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天然气压差发电前沿技术应用
摘要:为解决天然气调压站传统调压方式压力能浪费等问题,介绍了一种天
然气管网压差发电技术。该技术利用“两级膨胀发电+热泵分级补热+冷能利用”
的工艺路线,对天然气管网压力能进行综合利用。通过工程实践,成功验证了该
工艺路线的可行性,为天然气管网压差发电技术的应用推广提供了安全运行保障
和性能保证。
关键字:螺杆膨胀发电;压力能回收
1、技术背景及意义
2019年我国天然气消费量达到3064亿m,天然气在一次能源消费中的比重
3
达到8.1%[1]。可以预见,我国天然气的消费量将越来越大。天然气输送到用户时
必须降压后才能使用,我国城市管网燃气管道设计压力从0.01~4.0MPa可分为7
级[2]。因此,调压站成为天然气管网中必不可少的设施。根据天然气组分和初始
状态不同,由节流膨胀导致的天然气温降约为4.5-6℃/MPa,传统的调压方式不但
没能回收管网天然气中的压力能,而且还需要消耗一定的能源对天然气进行预热
[3-5]。
2、国内外研究现状
采用膨胀机械对管网天然气进行绝热膨胀(即等熵膨胀)减压,既可达到天
然气调压的目的,同时由膨胀机带动发电机发电或其他机械回收膨胀功。利用管
网压差进行膨胀发电国内外相关的研究较多。郑斌[6]等采用透平膨胀机为压差回
收装置对天然气压差回收综合利用的理论及应用研究;Farzaneh-Gord[7]等在天
然气压差发电技术的应用研究中使用了涡轮膨胀机;王硕[8]等在其天然气管网压
差发电技术研究中采用流体马达作为膨胀机。近几年由于螺杆膨胀机转速较低,
具有轴封效果好,寿命长和体积小的特点,且可不通过减速装置直接驱动发电机
发电,因而越来越多地被应用于天然气压差发电项目[9,10]。
3、应用情况
3.1项目概况
浙江省内某典型城市天然气调压门站接收上游省级管网来气并向下游管网供
气。该调压站原设计调压撬调压方式,存在较大的节流损失,造成了天然气管网
压差的浪费。为回收天然气管网节流调压方式损失的压力能,项目综合两级膨胀
发电技术、热泵技术和冷能利用技术,采用了“两级膨胀发电+热泵分级补热+冷
能利用”的工艺路线[11],对现有的天然气管网调压方式进行改造,建设了一套天
然气压力能发电系统,包括一套螺杆膨胀发电机组、一套热泵制冰系统,及相应
的辅机设备和连接管道。发电机输出功率286kW,系统净输出功率131kW;热泵
制冰系统的制冰量2.5t/h,制冷量370kW。
3.2技术路线
天然气减压膨胀中包含了压力㶲和温度㶲,压力㶲可转化为膨胀功,在一定
条件下温度㶲可以回收冷能。中小型天然气门站的管网压力能回收综合利用需要
解决的问题有:
1)天然气流量、压力和进站温度不稳定的问题。由于天然气门站的用户既
有工业用户也有民用用户,每个用户在不同时间段的天然气用量并不相同,也不
稳定,因此要求天然气的膨胀减压机械具有大流量变化的适应性。
2)合理解决膨胀后天然气的补热问题。根据《城镇燃气设计规范》的规定,
门站天然气的出站温度应≮5℃,因此在天然气管网压力能综合利用时需要补热,
同时还要满足天然气流量变化时补热量也随之变化的要求。天然气管网压力能利
用必须解决发电效益、冷量效益与补热效益的收支问题。
3.2.1天然气膨胀发电的工艺流程
天然气经预加热器补热后,进入预调压阀,然后进入单机双级螺杆膨胀发电
机组的高压级进行一级膨胀,膨胀后的天然气进入中间加热器补热,然后进入低
压级进行二级膨胀,出口天然气进入后换热器补热,补热后的天然气进入油分离
器分离,然后进入低压管网,螺杆膨胀机带动发电机并网发电。
3.2.2热泵制冰的工艺流程
热泵制冰系统的气态制冷剂被吸入压缩机,经压缩后排入冷凝器,向载冷剂
放热后冷凝成液态,进入储液器。储液器出口的液态制冷剂分两路,一路经节流
后进入制冰机,完成制冰后变成气态,与另一路节流后流经储冰库的气态制冷剂
汇合后进入气液分离器,最后气液分离后的气态制冷剂进入压缩机完成循环。
在冷凝器中被加热后的载冷剂在载冷剂泵的输送下,进入天然气膨胀发电系
统,通过预加热器、中间回热器、后加热器与天然气进行热交换,加热膨胀后的
天然气,使其出站温度保持5℃以上,降温后的载冷剂回到载冷剂储液罐,经过
滤器、泵后进入冷凝器完成循环。
4、应
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