赖瑞康 陈乐乐

摘要：天然气以高压方式通过长输管道输送到终端用户后，通常需要通过调压设备进行降压处理，以便与城市居民和工商业终端用户用气设施匹配。国内的现实情况是，调压过程中天然气内蕴含的巨大压力能不仅输送调压过程中被白白浪费掉，而且还因为急剧降温对调压及管道设备运行安全构成威胁。研究压力能回收利用技术，将其用于发电、冷库、冷水空调、制冰、空气分离、干冰生产、橡胶深冷粉碎以及天然气轻烃分离等领域，能量循环利用，节能效果显著，同时可消除生产过程产生的噪音和设备安全隐患。经济、社会效益都将十分可观，市场推广应用前景广阔，对于提高能源利用效率、促进循环经济发展有着重要的现实意义，高效利用天然气管网压力能是天然气产业的关键环节。

关键词：天然气；高压管线；膨胀机；输气管网；压差；内能

城市燃气经过高压（或次高压）输气管线进入城市输气管网（输气干线或支线），通过调压器的节流，使压力降低，再依次进入压力更低一级的管网。为回收利用天然气管网的压力差，可采用余压透平发电系统（TRT）。通过透平膨胀机做功转化为机械能，驱动发电机发电进行二次能源的回收。城镇燃气管道压力分级如下表所示：

由工程热力学理论可知，当天然气具备一定的压力和温度时，就具备了一定的能量，即由压力所体现的势能和由温度所体现的动能，二者合称为天然气的内能。在用减压器进行调节时，部分内能损失。在膨胀机技术出现之前，人们还无法对这部分能量进行回收。今天利用天然气在膨胀机内进行绝热膨胀，内能降低而对外做功，并由膨胀机驱动发电机将能量转换为电能进行回收。透平膨胀机发电机组的工作原理，按能量转换方式的不同，可分为速度式和容量式两大类。速度式膨胀机适用于流量大、负荷稳定的场合，如蒸汽透平、燃气透平等；容量式膨胀机适用于小流量、负荷波动大的场合，如螺杆膨胀机等。以速度式膨胀机为例，介绍其工作原理。透平膨胀机是一种使压缩气体膨胀并输出功率的机械设备，因而压力降低和能量减少的原动机，在透平膨胀机中，气体的能量交换发生在导流器的喷嘴叶片间与工作叶轮内。高压气流在喷嘴内进行部分膨胀，然后以一定的速度进入叶轮，推动叶轮旋转。气流进入叶轮后还會进一步膨胀，气流的反冲力进一步推动叶轮旋转，旋转的叶轮轴可驱动发电机组进行发电，由于气体在膨胀机中通过的时间极短，来不及与周围环境进行热量交换，绝热效率很高，因而，此过程可视为等熵膨胀。进入透平膨胀机的气体流量可以通过导流叶片来进行调节，以适应系统负荷变化。

目前，国外很多先进国家很早对差压发电的技术进行了广范应用，我国长输天然气大多采用高压管输方式，输送的高压天然气经调压站降至中压标准进入城市燃气管网，再借助于调压站箱将压力降至低压后供用户使用。天然气在调压过程中会损失大量的压力能，还会因为急剧降温对调压及管道设备运行安全构成威胁。从天然气高压管线输送来的高压天然气在送到用气点之前，通常需要根据下游用户的供气压力要求先进行降压，在此过程中将产生很大的压力降，同时释放出大量的能量。目前此降压过程多通过大型减压阀等调压装置实现，能量白白损失掉而没有得到很好的利用。透平膨胀机组由于其工作特性，可替代减压装置，将这部分压力能有效回收，用于发电及制取所需的冷量。

压力能利用主要方式有：发电、天然气液化、CNG加压、制冰、空调及其他场站用电方面；所得到的冷量可用于冷库、冷水空调、制冰等。

如果能采取适当的措施回收利用压力能，将提高能源的利用率，减少资源浪费，对提高天然气管网运行的经济性具有十分积极的意义。

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管道余压透平发电系统（Top Pressure Recovery Turbine Unit，TRT）是利用燃气的压力将管输天然气导入透平膨胀机，经两级动静叶片不断膨胀做功，带动透平转子转动，使压力能转换为机械能，透平转子通过联轴器驱动发电机发电的能量回收系统。由TRT 透平主机系统、高低压发配电系统、液压伺服控制系统、润滑油系统、氮气密封系统、冷却水系统、自动化控制系统等系统及配套设施组成。国内第一台安装的 TRT 是在首都钢铁公司，于 1981 年引进日立造船制造的设备，装机容量 6800 kW。国内从 20 世纪 70 年代末开始组织力量研究国产 TRT 技术，1984 年国内第一台 TRT 系统在梅山钢铁公司2号高炉（1080 m3）建成投产。2010年宝钢股份冷轧厂 1420 管网蒸汽差压发电“轧钢区域低品位余热资源梯级利用研究与示范”科研项目的成功投运发电，不仅每年可获得200万千瓦时的电力和113 万元的效益，而且形成了能源梯级利用相关应用技术提供了范例。

目前在国内众多钢铁企业的高炉上都在使用煤气余压发电技术，同样可将该技术引进到天然气管网的压力能回收发电领域城市天然气通过逐级降压输配至终端用户，只要存在压降就有余压回收发电的可能性。由于各调压站存在着天然气降压的过程，因此若在调压站进行压力能回收，用透平膨胀机替代调压设备回收压力能是可行的。门站多是长输管线和城市输配系统的交接站，主要包括清管、加热、计量和加臭等功能。高高压调压站、高中压调压站将大流量的高压天然气调压至中压后输配至城市管网，可利用的压力能较多，余压回收转化的电能可直接并入电网或供应给建在高压管网上的 CNG 加压站或生产、办公自用，因此适宜设置大型的余压发电回收系统。改造门站调压装置前的旁通管道，增加阀门、透平膨胀机及发电、配电设备。

以深圳燃气集团供气量为例，目前深圳在西二线宝安求雨岭建成 l 座门站和 2 座高高压调压站（求雨岭230万m3/天、留仙洞130万 m3/天，压力为4Mpa/1.6Mpa），按2014年深圳市上半年求雨岭、留仙洞高高压调压站日平均供气量计算，约平均管道输送量为150000Nm3/h，

根据：

（1）流量适用计算公式

石油部标准（SYL04—83）中划定天然气流量公式为：

Qn=Anad2FG ×εFZFT√P1hW（19—1）

Qn——尺度状况（20℃，101.325KPa）下的体积流量，m3/d

An——常数，流量用标准状态时，An=0.008686

a——流量系数；

d——孔板启孔直径，mm

FG ——相对密度系数

ε——流束膨胀系数

FZ——超紧缩系数

FT——固定暖度系数

P1——孔板上游侧的静压力

hW——气流经由孔板时发生的压差，Pa

（2）日常气质计算公式

输气出产中的地然气计量个别皆采取环室与压安装。该节淌装置的弃压方法、孔板直径、丈量管内径、压差计规格、自然气绝对稀度等断定后，式（19—1）中的局部参数是定值，所以日常气量由下公式计算：

Qn=KO×ε×（√1/T1×Z）×P格×H格×FT（19—2）

近年去，四川气田采输气厂站的日常气量计算公式未通用以下符号：KO不变、Kε=ε、KT=√1/T1、KZ=√1/Z、P，= P格、H，= H格、φ= FT，由此，日常气量计算公式变为；

Qn= KO×Kε×KT×KZ×P，×H，天然气发电机组和沼气发电机组的区别，×φ

当输压不大时，Kε 并入KO，且24小时持续生产，上式简化为：Qn= KO×KT×KZ×P，×H，式中各参数的确定办法如下：

1）KO：KO是气量计算常数，俗称 K值，其值由下式确定：

KO=4.7031×10-4a0×Fr×λ Re×bk×d2×√PmHm/G

亦即：KO=4.7031×10-4a×d2×√PmHm/G

式中：Pm——單涟漪管差压计附记压力，天然气加气机项目建议书是怎样的，MPa

Hm——双波纹管差压计压差量程，Pa

式中其余参数共上。

应流量、压力变更不大时，ε值能够按常数记进 KO值，即：

KO=4.7031×10-4×a0×Fr×λ

Re×bk×d2×ε√PmHm/G=4.7031×10-4×a×d2×ε√PmHm/G

此时，Qn= KO×[√1/T1×Z]×P 格×H格×FT、

2）ε：ε替气体膨胀系数，由以下私式盘算：Z=1- KZ×P格2×T1-3.72

式中 KZ=4.6×105×Pm×TC3.72×PC-1P格、H格：为静压、压差的百离开方格数。

P格、H 格确实定方式略睹下点：

FT：为生产时光系数，当一生成产不脚 24 小时时，应趁以生产时间系数。

FT=生产小时数/24

若是生产谦24小时，则FT=1

通过发电膨胀机后压力能够发电量 2120KWh，冷能利用在进口温度为 20 时出口可以降到-31.3，深圳市燃气集团按年度计算，单项差压能量利用每年可获得1831.7 万千瓦时的电力和1025.75 万元的效益。

高高压调压站余压发电项目改造后的工艺流程如下图所示，改造调压站的旁通管道，增加阀门、超声波流量计、透平膨胀机及发电、缓冲罐、配电设备。原有的调压系统可作为透平发电系统故障检修时的供气备用系统。

余热余压综合利用，符合国家宏观产业政策，《中华人民共和国节约能源法》第三十一条：国家鼓励工业企业采用高效、节能的电动机、锅炉、窑炉、风机、泵类等设备，采用热电联产、余热余压利用、洁净煤以及先进的用能监测和控制等技术。国家经贸委、财政部、国家税务总局 1996年8月9日下发的《关于进一步开展资源综合利用的意见》、国务院国发<（1996）36 号>《国务院批转国家经贸委等部门关于进一步开展资源综合利用意见的通知》、国家经贸委资源节约综合利用司1996年 12月《关于“进一步开展资源综合利用的意见”若干主要问题的说明》、国务院 1996 年 8 月 3 日《国务院关于环境保护若干问题的决定》等文件中均明确指出，对生产过程中产生的废渣、废水（液）、废气、余热、余压等进行回收和合理利用，支持资源综合利用电厂生产电力。单机容量 0.5—12 MW 范围内的发电机组符合并网条件，电力部门都应允许并网，签订并网协议，免交上网配套费，并在核定的上网电量内优先购买，不参加电网调峰。

结论：

管网的压力越高，燃气的焓值也越高，应该充分合理利用，高压输气管道蕴藏了大量的压力能，简单调压过程会造成巨大能源浪费。天然气透平膨胀余压发电系统能有效地回收管网的压力能。采用余压透平膨胀发电系统投资少、见效快，充分利用天然气在输气管道的压力差膨胀发电，几乎无需消耗其他能源，运行费用低。可降低天然气输送成本，提高公司的经营收益。