摘　要：介绍国内外天然气管网压力能的回收利用技术分类及其研究进展，指出由于天然气管网压力能利用技术不成熟、政策支持力度小等因素使得天然气压力能回收在我国发展缓慢的现实问题，提出了提高压力能利用技术水平、丰富压力能利用方式并依托国家政策支持等解决措施。

关键词：管网压力能；  发电；  回收利用；  制冷

Research Progress in Recycling Technology of Pressure Energy from Natural Gas Pipeline Network

Abstract：The classification and research progress in recycling technology of pressure energy from natural gas pipeline network at home and abroad are introduced．It is pointed out that the reasons for slow development of natural gas pressure energy recovery in China are the inmmturi ty of recycling technology of pressure energy from natural gas pipeline network，lack of pol icy support and other factors．Some problem-solving solutions including improving the recycling technology level of pressure energy，enriching the utilization mode of pressure energy and relying on the support of state policies are proposed．

Keywords：pipeline network pressure energy；power generation；recycling；refrigeration

1　概述

随着天然气产业的迅速发展，我国加快了天然气管网的建设。长距离、大口径、高压力、网络化并逐步形成大型供气系统已成为当前世界天然气输气管道发展的总趋势^[1]。高压的天然气蕴含巨大的压力能，合理高效地回收利用该部分压力能已引起人们的广泛关注。然而，目前燃气管网压力能利用多限于理论研究。因此，有必要对国内外压力能利用进行全面梳理，深刻剖析，结合国家政策及厂站实际情况指出其存在问题，提出解决方案，为相关工艺技术开发与项目建设提供参考依据。

2　压力能回收利用技术概况

2.1　压力能回收利用技术分类

目前常用的压力能回收利用方式包括压力能发电及压力能制冷两大类，主要用于发电、制冰、冷水空调、燃气轮机进气冷却、天然气脱水及其液化、制取干冰及液态CO2、轻烃分离、LNG及天然气水合物(NGH)调峰、橡胶粉碎和冷库等领域。日本用天然气压差发电来回收管道的压力能已实现产业化；欧美国家利用管道压力能为液化天然气提供冷量的技术比较成熟^[2]。目前国内首个压力能利用项目——深圳燃气集团求雨岭压力能发电制冰项目为我国的压力能回收利用提供了典范^[3-4]；在压力能的其他利用方面，国内外均在开展相关技术的研究，但均尚未建设相应的回收装置。

2.2　压力能回收利用技术进展

目前，管网压力能利用技术研究成果随着天然气产业的蓬勃发展而取得了很大的进展，研究领域涉及面较广。国内外在压力能利用方面的成功案例仍局限于发电和制冰，且压力能利用效率也较低，因此，国内外的学者一直致力于压力能的利用效率研究以提高压力能利用效率。

Shen^[5]等提出了利用高压天然气管网压力能制冷的天然气液化工艺流程。该工艺将来自高压天然气管网的天然气经过透平膨胀机做功，驱动液化工艺的压缩系统压缩机运转，达到节能降耗的目的。高压气体在降压膨胀后，产生的低温流体中蕴涵着非常大的冷能^[6]。对于这部分冷能的回收利用，美国专利^[7-10]介绍了利用高压管网压力能制冷液化管道天然气的工艺，对冷能也有较好的回收利用。

王松岭等^[11]。提出了一种回收天然气管网压力能的新型燃气一蒸汽联合循环系统，具体流程为：高压天然气首先通过膨胀机膨胀做功，膨胀后温度和压力都降低，然后通过空气进气冷却器，利用膨胀后低温天然气冷却进入压气机的空气，之后通过凝汽器，进一步吸收蒸汽轮机排汽热量，最后经过排烟余热回收器进一步加热后送入燃烧室与从压气机进入的空气混合燃烧。优点在于该流程主要通过膨胀机膨胀、进气冷却、提高凝汽器真空度、排烟余热回收4个部分来回收天然气能量，提高循环效率和能源的综合利用率，最大限度地回收了管网压力能。

中国专利l01245956A^[12]公开了一种利用天然气压力能的方法，即采用无动力制冷机降压得到低温天然气，然后与常温冷媒换热，经降温的冷媒最终被送至冷能用户，升温后的天然气进入管网。该方法因工艺方便实用，同时降低运行成本而具有巨大的经济效益，也可消除调压过程中设备急冷的安全隐患。

罗东晓^[13]通过对透平膨胀机、涡流管、气波制冷机3种设备回收压力能制冷技术分析后，提出了某天然气门站利用气波制冷机回收压力能的工艺流程。其中站内为冷能获取部分，站外为冷能利用部分。回收的天然气压力能用于冷库可以代替电力制冷，不仅节约了能源，而且解决了调压过程中的噪声和安全问题，具有显著的环保效益和社会效益。

申安云等^[14]提出了一种利用天然气压力能的轻烃分离方法。该方法采用膨胀后的低压天然气进入脱甲烷塔，用于分离高热值天然气中的轻烃。该工艺由天然气预冷、轻烃分离、冷能利用3部分构成。以某门站为例，利用模拟软件对该工艺进行模拟计算，轻烃回收率可达到90％。此工艺在降低天然气热值的同时，可以回收大量的轻烃资源，而且整个系统的能耗较低，经济效益十分显著。

樊栓狮等^[15]将管网压力能制冷与天然气水合物调峰新技术联合，在高效回收管网压力能的同时。又实现了天然气的安全储存与凋峰。郑志等^[16]认为将高压天然气管网调压过程中回收的电能和冷能与天然气水合物的制备工艺有机结合，优化和简化了天然气水合物的生成条件和制备流程，实现了天然气水合物技术的规模化利用。

论立勇等^[17]提出了基于输气管网压力能的天然气液化调峰方案，在调压过程中进行天然气液化，液化后的天然气可以用于城市燃气的日、时调峰；并对目前常用的调峰方案进行了比较，认为该方案几乎无须消耗电能，运行费用低。

熊永强等^[18]为解决城市用气的不均匀性，提出了一种通过回收天然气调压过程中的压力能，利用膨胀制冷来制取液化天然气的流程。该流程在增强燃气企业调峰能力，平稳运行天然气管网的同时，还可以回收天然气中的轻烃资源。熊永强等^[19]也研制了一种为废旧橡胶低温粉碎提供冷源的制冷装置，在此装置中将高压天然气分为2股，分别用于通过气波制冷机降压产生低温和高压天然气的预冷，最后用循环氮气作为冷媒为废旧橡胶提供冷源。该装置不仅有效回收了管网压力能，还降低了废旧橡胶低温粉碎的成本。

将上述管网压力能利用技术研究成果进行汇总，结果见表1。

上述的研究成果均局限于理论研究，国内外的实际工程案例较少。美国兰森能源公司发明了总流量发电机，一种主要适用于回收蒸汽和天然气压力能的螺杆膨胀机。将此发电机用于压力能回收的工艺流程为：高压天然气先通过加热器进行预热，进入螺杆膨胀机膨胀发电，膨胀发电后的天然气温度降低，再根据中压管网的最低输送温度要求，在必要时进行加热后通过中压管网输送给下游用户。回收压力能所发的电量除了可供调压站用电设施，还可以在允许发电上网的地方直接入网。深圳燃气集团的求雨岭压力能发电制冰项目是我国首个压力能利用项目^[3-4]，该项目工艺包括3个系统：天然气膨胀发电系统、电压缩制冷系统及制冰系统。将天然气的压力能通过膨胀发电供给电压缩系统的压缩机制冷，联合调压后的低温天然气为制冰系统协同供冷。该制冰项目发电功率可达200kW，制冰量为80t／d。项目总造价为1000×10⁴元左右，年节电效益达208×10⁴元。该项目中设备可橇装化、多地点循环使用，全部设备均可国产化。

3　存在问题及解决措施

3.1　存在问题分析

①压力能利用进展缓慢，工程实施严重落后。尽管压力能利用的研究领域十分广泛，涉及到压力能发电、制冰、冷库、轻烃分离、橡胶粉碎、天然气液化及水合物调峰等多个领域，但大多仍处于理论研究探讨阶段，压力能利用项目实际实施涉及到燃气、电力、制冷等多个领域，实现多个产业之间的利益平衡是一个现实问题。

②压力能利用效率低。现有的压力能利用工艺，由于工艺较为复杂在实际建设中可行性较小，或者对压力能回收不完全造成能量的浪费等，是造成压力能利用效率低的主要原因。此外，压力能利用过程中能量匹配的差异也会造成较低的压力能利用效率。

③天然气供给存在着季节、昼夜及小时的不均匀性。由于下游燃气需求量随季节和昼夜波动，决定了天然气降压过程中的冷能无法稳定回收。而冷能用户的需求由冷产品的生产过程、市场需求决定。降压制冷过程与用冷过程时间不一致，导致下游燃气调压需求与冷能用户对冷能需求匹配程度不高，无法维持天然气压力能利用过程的持续稳定。

④中小型压力能回收存在一定的局限性。目前我国中小调压站数量多、分布广，但压力能的回收利用难度大。主要原因在于天然气调压站布局分散，调压站与用电用户之间存在着地理限制，不利于建设大型的电力回收系统。同时中小型的压力能回收装置技术不成熟，严重影响着调压站压力能回收的发展。

⑤压力能利用技术成熟度不高。燃气行业压力能利用属于一种新型的余压利用。与其他的余压利用项目相比，天然气是一种易燃易爆的气体，稍有不慎一经泄漏，极易发生火灾爆炸危险。在未确定其安全可靠的前提下，企业与政府难以推动相关产业的发展。

⑥政策支持力度小。目前在压力能利用的两种主要方式发电与制冷中，压力能用于制冷的利用项目受下游冷能用户的影响较大；而压力能用于发电的利用项目主要依赖电力设施的建设(政策允许的条件下)，应用较为广泛，使得压力能发电成为压力能回收利用最主要的方式。然而，目前国家在发电上网方面未给出积极鼓励政策，若开展压力能发电项目，电能无法输出的现状也极大地限制了压力能项目的开展。

3.2　解决措施

①优化改进工艺及设备，提高压力能利用技术水平。通过对现有压力能利用工艺及关键设备进行研究分析，依照具体情况进行工艺的优化完善及设备改进。同时，对各工艺进行各方面的对比分析，综合考虑，全面规划，选择出最佳压力能回收方案及最优的回收设备，提高能量利用率，促进压力能利用技术的创新发展。

②合理建设压力能利用项目，丰富压力能利用方式，积极开展其技术经济性能研究。目前压力能利用主要集中在发电和制冷两个方面，其中压力能回收的冷量可应用在冷库、制冰、天然气脱水、轻烃分离、LNG和天然气水合物调峰、橡胶粉粹等方面。具体的压力能利用方式需根据实际情况而定，例如：可采用微型透平发电装置回收建在燃气用户附近的中、小型调压站的余压，将这部分回收的电力直接供应附近楼字或居民小区使用。在大型调压站附近建设热电联产的燃气调峰发电厂，为起到燃气凋峰的作用，电厂燃料烧嘴和燃料系统按使用两种燃料来设计。在冬季电量需求相对较少的情况下，可以少发电多供热，或把调压站的余能回收电量直接并入电厂的供电系统等。另外，优化现有压力能利用方式的同时，丰富压力能利用方式，并积极开展其技术经济可行性研究，对我国压力能利用的发展至关重要。

③依托政府扶持政策，利用本身优势大力发展。管网压力能同收利用符合我国对于加快建设资源节约型、环境友好型和经济型社会的发展要求，具有直接的社会效益和经济效益。因此，除了积极争取得到政府扶持外，还要发挥自身优势进行全力发展。压力能回收项目需要在政府统筹规划之下，有计划地进行招商引资，并配合当地的发展规划，争取实现与调压站同步建设。同时，争取在用地和融资等方面的优惠，申请按照国家有关资源综合利用产业减免税收的优惠政策减免各项税赋，从而顺利开展这种节能减排项目。

4　结语

管网压力能的高效回收利用可以提高能源综合利用率，缓解紧张的用能压力，增加天然气管网运行经济性。但压力能回收利用项目存在进展缓慢、实施落后、技术成熟度低和利用效率低等问题，主要体现在如下几方面：现有的压力能回收利用工艺利用效率低、调压站的分散性、调压站处理量及压力的差异限制、调压站与下游用户在时间和空间上的不同步、压力能利用与实际结合不充分等，迫切需要系统全面地解决。因此，可以通过统筹规划压力能利用产业链，做好调查，加快建设压力能利用项目，同时丰富压力能利用项目并依靠政府推动，加强扶持力度等方式加快解决，从而使压力能回收利用技术更好地沿着节约高效、清洁环保的新型能源道路发展。

参考文献：

[1]王雪梅．天然气运输研究[J]．石油工业技术监督，2005(5)：41-44．

[2]陈绍凯，李自力，雷思罗，等．高压天然气压力能的回收利用技术[J]．煤气与热力，2008，28(4)：B01-B05．

[3]陈秋雄，徐文东，安成名．天然气管网压力能发电制冰技术的开发及应用[J]．煤气与热力，2012，32(9)：A25-A27．

[4]安成名．天然气门站管网压力能回收利用技术研发与应用[J]．城市燃气，2012(9)：25-28．

[5]SHEN D M，FEMANDES F，SIM ES，MOREIRA J R．Using gas pipeline pressure to liquefy natural gas or generate electricity[J]．Hydrocarbon Processing，2006．85(1)：47-50．

[6]刘宗斌，徐文东，边海军，等．天然气管网压力能利用研究进展[J]．城市燃气，2012(1)：14-18．

[7]THOMAS E R，BOWEN R R，COLE E T．et al．Process for liquefaction of natural gas：the United States，6023942[P]．2004-02-15．

[8]KIMBLE E L．Refrigeration process for liquefaction of natural gas：the United States，620935081[P]．2001-04-03．

[9]FISCHER B．Process for partial liquefaction of a fluid containing hydrocarbons，sueh as natural gas：the United States，644998281[P]．2002-09-17．

[10]MINTA M，BOWEN R R，STONE J B．Process for making pressurized liquefied natural gas from Dressured natural gas using expansion cooling：the United States．637833081[P]．2002-04-30．

[11]王松岭，论立勇，谢英柏，等．基于天然气管网压力能回收的联合循环构思[J]．热能动力工程，2005，20(6)：628-631．

[12]乔武康，李静，张德坤，等．利用天然气压力能的方法：中国，101245956A[P]．2008-08-20．

[13]罗东晓．回收高压管输气压力能用于冷库的技术[J]．城市燃气，2010(4)：33-35．

[14]申安云，余祖珊，王宝权．利用天然气压力能的轻烃分离方法[J]．煤气与热力，2009，29(4)：B01-B04．

[15]樊栓狮，陈玉娟，郑惠平，等．利用管网压力能制备天然气水合物的调峰新技术[J]．天然气工业，2010．30(10)：83-86．

[16]郑志，王树立，陈思伟，等．天然气管网压力能用于NGH储气调峰的设想[J]．油气储运，2009．28(10)：47-51．

[17]论立勇，谢英柏，杨先亮．基于管输天然气压力能回收的液化调峰方案[J]．天然气工业，2006，26(7)：114-116．

[18]熊永强，华贲，罗东晓．用于燃气调峰和轻烃回收的管道天然气液化流程[J]．天然气工业，2006，26(5)：130-132．

[19]熊永强，华贲，罗东晓，等．天然气管网压力能用于废旧橡胶粉碎的制冷装置[J]．现代化工，2007，27(1)：49-52．

本文作者：高顺利  颜丹平  张海梁  李夏喜  孙宝跃  徐文东  李俊丽

作者单位：北京市燃气集团有限责任公司高压管网分公司

  华南理工大学化学与化工学院