天然氣管網壓力能利用與水合物聯合調峰研究

摘 要

摘要：比較了7種天然氣儲氣調峰方式的優缺點，提出了利用高壓天然氣管網壓力能制冷與水合物儲氣調峰工藝流程。模擬結果表明，該工藝流程具有良好的節能效果和儲氣調峰功能。關鍵
摘要：比較了7種天然氣儲氣調峰方式的優缺點，提出了利用高壓天然氣管網壓力能制冷與水合物儲氣調峰工藝流程。模擬結果表明，該工藝流程具有良好的節能效果和儲氣調峰功能。
關鍵詞：天然氣壓力能；制冷；水合物；儲氣調峰
Study on Utilization of Pressure Energy from Natural Gas Network and Combined Peak-shaving with Hydrate
CHEN Qiu-xiong，XU Wen-dong
Abstract：The advantages and disadvantages of seven natural gas storage peak-shaving modes are compared. The technological process of refrigeration by pressure energy from high-pressure natural gas network and the gas storage peak-shaving with hydrate is put forward. The simulation results show that this technological process has excellent energy saving effect and gas storage peak-shaving function.
Key words：natural gas pressure energy；refrigeration；hydrate；gas storage peak-shaving
1 概述
天然氣是高效清潔能源，從20世紀80年代以來，我國天然氣探明儲量和產量持續快速增長。隨著西氣東輸、忠武線、澀寧蘭線、陜京一線和陜京二線等輸氣管道的建成投產，川氣東送工程開工建設，以及西氣東輸二線等項目工作的深入開展，一個覆蓋全國的天然氣管網正在逐步形成，管道沿線各城市也紛紛轉為使用天然氣[1]。
城市天然氣輸配系統中，各類用戶的燃氣需求量是不斷變化的，故用氣工況是不均勻的。而天然氣長輸管道給每個城市的天然氣的供應量是相對均勻的，不可能完全按照用氣量的變化而隨時變化。為保證燃氣安全、穩定、經濟、連續地輸送到各個用戶，必須考慮天然氣的供需平衡，即城市燃氣儲氣與調峰問題。
城市輸配系統的總儲氣量要求可參照表1。
表1 儲氣量占計算月平均日供氣量的比例
民用氣量占計算月平均日供氣量的比例/%
儲氣量占計算月平均日供氣量的比例/%
50
40～50
＜40
30～40
＞60
50～60
    目前，國內外解決城市天然氣調峰問題采用的主要儲氣方式有儲氣罐儲氣、輸氣管道末段儲氣、輸配管網儲氣、地下儲氣庫儲氣、高壓儲氣管束儲氣、液化天然氣等[2、3]，不同類型的天然氣儲氣調峰方式比較見表2[4～6]。
    現有調峰方式盡管有著各種作用及優勢，但仍存在經濟或技術問題。因此，需要尋找新的調峰方式，而利用天然氣高壓輸送的特點具有可能性。
采用高壓輸氣可以減小輸送管道管徑、節省管材和施工費用，故當前世界上天然氣的長輸管道均采用高壓輸送[7、8]。高壓天然氣需要在各地的天然氣門站或調壓站根據用戶的供氣壓力要求進行調壓，調壓是一個降壓過程，會浪費大量的壓力能。日本通過利用天然氣壓差發電來回收管網的壓力能[9、10]。而在國內，這部分寶貴的壓力能在門站的節流調壓過程中被白白浪費了[11]。壓力能不但浪費了，而且還可能對下游管道造成一定的冷破壞。如果能回收利用該部分壓力能，則可以提高能源利用率和天然氣管網運行的經濟性，同時可以消除降壓過程對設備損傷的隱患[12]。為此，筆者提出一種天然氣管網壓力能制冷與水合物集成利用技術，利用天然氣壓力能制冷生產天然氣水合物，同時把水合物氣化冷量用于空調、冷庫，實現城市天然氣管網的調峰功能，大幅度提高能量的利用效率[13]。
表2 不同類型的天然氣儲氣調峰方式比較[4～6]
儲存方式
天然氣狀態
優點
缺點
用途
儲氣罐
氣態，常溫，低壓或高壓
建造簡單
儲氣量小，占地面積大，經濟效益低，對安全性要求高
日、時調峰
輸氣管道末
段
氣態，常溫，高壓
調節靈活
儲氣量小，調節范圍小
日、時調峰
輸配管網
氣態，常溫，高壓
儲氣量較大
管網計算復雜，壓力等級多，調節難度大
日、時調峰
地下儲氣庫
氣態，常溫，高壓
儲氣量大，占地面積小，安全可靠性高
要求合適的地質構造，造價高，建設期長
季節性調峰，事故儲備，戰略儲備
高壓管束
氣態，常溫，高壓
壓力較高，節約空間
造價高，調節范圍小
日、時調峰
液化天然氣(LNG)
液態，低溫，低壓
儲氣量大
鋼材用量大，造價高，能耗高
適用于沿海地區，應急，調峰和戰略儲備
吸附天然氣(ANG)
氣態，常溫，低壓
在較低的工作壓力下，能有更大的儲氣量，靈活，安全可靠性高
還存在技術上的問題，尚未實現工業化
日、時調峰
2 工藝流程設計
本工藝設計的原則是：有效回收壓力能，既能提高能源利用效率，又能減少高壓天然氣降壓對設備造成的冷破壞；水合物具有較好的儲氣、調峰功能。其目的在于：充分回收利用天然氣管網壓力能，將冷能生成天然氣水合物，以供儲氣、調峰使用，將二者集成起來形成聯儲技術，有效解決天然氣管網壓力能利用和管網調峰問題。該工藝流程包括4個部分：天然氣壓力能制冷、利用冷能制備天然氣水合物、水合物儲存與氣化、冷媒循環。工藝流程見圖1。
 
   ① 天然氣壓力能制冷
   天然氣從高壓天然氣輸氣管道進入常規天然氣門站，初始壓力為4～8MPa，經過三向閥，天然氣門站的高壓天然氣被分成a、b兩股。滿足城市管網瞬時需求量的a股天然氣經過膨脹制冷設備進行膨脹制冷，壓力降至0.4～1.6MPa，溫度降為-112～-49℃。該膨脹過程產生大量冷量。低溫天然氣與冷媒在換熱器中進行冷量交換，溫度提高到5℃左右，進入城市管網；冷媒溫度降至-60～0℃，存于低溫冷媒儲罐中。
   ② 利用冷能制備天然氣水合物
   瞬時需求過剩的b股高壓天然氣進入水合物生成塔，與從塔頂噴淋裝置噴出的水接觸，低溫冷媒儲罐中的冷媒為水合物生成塔提供冷量。在水合物生成時通過低溫冷媒把水合物生成塔溫度降至4～11℃，在該溫度壓力條件下，生成天然氣水合物漿。
   ③ 水合物儲存與氣化
用氣低谷時，用戶使用的天然氣較少，此時天然氣主要流向b股。該高壓天然氣進入水合物生成塔中與水接觸，由冷媒提供水合物生成所需要的冷量，將天然氣儲存在水合物中。水合物漿流至水合物儲罐中在低溫下儲存，以供用氣高峰時調峰使用。
    用氣高峰時，將溫度較高的冷水空調機組中經換熱升溫的冷媒水對水合物儲罐供熱，水合物儲罐中的水合物受熱分解，天然氣從水合物儲罐頂部流入城市管網，補充了城市燃氣用量，解決了高峰用氣問題。
   ④ 冷媒循環
   水合物氣化時釋放的冷量由冷媒水帶出，送入冷水空調機組作為空調冷媒水；換熱升溫后的冷媒水返回水合物儲罐，為天然氣水合物的氣化提供熱量，冷媒水循環使用。
3 流程模擬及結果分析
本工藝流程模擬的初始條件為：天然氣組成假定為純甲烷，溫度25℃，壓力為4.0～8.0MPa，質量流量為1000kg/h。通過改變天然氣壓力(4.0～8.0MPa)、水合物生成條件(生成壓力：4.0～8.0MPa，生成溫度：4.0～11.0℃)，具體結果見表3。
表3 天然氣高效利用與水合物聯合調峰工藝模擬結果
天然氣膨脹機組制冷系統
水合物生成和氣化系統
冷媒循環系統
入口壓力/MPa
出口壓力/MPa
出口溫度/℃
冷能溫度分布/℃
制冷量/kW
生成壓力/MPa
生成溫度/℃
生成量/(kg·h-1)
氣化壓力/MPa
氣化溫度/℃
冷能溫度分布/℃
利用量/kW
 
8.0
0.4
-112
-60～5
71
8.0
11.0
1 203
0.4
＞-10
-20～15
60
 
5.0
0.4
-94
-60～5
58
5.0
6.0
983
0.4
＞-10
-20～15
49
 
7.0
1.0
-77
-60～5
50
7.0
9.5
849
1.0
＞-5
-20～15
42
 
7.0
1.6
-51
-40～5
35
7.0
9.5
592
1.6
＞0
-15～15
30
 
4.0
1.0
-49
-40～5
46
4.0
4.0
551
1.0
＞0
-15～15
27
 
表3結果顯示，本工藝有效回收了高壓天然氣管網壓力能，將其用于制冷，制冷量為35～71kW，冷媒循環系統中冷媒的利用量為27～60kW，水合物生成量為551～1203kg/h。天然氣膨脹機組制冷系統中冷能溫度分布范圍越低，水合物生成和氣化系統可利用的冷能就越多，越容易形成水合物，水合物儲氣能量速度越快，儲氣密度越高。生成的大量天然氣水合物顯示了天然氣水合物的儲氣能力，以此可實現天然氣的安全儲存和調峰。在相同膨脹效率及出口壓力時，隨著進氣壓力的增加，制冷量及水合物生成利用的能力隨之增加，因此，壓力越高的高壓天然氣管網中可回收的壓力能越多，水合物調峰能力越強。
在實際操作中，可根據不同用氣量及壓力進行相應調整。假如：在初始條件中，夜間0時至4時為天然氣用氣低谷時段，天然氣的用氣量為日間用氣量的30%，即有300kg/h的天然氣用于城市夜間使用，剩余的700kg/h的天然氣將壓力能制冷產生的冷量用于合成天然氣水合物，采用水合物進行儲存，以供用氣高峰時調峰使用。假定冷量利用效率為0.85，則平均全天壓力能產生冷量約為3.15×106kJ，可合成水合物14850kg，儲存天然氣1875kg，基本滿足調峰所需。當天然氣用氣量較大時，可將儲存于天然氣水合物儲罐中的水合物升溫氣化，用于補充城市管網的天然氣缺口。此外，水合物氣化產生的冷量還可以用于冷水空調機組。
4 結論
① 將天然氣管網壓力能膨脹制冷，在用氣低谷時利用自身冷能合成天然氣水合物進行儲存，在用氣高峰時把天然氣水合物進行加熱輸出天然氣，達到削峰填谷的作用；同時用氣高峰時的天然氣膨脹制冷和水合物氣化所釋放出的冷量都可集成用于冷水空調，提高了能源利用率。
    ② 充分利用了高壓管網天然氣壓力能，在天然氣進口壓力為8.0MPa，出口壓力為0.4MPa，進口溫度為25℃，出口溫度力-112℃，質量流量為1000kg/h條件下，最高制冷量可達到71kW，水合物生成可利用量達60kW。合成水合物所需的冷量不需要通過電制冷方式外加冷量，直接回收了高壓天然氣膨脹產生的冷量，大大提高了能量利用效率。
   ③在上述條件下，水合物生成量可達到551～1203kg/h，既能有效回收壓力能用于冷水空調，又能實現天然氣的安全儲存和調峰。
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(本文作者：陳秋雄1 徐文東2 1.深圳市燃氣集團股份有限公司 廣東深圳 518040；2.華南理工大學 傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室 廣東廣州 510640)