城市門站壓力能回收設(shè)備研究應(yīng)用進(jìn)展

    隨著我國天然氣開發(fā)力度加大，用戶需求不斷增長，我國天然氣管道建設(shè)得到了迅猛發(fā)展。截至2009年，我國天然氣干線長度已達(dá)3.8×10³km，隨著管材材質(zhì)的提高，天然氣管道設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力逐步提高，近年來建設(shè)的西氣東輸、川氣東送輸氣管道設(shè)計(jì)壓力均提高到了10 MPa，而管道沿線城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力多為1.6—4.0 MPa，因此需在城市門站進(jìn)行調(diào)壓。

    在傳統(tǒng)調(diào)壓過程中，高壓氣體經(jīng)節(jié)流閥絕熱膨脹，壓力降低，同時(shí)產(chǎn)生數(shù)量可觀的冷量。在這個(gè)調(diào)壓過程中，大量的流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為冷能散失在環(huán)境中，在建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)進(jìn)程中，如對(duì)這一能量加以回收利用，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著。

    針對(duì)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(jì)80年代就開展了相關(guān)研究。目前可替代節(jié)流閥的設(shè)備主要有透平膨脹機(jī)、渦流管2種，降壓過程中產(chǎn)生的能量可用于發(fā)電、冷能回收、副產(chǎn)LPG或LNG等。

  ①透平膨脹機(jī)

  利用膨脹機(jī)降壓回收能量，一方面可利用膨脹機(jī)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(jié)流閥在同等壓力降下的溫度降，因此還可利用膨脹機(jī)的制冷特性獲得冷能。由于國外膨脹機(jī)技術(shù)集中，加上國內(nèi)各制造廠商在透平膨脹機(jī)方面起步較晚，當(dāng)前我國應(yīng)用于石化、天然氣領(lǐng)域的低溫膨脹機(jī)，如液化石油氣、液化天然氣等工藝流程中的膨脹機(jī)基本依賴進(jìn)口。

    ②渦流管

    渦流管具有能量分離特性，高壓氣經(jīng)渦流管減壓處理后，將會(huì)在管中心產(chǎn)生一股冷流，在外側(cè)產(chǎn)生一股熱流。由于渦流管內(nèi)強(qiáng)烈的離心作用，中心的冷流氣體為干燥氣體，外側(cè)高溫氣體則集中了渦流管效應(yīng)(含節(jié)流效應(yīng))產(chǎn)生的所有液體。渦流管工

    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(chǎn)生冷空氣(在干燥空氣的前提下最低溫度可達(dá)一46℃)，另一端產(chǎn)生熱空氣(最高溫度可達(dá)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(jié)流閥和膨脹機(jī)之間。

  渦流管具有無運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、運(yùn)行安全可靠、造價(jià)低、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，此外還具有調(diào)壓、分離、制冷等功能，且通過級(jí)聯(lián)可以增強(qiáng)其制冷能力，在石油化工、低溫制冷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前采用空氣作為介質(zhì)的渦流管制冷產(chǎn)品在國外已系列化。

  自1930年德國人林德第一次應(yīng)用單級(jí)透平膨脹機(jī)獲得成功以來，透平膨脹機(jī)的應(yīng)用已成為一項(xiàng)成熟技術(shù)，但將膨脹機(jī)應(yīng)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(jì)80年代。在天然氣門站利用膨脹機(jī)回收壓力能主要用于發(fā)電和副產(chǎn)LNG。

  ①利用膨脹機(jī)輸出軸功發(fā)電

  1983年，美國某公司在加利福尼亞南部San Di． eg0門站安裝了第一臺(tái)膨脹機(jī)，試圖通過膨脹機(jī)膨脹制冷發(fā)電，以回收管道壓力能；其后，在1983年一1987年間先后在田納西州Memphis化工廠、喬治亞州Stockbridge壓縮機(jī)站、新澤西州Hamilton門站安裝了3臺(tái)膨脹機(jī)，但由于成本較高，試驗(yàn)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(jī)輸出軸功發(fā)電的相關(guān)研究。但由于種種原因，該項(xiàng)技術(shù)并沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。

   近年來，美國、英國一些公司將膨脹機(jī)技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合，以回收調(diào)壓過程中的壓力能，研究工作取得了一定進(jìn)展。2008年10月，北美Enbridge公司將膨脹機(jī)與燃料電池組合在一起形成DFC—ERG系統(tǒng)∞’，并在加拿大多倫多門站進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，該聯(lián)合裝置的發(fā)電功率為2 200 kW。DFC—ERG系統(tǒng)工作原理。

    2009年1月，英國某公司宣布，將在倫敦東部的百客頓地區(qū)天然氣管道上安裝微型膨脹機(jī)發(fā)電，這些微型膨脹機(jī)非常小，直徑只有20 CM，但發(fā)電功率可達(dá)到1 000 kW／臺(tái)。該項(xiàng)工作未見相關(guān)后續(xù)報(bào)道。

    ②副產(chǎn)LNG

    利用膨脹機(jī)的制冷特性來生產(chǎn)LNG，在國內(nèi)外都有實(shí)例，生產(chǎn)的LNG可以用作調(diào)峰儲(chǔ)備，也可以用作LNG汽車燃料。LNG產(chǎn)量與可獲得的壓差 (膨脹機(jī)進(jìn)口壓力與出口壓力的差值)直接相關(guān)，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(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究，熊永強(qiáng)等人提出一種利用膨脹制冷及熱集成技術(shù)在城市門站使用的天然氣液化流程。

    高壓天然氣經(jīng)換熱器1預(yù)冷部分液化后，進(jìn)入氣液分離器，分離出的液相經(jīng)節(jié)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(jīng)分流器分為兩股，一股進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹至中壓，溫度劇降，形成氣液混合物；另一股經(jīng)換熱器2預(yù)冷部分液化后，再經(jīng)節(jié)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(yù)冷冷源，換熱后進(jìn)人中壓管網(wǎng)，后者進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。在城

  市門站安裝帶膨脹機(jī)的天然氣液化裝置，用氣低谷時(shí)通過膨脹機(jī)產(chǎn)生冷量用于天然氣液化。生成的LNG輸入儲(chǔ)罐，用氣高峰時(shí)將其氣化起到調(diào)峰作用。

  3．2渦流管

    渦流管自1931年面世以來，通過不斷改進(jìn)，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(yè)得到應(yīng)用。從20世紀(jì)90年代開始，國外就嘗試將渦流管技術(shù)應(yīng)用于天然氣工業(yè)，相繼取得了重要進(jìn)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(chǎn)LNG。

    ①渦流管加熱技術(shù)

    美國Universal Vortex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(yīng)用了700多套裝置。近年來，隨著我國天然氣行業(yè)蓬勃發(fā)展，天然氣的調(diào)壓設(shè)備也在不斷改進(jìn)，目前渦流管加熱技術(shù)已率先應(yīng)用于中國石油管道公司華中輸氣公司管；轄的武漢西計(jì)量站歸0。將渦流技術(shù)應(yīng)用于天然氣輸氣設(shè)備，可以直接將上下游壓降產(chǎn)生的壓力能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)行引壓管的加熱，降低運(yùn)行和維護(hù)成本，用它替代電能加熱，符合節(jié)能環(huán)保的要求。

    ②副產(chǎn)LNG

    俄羅斯將渦流管技術(shù)主要用于城市門站HJ川，利用調(diào)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(chǎn)裝置。該裝置的操作壓力為3.0—7.5 MPa，處理天然氣量(7.2～43.2)×10⁴ m³／d，液化率為6％一14％，占地面積16 m²。