介绍天然气管网压力能利用技术.docx

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1、介绍天然气管网压力能利用技术目录摘要11 .绪论12 .目前常用的天然气管网压力能回收利用方式23 .城市天然气输配管道压力等级24 .天然气输送管网压力能利用技术概况简述35 .压力能用于做功45.1. 压力能用于发电技术45.2.压力能用于储气调峰55.3.压力能用于空气分离55.4.压力能用于废旧橡胶低温粉碎65.5.压力能用于天然气液化75.6.天然气压力能在发电领域中的应用95.7.天然气压力能在冷能领域中的应用96.存在问题及解决措施11参考文献12摘要高压管网输送的天然气在调压过程中释放巨大的压力能，通过降压设备将这部分能量有效回收，用于发电、天然气脱水、轻燃分离、1NG及NGH

2、调峰、橡胶粉碎和冷库等领域。具体描述了联合循环发电和回收压力能所制得的冷能在冷库中的运用。针对天然气供气不平衡、调压站分布不集中以及能量高效利用的问题，提出了改进方案，充分利用膨胀机输出的功驱动压缩机等设备的运转，将膨胀制得的冷量运用在相应的冷产业中，保证了压力能的高效利用。关键词：高压管网；天然气；压力能；调峰1绪论能源与环境已成为世界各国关注的基本问题，迫于当今经济快速发展和环境保护的压力，作为清洁高效能源的天然气在能源结构中的比重日益加大。长距离、大口径、高压力和网络化并逐步形成大型的供气系统已成为当前世界天然气输气管道发展的总趋势I1国外大多数天然气输气管道压力在8MPa12MPa范围

3、内，我国西气东输的管输压力为IOMPa,一些管线设计压力在6.4MPa7.0MPa之间。若输气压力从5MPa降至2.5MPa的过程中，天然气的比压力蹄为110.2kJkgo以2006年西气东输管道共计供气99亿为例进行计算，则该管道可回收的压力能为778.13GJ,相当于装机24.674MW的电站一年的发电量网。由此可见，高压天然气蕴含着相当大的压力能。若能对此进行有效回收，不仅减少了资源的浪费，而且对于加快建设资源节约型、环境友好型社会具有重大意义。2 .目前常用的天然气管网压力能回收利用方式目前常用的天然气管网压力能回收利用方式包括发电和制冷两个方面，主要应用在发电、储气调峰、液化、天然气

4、液化、海水淡化、冷水空调、冷库、制冰、空气分离、深冷粉碎、制备及轻燃分离等领域，如图1所示。3 图1高压管网压力能主要回收利用方式4 .城市天然气输配管道压力等级1、长距离输气管道压力：一般在410MPa2、城市输配管道压力（表压）分为7个压力等级：高压A燃气管道：压力为2.5MPaVP4.0MPa(2)高压B燃气管道：压力为1.6MPaVP2.5MPa(3)次高压A燃气管道：压力为0.8MPaVP1.6MPa(4)次高压B燃气管道：压力为0.4MPaP0.8MPa(5)中压A燃气管道：压力为02MPaPW04MPa(6)中压B燃气管道：压力为IOkPaPW0.2MPa(7)低压燃气管道：压力

5、为P10kPa5 .天然气输送管网压力能利用技术概况简述目前国内外压力能回收利用的方式有发电和制冷两大类。利用高压天然气压力能发电主要是以膨胀机代替传统的调压阀来回收高压天然气降压过程中的压力能，并将其用于发电。高压气体在降压膨胀的过程中因放热而导致温度降低，膨胀后产生的低温流体蕴涵着非常大的冷能，以冷媒回收这部分冷量，并将其供给冷量用户使用，从而达到回收高压天然气压力能的目标向。具体应用技术见表Io表1天然气压力能回收和利用技术工艺特点运用概况直接膨胀发电高压气体膨胀推动电机发电，未回收膨胀转化的冷量，需外加能量加热膨胀导致的温度过低的天然气日本已投产使用联合循环发电膨胀功驱动压气机运转，冷

6、量用于冷却进气、排气、同收余热研究探讨阶段天然气脱水降低天然气露点，避免堵塞，平衡供气研究探讨阶段轻嫌分离将冷媒和低温天然气含有的冷量供冷，形成气液混合物，在分离器中分离出轻燃研究探讨阶段1NG调峰天然气净化后，降压设备制冷，得到的冷量用于液化天然气，1NG气化后调峰国内外小型液化技术均已成熟NGH调峰压力能得到的冷能移走水合物生成的反应热，通过加热NGH释放出天然气调峰研究探讨阶段橡胶粉碎经降压设备制冷得到深冷天然气，与冷媒换热，将冷媒冷量供给深冷装置，天然气膨胀功驱动冷媒压缩机运转研究探讨阶段冷库等降压后的低温天然气与冷媒换热，再将冷媒供应给冷库等已达到工程应用水平天然气压力能运用领域和方

7、式6 .压力能用于做功高压天然气经膨胀设备膨胀降压后温度降低，低温的天然气中蕴含着巨大的冷能，因此，可以将天然气调压过程中巨大的冷能加以利用在空气分离、深冷粉碎、天然气液化、冷库等方面。6.1. 压力能用于发电技术天然气管网压力能用于发电技术的基本原理即利用高压天然气膨胀降压时产生的机械能来驱动发电机发电。日本东京电力公司利用天然气压差建设了一座发电站，这座发电站发电功率为770OkW网。天然气压差发电是一种气体直接膨胀方式。东京电力公司也建设了“冷热发电”发电站，即利用气化时产生的膨胀能量来发电。D.M.Shen等设计了一种管网压力能直接膨胀发电的工艺，如图2所示，管网中的高压天然气通过膨胀

8、机体积膨胀对外做功将机械能转化成电能。膨胀降压后的低温天然气经辅热器升温至常温后进入中压管网。图2天然气膨胀发电流程图刁安娜等提出了利用螺杆膨胀机回收高压调压站的余压用于发电的技术，同时描述了螺杆膨胀机关键技术的优势所在。王松岭等设计了一种燃气蒸气联合循环的工艺，如图3所示。具体流程为：高压天然气经膨胀机膨胀驱动压气机，天然气的温度和压力均降低，低温的天然气用来使压气机进气和蒸汽轮机排气降温，回收排烟中的部分余热。此工艺避免了天然气高压管网压力能的浪费，提高了联合循环的循环效率和能源的利用率。图3基于天然气压力能回收的燃气一蒸汽联合循环工艺流程5.2.压力能用于储气调峰由于受时段、季节和气候的

9、影响，城市燃气用气负荷波动性较大，为了给用户持续供应燃气，每天都将面临气源调峰的巨大压力。因此为了解决燃气供需不均衡矛盾需建设相应的配套的燃气调峰设施口。】。目前国内外主要使用压缩天然气(CNG)调峰方法，一般将CNG储存在地下储气库、储气罐、高压管束、输气管道末端和城市输配管网中，同时吸附天然气ANG、液化天然气1NG和天然气水合物(NGH)和其他调峰技术也在积极的探索研究中表2为CNG、ANG、1NG、NGH调峰技术的比较，其中，调峰技术具有储气量大和储气条件温和的特点，已经引起了广泛的关注口叽表2CNGvANGv1NGvNGH调峰技术的比较天然气储存压力(MPa)稿存温度(V)“前气体寿

10、化等级储存容器安全性CNG200250耐施乐无鳍令M容器以低1NG常乐-1612Ift布压、耐长二,绝居双U金属遇低ANG3-6()250高较麻NGH-150低5.3.压力能用于空气分离传统的空气分离工艺中主要包括冷却器、废氮循环冷却器、后冷却器及空压机中间冷却器等设备，在此工艺中，设备能耗约占空分成本的。郑志等人设计了一种天然气调压过程工艺冷能用于空气分离的工艺流程，如图4所示。在不增加额外制冷设备的前提下，将高压天然气调压过程中的冷能引入该工艺，不仅可以降低空分的单位能耗，而且减少过程中的用水量，同时提高产品的产量和质量。江空气冷化o.cR4Ii.空隙帆I?仝PnentxAMM”.我鼠i原

11、洲*40图4基于天然气压力能回收的空气分离流程图5.4.压力能用于废旧橡胶低温粉碎熊水强等研制提出了一种压力能用于废旧橡胶低温粉碎的工艺（如图5所示），一方面有效地回收了天然气调压过程中的压力能，另一方面降低了废旧橡胶粉碎的生产成本。该工艺流程由高压天然气预冷、压力能制冷和冷能利用三部分组成。此工艺仅需利用高压天然气的调压冷能，不需要外加能量，且燃气具有需求量大的特点，可以确保冷能的供给，大大降低了工艺生产成本1例。1,3气波制冷机；2,7板翅式换热器；4透平膨胀机；5氮气压缩机；6水冷却器；8粉碎机；9冷冻室；10胶粒预冷室图5用于橡胶粉碎的高压天然气压力能制冷装置流程图5.5.压力能用于天

12、然气液化目前，高压天然气管网压力能用于液化天然气的研究主要有M1：1)俄罗斯1engtransgaz公司设计了天然气液化工艺流程(NGG1U),此工艺采用涡流管节流阀，天然气液化比在24%之间，产率在100500kgh之间；2)RobertW开发了一种借助透平膨胀进行液化的工艺；3)为了提高液化天然气的产率，美国Idaho国家实验室提出天然气经透平膨胀做功，驱动压缩机液化天然气。图6是一种小型天然气液化的工艺，工艺流程：高压天然气通过涡轮膨胀机输出功率，驱动压缩机，制得低温高品位的液化天然气。该工艺生产的一方面可用作燃气调峰，另一方面可以二次销售给燃气用户，具有良好的实用性和经济性闾。M1高压

13、天然气；M2液化天然气；M3中压天然气；W1膨胀透平1输出功；W2膨胀透平2输出功；W1+W2混合工质压缩机输入功图6利用天然气管网压力能的小型液化流程简图压力能用于冷库罗东晓等提出了一种回收高压天然气压力能用于冷库的工艺流程（如图7所示），在原有调压工艺上驳接一套压力能利用的工艺路线，压力能及冷能转换设备及工艺路线均在调压站内，通过中间制冷剂将冷能供应给冷库和空调的用户。此制冷工艺不仅节约能源，而且解决了传统工艺调压过程中产生的噪音和安全隐患等问题，具有良好经济效益和社会效益。图7气波制冷机回收压力能制冷的工艺流程5.6.天然气压力能在发电领域中的应用A排烟在天然气压力能发电技术中，直接膨胀

14、发电虽然已经投产使用，但它缺少对冷能部分的回收，同时还消耗额外功，效率相对较低。若将天然气压力能用于联合循环发电，不仅将降压时的膨胀功转化为机械能驱动动力部件工作，同时主要回收了膨胀制得的冷量。文献5中提出的一种回收天然气管网压力能用于联合循环发电的新工艺例，流程见图8。排烟余热回收装置高压天然气吩出r1二Q燃烧室BI-空气；2-通气冷却器；3-高压天然气；4-膨胀机；5-压气机；6-燃烧室；7-燃气轮机；8-发电机；9-排烟余热回收装置；10-排烟；II-余热锅炉；12-汽轮机；13-发电机；14-凝汽器；15水泵图8基于天然气管网压力能回收的燃气-蒸汽联合循环发电系统将高压天然气通过透平膨

15、胀做功，带动压气机工作，减少了燃气轮机消耗在压气机上的功；将膨胀后的低温天然气用于燃气轮机的进气冷却，增加燃气轮机的出力和发电量；然后将温度依然很低的天然气通往凝汽器，冷却凝汽器的排气，降低饱和压力，提高凝汽器真空，降低了机组煤耗；最后温度还比较低的天然气通过排烟余热回收器，用排烟的余热加热天然气，将升温后的天然气送入燃烧室。这个系统不仅可以避免高压天然气管线压力能的浪费，还能提高蒸汽联合循环的循环效率，在很大程度上提高了能源的综合利用效率。5.7.天然气压力能在冷能领域中的应用天然气压力能回收制得的冷量应用范同较广，如天然气脱水、轻燃分离、1NG和NGH调峰、橡胶粉碎，但这些技术均处于研究探讨阶段。冷能在冷库和制冰等领域的运用由于其工艺相对简单、投资较少，效益回收快，节约电力制冷等优势，其运用和发展有了新的进展，已经进入实际开发运用阶段。传统冷库制冷采用电压缩氨膨胀制冷，需要消耗大量的电力。以氨为制冷剂，IkW的电力可制得约