城市門站壓力能回收設備研究應用進展

摘 要

摘要：透平膨脹機、渦流管可替代傳統的節流閥，有效回收城市門站調壓過程中損失的壓力能。介紹了透平膨脹機、渦流管的國內外研究應用現狀，提出了應用前景展望。關鍵詞：壓力能回收
摘要：透平膨脹機、渦流管可替代傳統的節流閥，有效回收城市門站調壓過程中損失的壓力能。介紹了透平膨脹機、渦流管的國內外研究應用現狀，提出了應用前景展望。
關鍵詞：壓力能回收；膨脹機；渦流管
Research and Application Progress of Facilities Recovering Pressure Energy in City Gate Station
SUN Jie
Abstract：The traditional throttle valve can be replaced by turbo-expander and vortex tube to effectively recover the lost pressure energy during pressure regulation in city gate station. The present status of research and application of turbo-expander and vortex tube at home and abroad are introduced，and the application perspective of these facilities is presented.
Key words：pressure energy recovery；expander：vortex tube
1 概述
    隨著我國天然氣開發力度加大，用戶需求不斷增長，我國天然氣管道建設得到了迅猛發展。截至2009年，我國天然氣干線長度已達3.8×104km，隨著管材材質的提高，天然氣管道設計運行壓力逐步提高，近年來建設的西氣東輸、川氣東送輸氣管道設計壓力均提高到了10MPa，而管道沿線城市管網設計壓力多為1.6～4.0MPa，因此需在城市門站進行調壓。
    在傳統調壓過程中，高壓氣體經節流閥絕熱膨脹，壓力降低，同時產生數量可觀的冷量。在這個調壓過程中，大量的流體機械能轉化為冷能散失在環境中[1～3]，在建設資源節約型、環境友好型社會進程中，如對這一能量加以回收利用，經濟效益、社會效益顯著。
2 可替代節流閥的天然氣調壓設備
    針對輸配氣過程中壓力能利用的問題，美國、英國、加拿大、俄羅斯等國自20世紀80年代就開展了相關研究。目前可替代節流閥的設備主要有透平膨脹機、渦流管2種，降壓過程中產生的能量可用于發電、冷能回收、副產LPG或LNG等。
   ① 透平膨脹機
   利用膨脹機降壓回收能量，一方面可利用膨脹機輸出的軸功，另一方面天然氣輸出軸功后溫度下降幅度很大，大大超過節流閥在同等壓力降下的溫度降，因此還可利用膨脹機的制冷特性獲得冷能。由于國外膨脹機技術集中，加上國內各制造廠商在透平膨脹機方面起步較晚，當前我國應用于石化、天然氣領域的低溫膨脹機，如液化石油氣、液化天然氣等工藝流程中的膨脹機基本依賴進口。
    ② 渦流管
    渦流管具有能量分離特性，高壓氣經渦流管減壓處理后，將會在管中心產生一股冷流，在外側產生一股熱流。由于渦流管內強烈的離心作用，中心的冷流氣體為干燥氣體，外側高溫氣體則集中了渦流管效應(含節流效應)產生的所有液體。渦流管工作原理見圖1[4]。
 
   以只輸入一定壓力的壓縮空氣為例，通過渦流管處理，一端產生冷空氣(在干燥空氣的前提下最低溫度可達-46℃)，另一端產生熱空氣(最高溫度可達127℃)。利用冷、熱端氣體溫度的不同，可分別提供制冷或加熱，使能量得到充分利用。渦流管制冷效果介于節流閥和膨脹機之間。
   渦流管具有無運動部件、結構簡單、操作方便、運行安全可靠、造價低、易維護等優點，此外還具有調壓、分離、制冷等功能，且通過級聯可以增強其制冷能力，在石油化工、低溫制冷等領域得到廣泛應用。目前采用空氣作為介質的渦流管制冷產品在國外已系列化。
3 國內外研究應用現狀
3.1 透平膨脹機
    自1930年德國人林德第一次應用單級透平膨脹機獲得成功以來，透平膨脹機的應用已成為一項成熟技術，但將膨脹機應用在長輸管道上，以回收管道壓力能的研究最早開始于20世紀80年代。在天然氣門站利用膨脹機回收壓力能主要用于發電和副產LNG。
   ① 利用膨脹機輸出軸功發電
   1983年，美國某公司在加利福尼亞南部San Diego門站安裝了第一臺膨脹機，試圖通過膨脹機膨脹制冷發電，以回收管道壓力能；其后，在1983年—1987年間先后在田納西州Memphis化工廠、喬治亞州Stockbridge壓縮機站、新澤西州Hamilton門站安裝了3臺膨脹機，但由于成本較高，試驗未取得成功。日本、伊朗等國家也開展了在城市門站利用膨脹機輸出軸功發電的相關研究。但由于種種原因，該項技術并沒有得到大規模應用[5]。
    近年來，美國、英國一些公司將膨脹機技術與其他技術聯合，以回收調壓過程中的壓力能，研究工作取得了一定進展。2008年10月，北美Enbridge公司將膨脹機與燃料電池組合在一起形成DFC-ERG系統[6]，并在加拿大多倫多門站進行了現場試驗，該聯合裝置的發電功率為2200kW。DFC-ERG系統工作原理見圖2。
 
    2009年1月，英國某公司宣布[7]，將在倫敦東部的百客頓地區天然氣管道上安裝微型膨脹機發電，這些微型膨脹機非常小，直徑只有20cm，但發電功率可達到1000kW/臺。該項工作未見相關后續報道。
    ② 副產LNG
    利用膨脹機的制冷特性來生產LNG，在國內外都有實例，生產的LNG可以用作調峰儲備，也可以用作LNG汽車燃料。LNG產量與可獲得的壓差(膨脹機進口壓力與出口壓力的差值)直接相關，壓差越大，液化率越高，通常條件下，可以獲得10%～30%的液化率。
    國內學者也進行了相關研究，熊永強等人[8]。提出一種利用膨脹制冷及熱集成技術在城市門站使用的天然氣液化流程，見圖3。
 
    高壓天然氣經換熱器1預冷部分液化后，進入氣液分離器，分離出的液相經節流閥膨脹至中壓，溫度降低，形成氣液混合物。分離出的氣相經分流器分為兩股，一股進入膨脹機膨脹至中壓，溫度劇降，形成氣液混合物；另一股經換熱器2預冷部分液化后，再經節流閥膨脹至中壓后，也形成氣液混合物。三股氣液混合物一起送到閃蒸罐中，分離出氣相天然氣(中壓)和LNG，前者作為原料氣預冷冷源，換熱后進入中壓管網，后者進入LNG儲罐儲存。在城市門站安裝帶膨脹機的天然氣液化裝置，用氣低谷時通過膨脹機產生冷量用于天然氣液化。生成的LNG輸入儲罐，用氣高峰時將其氣化起到調峰作用。
3.2 渦流管
    渦流管自1931年面世以來，通過不斷改進，其制冷、制熱、抽真空、分離等多種功能趨于完善，已在很多行業得到應用。從20世紀90年代開始，國外就嘗試將渦流管技術應用于天然氣工業，相繼取得了重要進展。在天然氣門站利用渦流管回收壓力能的方式主要用于加熱和副產LNG。
    ① 渦流管加熱技術
    美國Universal Voaex公司從1999年開始制造渦流管加熱器，截至2005年7月，已在美國、加拿大、法國、西班牙和澳大利亞推廣應用了700多套裝置[4]。近年來，隨著我國天然氣行業蓬勃發展，天然氣的調壓設備也在不斷改進，目前渦流管加熱技術已率先應用于中國石油管道公司華中輸氣公司管轄的武漢西計量站[9]。將渦流技術應用于天然氣輸氣設備，可以直接將上下游壓降產生的壓力能轉化為熱能，進行引壓管的加熱，降低運行和維護成本，用它替代電能加熱，符合節能環保的要求。
   ② 副產LNG
   俄羅斯將渦流管技術主要用于城市門站[4、10]，利用調壓過程中的壓力降，不需要消耗額外的能量就可以將天然氣液化，這類裝置被稱為新一代天然氣液化裝置。列寧格勒輸氣公司的2座城市門站均建立了小型LNG生產裝置。該裝置的操作壓力為3.0～7.5MPa，處理天然氣量(7.2～43.2)×104m3/d，液化率為6%～14%，占地面積16m2。
4 結語
    透平膨脹機、渦流管可替代傳統的節流閥調壓裝置，有效回收管道壓力能，具有較好的推廣應用前景。在城市門站生產LNG不受發電或制冷所需的條件的限制，具有投資省、能耗低、操作簡單、靠近用戶等獨特優勢，并可起到城市調峰的作用。
參考文獻：
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[8] 熊永強，華賁，羅東曉.用于燃氣調峰和輕烴回收的管道天然氣液化流程[J].天然氣工業，2006，26(5)：130-132.
[9] 熊長征，陳川，尹克江，等.渦流管加熱技術在天然氣工業中的應用[J].油氣儲運，2009，28(6)：69-72.
[10] 論立勇，謝英柏，楊先亮.基于管輸天然氣壓力能回收的液化調峰方案[J].天然氣工業，2006，26(7)：114-116.
 
(本文作者：孫潔 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院 北京 100083)