摘　要：介紹國內外天然氣管網壓力能的回收利用技術分類及其研究進展，指出由于天然氣管網壓力能利用技術不成熟、政策支持力度小等因素使得天然氣壓力能回收在我國發展緩慢的現實問題，提出了提高壓力能利用技術水平、豐富壓力能利用方式并依托國家政策支持等解決措施。

關鍵詞：管網壓力能；  發電；  回收利用；  制冷

Research Progress in Recycling Technology of Pressure Energy from Natural Gas Pipeline Network

Abstract：The classification and research progress in recycling technology of pressure energy from natural gas pipeline network at home and abroad are introduced．It is pointed out that the reasons for slow development of natural gas pressure energy recovery in China are the inmmturi ty of recycling technology of pressure energy from natural gas pipeline network，lack of pol icy support and other factors．Some problem-solving solutions including improving the recycling technology level of pressure energy，enriching the utilization mode of pressure energy and relying on the support of state policies are proposed．

Keywords：pipeline network pressure energy；power generation；recycling；refrigeration

1　概述

隨著天然氣產業的迅速發展，我國加快了天然氣管網的建設。長距離、大口徑、高壓力、網絡化并逐步形成大型供氣系統已成為當前世界天然氣輸氣管道發展的總趨勢^[1]。高壓的天然氣蘊含巨大的壓力能，合理高效地回收利用該部分壓力能已引起人們的廣泛關注。然而，目前燃氣管網壓力能利用多限于理論研究。因此，有必要對國內外壓力能利用進行全面梳理，深刻剖析，結合國家政策及廠站實際情況指出其存在問題，提出解決方案，為相關工藝技術開發與項目建設提供參考依據。

2　壓力能回收利用技術概況

2.1　壓力能回收利用技術分類

目前常用的壓力能回收利用方式包括壓力能發電及壓力能制冷兩大類，主要用于發電、制冰、冷水空調、燃氣輪機進氣冷卻、天然氣脫水及其液化、制取干冰及液態CO2、輕烴分離、LNG及天然氣水合物(NGH)調峰、橡膠粉碎和冷庫等領域。日本用天然氣壓差發電來回收管道的壓力能已實現產業化；歐美國家利用管道壓力能為液化天然氣提供冷量的技術比較成熟^[2]。目前國內首個壓力能利用項目——深圳燃氣集團求雨嶺壓力能發電制冰項目為我國的壓力能回收利用提供了典范^[3-4]；在壓力能的其他利用方面，國內外均在開展相關技術的研究，但均尚未建設相應的回收裝置。

2.2　壓力能回收利用技術進展

目前，管網壓力能利用技術研究成果隨著天然氣產業的蓬勃發展而取得了很大的進展，研究領域涉及面較廣。國內外在壓力能利用方面的成功案例仍局限于發電和制冰，且壓力能利用效率也較低，因此，國內外的學者一直致力于壓力能的利用效率研究以提高壓力能利用效率。

Shen^[5]等提出了利用高壓天然氣管網壓力能制冷的天然氣液化工藝流程。該工藝將來自高壓天然氣管網的天然氣經過透平膨脹機做功，驅動液化工藝的壓縮系統壓縮機運轉，達到節能降耗的目的。高壓氣體在降壓膨脹后，產生的低溫流體中蘊涵著非常大的冷能^[6]。對于這部分冷能的回收利用，美國專利^[7-10]介紹了利用高壓管網壓力能制冷液化管道天然氣的工藝，對冷能也有較好的回收利用。

王松嶺等^[11]。提出了一種回收天然氣管網壓力能的新型燃氣一蒸汽聯合循環系統，具體流程為：高壓天然氣首先通過膨脹機膨脹做功，膨脹后溫度和壓力都降低，然后通過空氣進氣冷卻器，利用膨脹后低溫天然氣冷卻進入壓氣機的空氣，之后通過凝汽器，進一步吸收蒸汽輪機排汽熱量，最后經過排煙余熱回收器進一步加熱后送入燃燒室與從壓氣機進入的空氣混合燃燒。優點在于該流程主要通過膨脹機膨脹、進氣冷卻、提高凝汽器真空度、排煙余熱回收4個部分來回收天然氣能量，提高循環效率和能源的綜合利用率，最大限度地回收了管網壓力能。

中國專利l01245956A^[12]公開了一種利用天然氣壓力能的方法，即采用無動力制冷機降壓得到低溫天然氣，然后與常溫冷媒換熱，經降溫的冷媒最終被送至冷能用戶，升溫后的天然氣進入管網。該方法因工藝方便實用，同時降低運行成本而具有巨大的經濟效益，也可消除調壓過程中設備急冷的安全隱患。

羅東曉^[13]通過對透平膨脹機、渦流管、氣波制冷機3種設備回收壓力能制冷技術分析后，提出了某天然氣門站利用氣波制冷機回收壓力能的工藝流程。其中站內為冷能獲取部分，站外為冷能利用部分?；厥盏奶烊粴鈮毫δ苡糜诶鋷炜梢源骐娏χ评?，不僅節約了能源，而且解決了調壓過程中的噪聲和安全問題，具有顯著的環保效益和社會效益。

申安云等^[14]提出了一種利用天然氣壓力能的輕烴分離方法。該方法采用膨脹后的低壓天然氣進入脫甲烷塔，用于分離高熱值天然氣中的輕烴。該工藝由天然氣預冷、輕烴分離、冷能利用3部分構成。以某門站為例，利用模擬軟件對該工藝進行模擬計算，輕烴回收率可達到90％。此工藝在降低天然氣熱值的同時，可以回收大量的輕烴資源，而且整個系統的能耗較低，經濟效益十分顯著。

樊栓獅等^[15]將管網壓力能制冷與天然氣水合物調峰新技術聯合，在高效回收管網壓力能的同時。又實現了天然氣的安全儲存與凋峰。鄭志等^[16]認為將高壓天然氣管網調壓過程中回收的電能和冷能與天然氣水合物的制備工藝有機結合，優化和簡化了天然氣水合物的生成條件和制備流程，實現了天然氣水合物技術的規?；?。

論立勇等^[17]提出了基于輸氣管網壓力能的天然氣液化調峰方案，在調壓過程中進行天然氣液化，液化后的天然氣可以用于城市燃氣的日、時調峰；并對目前常用的調峰方案進行了比較，認為該方案幾乎無須消耗電能，運行費用低。

熊永強等^[18]為解決城市用氣的不均勻性，提出了一種通過回收天然氣調壓過程中的壓力能，利用膨脹制冷來制取液化天然氣的流程。該流程在增強燃氣企業調峰能力，平穩運行天然氣管網的同時，還可以回收天然氣中的輕烴資源。熊永強等^[19]也研制了一種為廢舊橡膠低溫粉碎提供冷源的制冷裝置，在此裝置中將高壓天然氣分為2股，分別用于通過氣波制冷機降壓產生低溫和高壓天然氣的預冷，最后用循環氮氣作為冷媒為廢舊橡膠提供冷源。該裝置不僅有效回收了管網壓力能，還降低了廢舊橡膠低溫粉碎的成本。

將上述管網壓力能利用技術研究成果進行匯總，結果見表1。

上述的研究成果均局限于理論研究，國內外的實際工程案例較少。美國蘭森能源公司發明了總流量發電機，一種主要適用于回收蒸汽和天然氣壓力能的螺桿膨脹機。將此發電機用于壓力能回收的工藝流程為：高壓天然氣先通過加熱器進行預熱，進入螺桿膨脹機膨脹發電，膨脹發電后的天然氣溫度降低，再根據中壓管網的最低輸送溫度要求，在必要時進行加熱后通過中壓管網輸送給下游用戶。回收壓力能所發的電量除了可供調壓站用電設施，還可以在允許發電上網的地方直接入網。深圳燃氣集團的求雨嶺壓力能發電制冰項目是我國首個壓力能利用項目^[3-4]，該項目工藝包括3個系統：天然氣膨脹發電系統、電壓縮制冷系統及制冰系統。將天然氣的壓力能通過膨脹發電供給電壓縮系統的壓縮機制冷，聯合調壓后的低溫天然氣為制冰系統協同供冷。該制冰項目發電功率可達200kW，制冰量為80t／d。項目總造價為1000×10⁴元左右，年節電效益達208×10⁴元。該項目中設備可橇裝化、多地點循環使用，全部設備均可國產化。

3　存在問題及解決措施

3.1　存在問題分析

①壓力能利用進展緩慢，工程實施嚴重落后。盡管壓力能利用的研究領域十分廣泛，涉及到壓力能發電、制冰、冷庫、輕烴分離、橡膠粉碎、天然氣液化及水合物調峰等多個領域，但大多仍處于理論研究探討階段，壓力能利用項目實際實施涉及到燃氣、電力、制冷等多個領域，實現多個產業之間的利益平衡是一個現實問題。

②壓力能利用效率低。現有的壓力能利用工藝，由于工藝較為復雜在實際建設中可行性較小，或者對壓力能回收不完全造成能量的浪費等，是造成壓力能利用效率低的主要原因。此外，壓力能利用過程中能量匹配的差異也會造成較低的壓力能利用效率。

③天然氣供給存在著季節、晝夜及小時的不均勻性。由于下游燃氣需求量隨季節和晝夜波動，決定了天然氣降壓過程中的冷能無法穩定回收。而冷能用戶的需求由冷產品的生產過程、市場需求決定。降壓制冷過程與用冷過程時間不一致，導致下游燃氣調壓需求與冷能用戶對冷能需求匹配程度不高，無法維持天然氣壓力能利用過程的持續穩定。

④中小型壓力能回收存在一定的局限性。目前我國中小調壓站數量多、分布廣，但壓力能的回收利用難度大。主要原因在于天然氣調壓站布局分散，調壓站與用電用戶之間存在著地理限制，不利于建設大型的電力回收系統。同時中小型的壓力能回收裝置技術不成熟，嚴重影響著調壓站壓力能回收的發展。

⑤壓力能利用技術成熟度不高。燃氣行業壓力能利用屬于一種新型的余壓利用。與其他的余壓利用項目相比，天然氣是一種易燃易爆的氣體，稍有不慎一經泄漏，極易發生火災爆炸危險。在未確定其安全可靠的前提下，企業與政府難以推動相關產業的發展。

⑥政策支持力度小。目前在壓力能利用的兩種主要方式發電與制冷中，壓力能用于制冷的利用項目受下游冷能用戶的影響較大；而壓力能用于發電的利用項目主要依賴電力設施的建設(政策允許的條件下)，應用較為廣泛，使得壓力能發電成為壓力能回收利用最主要的方式。然而，目前國家在發電上網方面未給出積極鼓勵政策，若開展壓力能發電項目，電能無法輸出的現狀也極大地限制了壓力能項目的開展。

3.2　解決措施

①優化改進工藝及設備，提高壓力能利用技術水平。通過對現有壓力能利用工藝及關鍵設備進行研究分析，依照具體情況進行工藝的優化完善及設備改進。同時，對各工藝進行各方面的對比分析，綜合考慮，全面規劃，選擇出最佳壓力能回收方案及最優的回收設備，提高能量利用率，促進壓力能利用技術的創新發展。

②合理建設壓力能利用項目，豐富壓力能利用方式，積極開展其技術經濟性能研究。目前壓力能利用主要集中在發電和制冷兩個方面，其中壓力能回收的冷量可應用在冷庫、制冰、天然氣脫水、輕烴分離、LNG和天然氣水合物調峰、橡膠粉粹等方面。具體的壓力能利用方式需根據實際情況而定，例如：可采用微型透平發電裝置回收建在燃氣用戶附近的中、小型調壓站的余壓，將這部分回收的電力直接供應附近樓字或居民小區使用。在大型調壓站附近建設熱電聯產的燃氣調峰發電廠，為起到燃氣凋峰的作用，電廠燃料燒嘴和燃料系統按使用兩種燃料來設計。在冬季電量需求相對較少的情況下，可以少發電多供熱，或把調壓站的余能回收電量直接并入電廠的供電系統等。另外，優化現有壓力能利用方式的同時，豐富壓力能利用方式，并積極開展其技術經濟可行性研究，對我國壓力能利用的發展至關重要。

③依托政府扶持政策，利用本身優勢大力發展。管網壓力能同收利用符合我國對于加快建設資源節約型、環境友好型和經濟型社會的發展要求，具有直接的社會效益和經濟效益。因此，除了積極爭取得到政府扶持外，還要發揮自身優勢進行全力發展。壓力能回收項目需要在政府統籌規劃之下，有計劃地進行招商引資，并配合當地的發展規劃，爭取實現與調壓站同步建設。同時，爭取在用地和融資等方面的優惠，申請按照國家有關資源綜合利用產業減免稅收的優惠政策減免各項稅賦，從而順利開展這種節能減排項目。

4　結語

管網壓力能的高效回收利用可以提高能源綜合利用率，緩解緊張的用能壓力，增加天然氣管網運行經濟性。但壓力能回收利用項目存在進展緩慢、實施落后、技術成熟度低和利用效率低等問題，主要體現在如下幾方面：現有的壓力能回收利用工藝利用效率低、調壓站的分散性、調壓站處理量及壓力的差異限制、調壓站與下游用戶在時間和空間上的不同步、壓力能利用與實際結合不充分等，迫切需要系統全面地解決。因此，可以通過統籌規劃壓力能利用產業鏈，做好調查，加快建設壓力能利用項目，同時豐富壓力能利用項目并依靠政府推動，加強扶持力度等方式加快解決，從而使壓力能回收利用技術更好地沿著節約高效、清潔環保的新型能源道路發展。

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本文作者：高順利  顏丹平  張海梁  李夏喜  孫寶躍  徐文東  李俊麗

作者單位：北京市燃氣集團有限責任公司高壓管網分公司

  華南理工大學化學與化工學院