摘　要：分析天然氣管網壓力能利用潛力，研究將天然氣余壓分布式用于發電－制冰、發電－CNG加壓、發電－生產LNG冷電聯供工藝。

關鍵詞：天然氣余壓；  冷電聯供；  壓力能

Research on Cooling and Power Generation System Using Excess Pressure from Natural Gas High-pressure Network

Abstract：The utilization potential of pressure energy from natural gas network is analyzed．The distributed applications of natural gas excess pressure to cooling and power generation system for power generation-ice，power generation-CNG pressurization and power generation-LNG are researched．

Keywords：natural gas excess pressure；cooling and power generation；pressure energy

1　天然氣高壓管網調壓過程余壓潛力

在天然氣管網的建設中，管網輸送的安全性和經濟性一直是人們關注的問題。為了節省管材和施工費用，天然氣采用高壓輸送，國外長輸管道的輸送壓力多數都在10MPa以上，國內陜京二線和西氣東輸等管道的設計壓力也都達到了10MPa。

天然氣以高壓的形式輸送至各大城市門站，經過調壓裝置調壓至下游用戶需要的壓力后進入城市管網供給用戶。在調壓的過程中，天然氣會產生很大的壓力降和溫度降，過程中壓力降可借助膨脹發電設備進行發電，溫度降為需要冷能的工藝或系統提供了可能。若輸送管道壓力為10MPa，下游用戶需求壓力為0.4MPa，則天然氣(甲烷)的比壓力火用為498.94kJ／kg。有資料顯示，2006年西氣東輸管道共計供氣9.9×109m3，折合甲烷質量為7.06×109kg，以此為例，則每年可回收的壓力能為3.52×1012kJ，相當于裝機容量為111.71MW的電站1年的發電量。因此，若能夠有效地將這部分壓力能進行分布式回收利用，將在很大程度上降低管網的運行成本和提高能源綜合利用率。

2　余壓冷電聯供分布式利用

目前余壓回收可用于發電[1]、空氣分離、制冰[2]、制取干冰、橡膠粉碎[3]、冷水空調、冷庫、天然氣液化[4-5]、CNG加壓[6]、海水淡化等領域，其中余壓發電、CNG加壓、天然氣液化、冷水空調及冷庫等技術相對成熟。為了提高能源綜合利用效率，根據“溫位對口，梯級利用”等原則，可以采用天然氣高壓管網余壓分布式利用。

2.1　余壓分布式用于發電－制冰

輸送至門站的高壓天然氣可以經過膨脹裝置進行回收發電，可滿足門站內生產、辦公設施對電能的需求，多余的電力驅動壓縮機制冰，也可以利用天然氣調壓后的冷能用于制冰工藝，因此可以將余壓用于發電－制冰。

華南理工大學徐文東教授開發了余壓分布式用于發電－制冰工藝，工藝流程見圖1。該工藝的實施地點在西氣東輸二線留仙洞門站，進口壓力為4.0MPa，出口壓力為1.6MPa，標準狀況下，天然氣的流量為1.5×104m3／h，溫度為20℃。天然氣經過過濾、計量后，進入透平膨脹機，帶動發電機發電，所發電力驅動制冰機制冰，天然氣膨脹后溫度降為-29℃，與Rl34a在R134a-NG換熱器中換熱升溫后進入下游天然氣管網。來自R134a-鹽水換熱器的制冷劑Rl34a分為兩股：一股制冷劑Rl34a經工頻壓縮機升壓升溫后，在R134a-NG換熱器中與-29℃低溫天然氣換熱，溫度降低后流經節流閥，溫度進一步降低，進入制冰系統制冰；另一股制冷劑R134a經變頻壓縮機后壓力和溫度升高，經循環水系統冷卻后流經節流閥，溫度進一步降低，進入制冰系統制冰，制冰后的制冷劑Rl34a溫度升高，完成制冷劑循環。循環水經泵升壓后，冷卻制冷劑R134a。

該余壓分布式利用工藝可發電200kW，可提供-16℃制冷劑Rl34a約9t／h，可制冰3.3t／h。若每年以8600h，電力0.85元／(kW·h)，冰200元/t計，年節電收益為146.2×104元，冰產品收益每年可得收入567.6×104元。

余壓分布式用于發電－制冰系統適用于以下場合：門站內生產需電、周邊或合理的范圍內有較大的冰需求(例海鮮市場、基因冷凍庫等)。

2.2　余壓分布式用于發電－CNG加壓

CNG加氣母站距離高壓天然氣管網較近，一般就設在高壓調壓站旁邊。因此，在高壓調壓站可以開發余壓分布式用于發電－CNG加壓工藝。

余壓分布式用于發電－CNG加壓工藝分為兩種類型：a．天然氣經過膨脹機后聯軸帶動壓縮機進行加壓；b．天然氣經過膨脹機發電，所發電能供給壓縮機進行加壓，以后者為例，此種類型的工藝流程見圖2。

工藝中所用天然氣為4.0MPa，20℃，部分天然氣經透平膨脹機后溫度降為-29℃，產生的低溫天然氣與直接進入CNG壓縮機壓縮后的天然氣在CNG-NG換熱器中換熱，升溫后輸送至下游天然氣管網；而經CNG壓縮機壓縮的天然氣加壓至25MPa，溫度升高至220℃左右，然后與低溫天然氣換熱后溫度降為40～50℃，輸送至CNG氣瓶車。

余壓分布式用于發電－CNG加壓系統適用于以下場合：門站、調壓站內生產需電、周邊有CNG加氣母站。

2.3　余壓分布式用于發電－生產LNG

筆者開發了一種余壓分布式用于發電－生產LNG的工藝，工藝流程見圖3。

天然氣(4.0MPa，30℃)分兩路，一路經過透平膨脹機1膨脹發電后，溫度降至-70℃左右，壓力降至0.4MPa，進入高低溫天然氣換熱器中與30℃的高壓天然氣換熱，溫度升到21℃，之后進入下游天然氣管網。另一路流出高低溫天然氣換熱器，溫度降低到-65℃進入1#儲罐，再經透平膨脹機2膨脹發電后，溫度降至-130℃左右，壓力降至0.4MPa，一部分流入氮氣－NG換熱器2與高溫氮氣換熱后，天然氣溫度升到30℃，之后進入下游天然氣管網；另一部分流入氮氣－NG換熱器1與低溫氮氣換熱后，天然氣溫度降至-160℃，最后進入LNG儲罐。來自2#儲罐的低壓氮氣，經過氮氣壓縮機由0.2MPa壓縮至0.8MPa，進入氮氣－NG換熱器2與天然氣換熱，溫度降至34℃，再進入氮氣換熱器與氮氣換熱，并再次降溫至-150℃，然后高壓氮氣進入氮氣膨脹機膨脹并發電后，壓力降至0.2MPa，溫度降至-185℃左右，進入氮氣－NG換熱器1與天然氣換熱，最后再次進入氮氣換熱器，氮氣溫度升至30℃后回到2#儲罐，如此循環。

余壓分布式用于發電－生產LNG系統適用于以下場合：門站內生產需電、周邊有LNG加氣站。

參考文獻：

[1]SANAYE S，MOHAMMADIN A．Modeling and optimizing a CHP system for natural gas pressure reduction plant[J]．Energy，2012，40(1)：358-369．

[2]陳秋雄，徐文東，安成名．天然氣管網壓力能發電制冰技術的開發及應用[J]．煤氣與熱力，2012，32(9)：A25-A27．

[3]熊永強，華賁，羅東曉，等．天然氣管網壓力能用于廢舊橡膠粉碎的制冷裝置[J]．現代化工，2007(1)：49-52.

[4]M1NTA M,BOWEN R R,STONE J B. Process for making pressurized liquefied natural gas from pressured natural gas using expansion cooling：US,6378330[P].2002-04-30.

[5]華賁，熊永強，羅東曉，等．一種用于燃氣調峰和輕烴回收的天然氣液化方法：中國，1743436[P]．2006-03-08．

[6]張輝．天然氣管網壓力能集成利用工藝研究(碩士學位論文)[D]．廣州：華南理工大學，2014：22-27.

本文作進：張輝　李夏喜　徐文東　邢琳琳　段蔚　朱軍

作者單位：北京市燃氣集團有限責任公司高壓管網分公司

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  華南理工大學