j u a n ，F A N S h u a n s h i Ke y L a b o f E n h a n c e d He a t Tr a n s r a n d En e r g y Co n s e r v a t i o n o f t h e Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， S c h o o l o f Ch e mi s t r y and Ch e mi c a l E n g i n e e r i n g ，S o u t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， Gu a n g z h o u 51 0 6 4 0 ，Gu a n g d o n g ，Ch i n a Abs t r a c t The r e i s m u c h e n e r g y i n hi g h pr e s s ur e na t u r a l ga s pi pe l i n e ne t wo r k， a nd a b o ut 32 2 k J g p r e s s u r e e ne r g y c a n be r e c y c l e d f r om t h e d e p r e s s u r i z a t i o n p r oc e s s o f n a t u r a l ga s a t 2 5℃fro m 4． 0 M Pa t o 0． 4 M Pa ， h o we v e r ， on l y a l i t t l e o f wh i c h wa s r e c yc l e d i n t h e a c t u al d e p r e s s u r i z a t i o n p r o c e s s ． Th i s pa pe r d e s c rib e s t ow r e c y c l i n g m e th o ds o f n a t u r a l ga s p r e s s u r e e ne r g y f r o m hig h p r e s s u r e p i pe l i n e n e t wo r k， p o we r g e n e r a t i on a nd r e f r i g e r a t i on． Fo r p owe r g e ne r a t i on， c omb i ne d wi t h the t e c h n ol o g y o f wa s t e h e a t r e c ov e r y a n d g a s t u r b i ne i nl e t a i r c o o l i ng， t he r e a r e ma i n l y t h r e e p owe r ge ne r a t i on mo d e s ； f o r r e f rig e r a t i o n， th e c o l d e ne r g y fro m n a t u r al ga s e x pan s i o n c o ol i n g i s ma i n l y us e d fo r n a t u r a l g a s p e a k s ha vi ng， c o l d s t o r a g e s， c o l d wa t e r a i r c on d i t i o ne r s， r u bb e r c ry og e ni c g rin di n g a n d l i g ht h yd r o c arb o n r e c yc l i ng． I n o r d e r t o i mpr ov e t he u t i l i z a t i o n e ffi c i e n c y o f na t ur a l g a s p r e s s u r e e n e r g y， a nd t o e x pa n d t he f l e x i bi l i t y o f s ys t e m op e r a t i o n， a n e w t e c h no l og y i s pr o po s e d， whi c h C an r e c o v e r t h e o u t pu t p o we r o f t u r bo e xp a n d e r for c omp r e s s i n g r e f rig e r an t i n t h e r e f rig e r a t i o n s ys t e m whi l e h i g h p r e s s u r e na t u r al ga s i s e x pa nd e d fo r l o w t e m p e r a t u r e ．Thu s， the p r o po s e d n e w t e c h n ol o g y c a n s u bs t a n t i all y i mpr ov e th e r e f rig e r a t i o n e ffi c i e nc y． Ke y wor ds n a t u r a l g a s ； h i gh p r e s s u r e p i pe l i ne n e t wo r k； p r e s s u r e e n e r gy； p owe r ge ne r a t i o n； r e f rig e r a t i on 当前世 界上天然气 的长输 管道均采用高压输 送，国外长输管道 的输送压力多数都在 1 0 MP a以 上 。我国天然气 的长输管道也采用高压输气，如 收稿 日期2 0 1 0 0 5 ． 1 7 ；修改稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 6 。 第一作者简介 徐文东 1 9 7 2 一 ，男，博士 ，研究员，研究方向为 天 然 气 储 运 、L N G 冷 能 利 用 及 炭 材 料 制 备 及 应 用 。E ma i l wd x us c u t ． e d u ．c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 化 工 进 展 2 0 1 0 年第 2 9 卷 “ 西气东输”和 “ 陕一 京二线 ”等的输气压力都达到 了 1 0 MP a 。 表 1 提供了国内部分输气管网的压力口 J 。 上游天然气通过高压管网送至各城市或大型用户， 通过各地天然气调压站降压至 0 ． 4 MP a 左右送至用 户使用。调压站一般采用调压阀进行降压 ，导致管 网压力能不能回收利用 r 。。 。 。因此，随着天然气压 力的降低，损失了大量的压力能，例如高压天然气 由4 ． 0 MP a降为 0 ． 4 MP a时，可回收的最大压力能 约为 3 2 2 k J ／ k g ，以 1 2 0 x l O m3 ／ a的输气量计算，每 年这样 的管 网可回收 的最大压 力能约为 3 ． 5 x 1 0 k J 。我 国将在 2 0 1 5年前建成 “ 两横两纵”的天然气 输送管道共计 1 2 3 7 4 k m，干线管道将 由2 0 0 0年 的 1 0 6 3 8 k m增加为 2 3 0 1 2 k m j 。天然气工业的发展， 意味着如果不采取压力能回收行动，将会有更多的 压力能被浪费，因此，回收利用这些压力能便成了 当务之急。 表 1 国内部分输 气管 网压力 回收天然气管 网压力能，即以透平膨胀机或 气波 制冷机 或其组 合代 替调压 阀进行 天然气 的 降压L 3 - 4 ] 。为了回收天然气管网压力能，研究者 提 出了几种回收利用方式，主要有利用天然气压力 能发电和制冷两种方式。2 1世纪伊始，日本东京电 力公司就建设了一座利用天然气压力差发电能力为 7 7 0 0 k W 的电站 J ，是世界上为数不多的利用天然 气压力能的发 电站。而国内工业应用较多的方式是 利用天 然气压 力能制冷 ，进 而将冷 量用于 城市燃 气 调峰。为了提高压力能的利用效率，研究者提 出了 其它的利用方式，即制冷以及制冷与发 电相结合的 利用方式。 利用高压天然气发电和制冷，在城市调压站用 透平膨胀机替代减压设备 回收压 力能时，仅需改 造调压站 的越站旁通管道 ，增加膨胀机前后 的截 断阀门、透平膨胀机及发 电、配 电装置。原有调 压 系统可作为透平发电系统故障检修 时的供气备 用装置 】 。然而却能带来 巨大经济效益 根据文 献[ 8 ] ，以 6 0 1 0 m ／ a的天然气用量， 经调压站降 压按 1 0 MP a降到 4 MP a 计， 全年可发电量 1 ． 2 1 0 k W h ，若上网电价按 0 ． 3元／ k w． h 计，每年可回 收资金 3 6 2 3万元；以冷库为例 ，2 5℃，1 t 天然气 从 4 ． 0 MP a降为 0 ． 4 MP a时，可为冷库提供冷量约 1 51 ． 5 kW h。 1 高压 管网天然气压力能回收利用 方式 目前 国内外回收利用天然气管 网压力能的方 式主要有发 电和制冷两大类。利用压力能发电，产 生的电能可进入城市电网， 或用于发电站 自身生活、 生产使用，或用于分布式制氢 J ；在制冷方面， 目 前主要是将膨胀后低温天然气的冷量 ，用于燃气 调峰 、冷库、冷水 空调 、橡胶深冷粉碎 以及 轻烃 回收等。 1 ． 1 利用高压管网天然气压力能发电 将高压管网天 然气压力能 回收并用于发 电主 要是以膨胀机代替传统的调压阀来回收高压天然气 降压过程 中的压力能，并将其用于发电，具体说有 3种方式。 1 利用天然气膨胀机输 出功驱动同轴发电机 发电。这类工艺一般在天然气膨胀前先将其预热， 以保证天然气膨胀后的温度在 0℃以上，从而可防 止天然气 中的水汽凝结【 l 刚 。文献[ 1 0 】 将 内燃机的余 热用于预热天然气至 4 0 2 0 0℃，膨胀后的天然气 膨胀带动发电机发电，同时将部分膨胀后的天然气 燃烧发 电。利用该工艺，1 m 标准状态下天然 气可发电 7 k W h ，是一般的热 电联供机组的两倍。 2 不利用天然气膨胀所做功，将膨胀后的低 温天然气冷量用于燃气轮机进气冷却 。该方式可增 加进入压气机和燃气透平 的空气质量 ，从而在压 比不变 的情况下减少所需 的压缩功，同时省去了 发电厂传统的燃气轮机机组冷却设备。Ma h mo o d 等l 1 u 提出一种可使压气机进 口空气温度降低 4 ～2 5 ℃，并可将一年中近 1 0个月的燃气轮机效率提高 1 ． 5 ％～5 ％ 1 1 ～1 2月份的燃气轮机效率没有 明显 提高的发 电工艺。该工艺也需要先对高压天然气 进行预热，然后进入膨胀机制冷，膨胀后的低温天 然气用 以冷却压气机进口空气，进而提高燃气轮机 效率。 3 上述两种方式结合， 在利用膨胀机做功的 同时也利用膨胀后天然气的冷量。如文献[ 1 7 1 中， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 2期 徐 文东等高压 管网天然气压力能回收利用技术 2 3 8 7 2 5℃、 4 MP a天然气膨胀至 0 ． 4 MP a后温度在 --7 6 ℃左右，需要将其加 热至 0 ℃以上后进入燃气 管 网。为节省加热膨胀后低温天然气的热源，进一步 利用了该低温天然气 的冷量，将低温天然气冷量用 于冷却压气机进 口空气，如文献[ 2 ，1 2 ] ，此类方式 也将经膨胀、升温后的部分天然气进入燃烧室燃烧 发 电。美 国专利 U S 2 0 0 9 ／ 0 2 7 2 1 1 5 A1 I 1 将高压天然 气进行多级膨胀做功，并利用冷媒回收各级膨胀后 低温 天 然气 冷 能。 1 ． 2 利用高压管网天然气压力能制冷 利用高压天然气压力能制冷，即利用透平膨胀 机、气波制冷机等设备实现高压天然气的降压，以 冷媒 回收降压后低温天然气 的冷量，并将冷量供给 多种冷量用户 ，这类工艺大都没有对透平膨胀机的 输出功进行回收。 1 ． 2 ． 1 高压管网天然气压力能制冷用于燃气调峰、 轻烃回收以及天然气脱水 城市燃气用量随时段、昼夜 、季节等波动非常 大，因此， 投资建设天然气调峰设施显得非常必要 。 如地下储气库、高压储罐、高压输配管网及液化天 然气等，其中以高压储罐或高压管道储气的单位储 气投资费用最高，以建设地下储气库的费用最低， 但需要将天然气压缩至近 2 0 MP a储存 ， 消耗大量能 量，且需要 良好的地质条件【 I 。利用膨胀后低温天 然气的冷量用于液化天然气 L NG或者生产天然 气水合物 N GH ，以此 方式进行调峰 。文献 [ 1 5 1 提出了一种基于管网压力能回收的液化调峰方案， 即在调压过程中同时进行天然气的液化，用液化天 然 气 来 达 到 削 峰 填 谷 的 作 用 。 中 国 专 利 2 0 0 9 1 0 0 3 9 1 2 8 ． 8 【 l 刨 将天然气膨胀后低温天然气的冷 量用于生成 NG H，部分天然气以 NG H 的形式储存 起来 ，从而起到储气调峰的效果 。文献[ 1 7 1 将高压 天然气调压过程 中回收的电能和冷能，用于 NG H 的储气调峰，简化了 NG H的制备流程。 文 献 [ 1 4 ] 对 比 了 一 系 列 专 利美 国 专 利 US6 4 4 9 98 2 US6 0 23 9 42 、US 60 8 55 4 6、US60 8 5 5 47、 US 6 3 7 8 3 3 0以及 中国专利 2 0 0 4 1 0 0 8 5 5 4 0 ． 0等 ，提 出了一种效率较高的利用天然气膨胀制冷 的液化天 然气调峰以及 回收轻烃 的工艺，高压天然气预冷后 膨胀，膨胀后的低温天然气在用于液化调峰 的同时 回收了天然气 中的轻烃资源 ，为石化工业提供优质 的化工原料 ，流程的总液化率最高可达 1 8 ． 1 ％。其 中乙烷、c 3 以及 C 4 的回收率最高分别为 9 7 ． 6 ％、 9 9 ． 9 ％和 9 9 ． 9 ％。大连理工大学u 驯 于 1 9 9 7年公开了 一 种利用高压天然气膨胀制冷 的脱水工艺，采用气 波制冷机为高压天然气的降压设备，通过两级预冷 及分离和 甲醇滴注等方式 ，最终实现天然气脱水。 中国专利 1 5 1 5 8 1 8 A[ 1 9 1 公开了一种利用多种方式 甲 醇滴注 、氨压缩和高压天然气膨胀制冷 进行天然 气脱水，同时副产轻烃的工艺。 采用 L NG或 NG H方式进行调峰，膨胀后的低 温天然气可为生产 L NG和 NG H提供冷量，降低了 二者 的生 产成本 ，但 生产 L N G 需 要将 天然 气冷 却 至一1 6 2℃以下 ，而即使是 8 ． 0 MP a的常温天然气 膨胀降压至 0 ． 4 MP a时， 温度也只有 一1 0 4 ℃左右， 也就是说除了利用管 网压力能制得的冷量外还需要 大量的冷量 ；而生产 NG H 需要较高的压力，距离 工业化还有一段距离。 1 ． 2 ． 2 高压管 网天然气压 力能制冷用于橡胶深冷 粉碎 工业 上深冷 粉碎橡胶一般需要将原料胶冷却 至 m7 0℃以下 ，以增强粉碎效果 。文献【 2 0 】 介绍了 一 种利用回收高压天然气调压过程的压力能为废旧 橡胶低温粉碎提供冷源的工艺 图 1 ，不仅能够使 高压天然气 的压力能得到有效的回收利用 ，而且能 够 降低废 1 日 橡胶低温粉碎 的成本 。以处理 能力约 1 4 0 0 0 m ／ h 的调 压 站 为例 ，2 0 ． 0 ℃ 的天然 气 从 5 MP a 降压至0 ． 5 MP a ，所 提供 的冷 量能够 生产 1 ． 0 1 0 t 胶粉，处理 8 0万～1 0 0万条废旧轮胎【 2 刚 。 1 ． 2 ． 3 高压管网天然气压力能制冷用于冷库及冷水 空 调 传统冷库制冷采用电压缩氨膨胀制冷 ，需要消 图 1 用 于橡 胶粉 碎的高压天然气压力能制冷装置流程 图 1 ，3 一气波制冷机；2 ，7 一板翅式换热器 ；4 一透平膨胀机； 5 一氮 气 压缩杌 ；6 一 水冷 却器 ；8 一 粉碎机 ；9 一 冷冻 室 ； l O 一胶粒预冷室 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 3 8 8 化 工 进 展 2 0 1 0年第 2 9卷 耗大量的电力。以氨为制冷剂 ， l k W 的电力可制得 约 2 k W 的冷量，将天然气压力能用于冷库可大大 降低冷库的运行成本 。中国专利 1 0 1 2 4 5 9 5 6 A L 2 采 用气波制冷机调节天然气压力，将降压后的低温天 然气梯级用于冷库、冷水空调、千冰制各等系统， 节电效益分别为 5 2 7万元／ 年、2 5 0万元／ 年及 1 0 2 4 万元／ 年，其工艺见图 2 。只是该工艺采用的制冷剂 R 4 1 0 A在 国内的普及程度不高，实用性不强，且气 波制冷机制冷效率不高。 2 存在 的问题及 解决措施 2 ． 1 现有天然气管 网压力能回收用于发 电方面存 在的问题及解决措施 现有 的回收天然气压 力能大多是通过特 定设 备 透平膨胀机、气波制冷机等有效回收天然气 管网压力能的技术方法，高压天然气压力能用于发 电存在较大的困难，具体说来有以下两点 ] ①城 市天然气调压站布局分散，不利于建设大型电力回 收系统； ②发 电时要求天然气压力和流量相对稳定， 而天然气 的使用存在着严重的季节、昼夜 以及小时 的不均匀性，无法满足该种设备的稳定运行。 针对天然气管网压 力能用于发 电技术所存在 的问题，李峥等【 8 】 给出了几点建议 ①在 中小型调 压站使用 3 0 k W 以下的微型透平发电装置， 可实现 小区或某一楼宁供 电；③大型调压站建设调峰发电 厂，使用两种燃料设计，夏季多用天然气发电，而 冬季少用甚至不用；③此外，为使电厂稳定运行 ， 还需建设必要的调峰设备。 2 ． 2 现有天然气管网压力能回收用于制冷方面存 在的问题及解决措施 天然气调压站在实际调峰时，为了不使降压后 的天然气温度过低，在天然气膨胀前都要先将其预 热，将天然气压力能用于制冷，则节省了这部分热 高压大然 气 气波 制 源，将膨胀后的低温天然气冷量进行回收用于不同 冷量用户，在节省热源的同时为用户提供了冷量， 具有一定的实用性。但高压天然气压力能用于制冷 时多数只利用 了膨胀制得的冷量；且采用气波制冷 机时，制冷效率较低 。 为进一步提高压力能回收利用率，本文作者所 在课题组提出如图 3 所示工艺，在利用膨胀后的低 温天然气冷量的同时，利用天然气膨胀机输出功驱 动压缩机做功，节省了压缩机电耗。该工艺包含天 然气压力能制冷单元和冷能利用两个单元。其中压 力能制冷又分为两种方式 ，即利用冷媒回收高压管 网天然气膨胀后的低温冷量，同时将天然气膨胀机 输 出功用于压缩制冷系统中，压缩后的气态冷媒经 冷凝后进入冷媒储罐备用。冷能利用单元是将上述 过程所制得的冷能充分用于冷库、冷水空调或其它 冷产业。该工艺是在利用高压管网天然气压力能制 冷的普遍方式基础上加入了膨胀机输 出功回收环 节，并将其与传统的电压缩制冷系统联合，节省了 压缩机功耗；同时，工艺中高低压天然气调峰罐的 使用，起到了稳流天然气的作用，保证 了膨胀机输 出功的稳定性。 采用 A s p e n软件 ，选择 S R K 方程为热力学方 程 ，进行工艺模拟。结果显示，1 t 2 5℃的天然气 从 4 MP a降压至 0 ． 4 MP a ， 压力能为 3 2 2 MJ ，即 8 9 k W． h ，可为冷能用户提供冷量约 1 5 1 ． 5 k W． h ，则每 小时可为采用传统压缩氨制冷方式的冷库节省液氨 压缩机 电力消耗约 7 6 I 3 k W． h 。 3 结 语 天然气管网压力能发 电项 目可在增加较低的设 备和运行费用下获得较大的经济效益，天然气管网 压力能制冷项 目可为制冷行业带来廉价的高品质冷 能，大大节省传统制冷费用，具有很好的发展前景。 3 0 ℃ 冷库 一 1 5 ℃ 冷库 空调冷 水系 统 图 2 高压天然气经制冷机膨胀 制冷并用于不同温位冷能用户 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 2期 徐文东等 高压管 网天然气压 力能回收利用 技术 2 3 8 9 l 5 图3 高压天然气压 力能利用工艺流 程 ⋯ ． ．天然气 线 ⋯ ⋯ ⋯ 一 天然气副线 冷媒 水一⋯⋯一一一 功传递 图 3 高压天然气压 力能利用 工艺流程 l 一高压天然气调峰罐 ；2 一膨胀机3 ，7 ，9 一换热器4 一低压天然气调峰罐5 ，8 一液冷媒储罐；6 冷库 ；l 0 ，l 1 ，1 2 一压缩机 l 3 冷水空调；1 4 一冷媒气储罐，l 5 一 离心泵；1 6 一天然气门站原有调压阀等调压设备1 7 ，l 8 一调压 阀 1 9，2 O，21 一 三通 阀 ；2 2 阀 门 目前 这些利用方式所存在 的较 为严 重 的问题 是①燃气调峰与压力能发电系统的协 同问题；② 压力能制冷效率较低 。为提高压力能制冷效率，提 出如图 3所示工艺，采用透平膨胀机，以高压天然 气膨胀所做功为压缩氨制冷系统提供动力，同时以 冷媒回收膨胀后的低温天然气冷量，可将其用于冷 库 、冷水空调等系统。利用该工艺，2 5℃、4 MP a 天然气降压至 0 ． 4 MP a 时， 每吨可提供冷量约 1 5 1 ． 5 k W h ，则可为采用传统电压缩制冷方式的冷库节 电 约 7 6 ． 3 k W h 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