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、轻烃分离、LNG及NGH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
Research Progress on Using of Pressure Energy From Natural Gas Pipeline Network
China Resources Gas(Holdings)Limited Liu Zongbin
School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology Xu Wendong，Bian Haijun，Chen Min
Abstract：The natural gas in the high-pressure pipeline can release tremendous pressure energy during the process of adjusting pressure.The energy recovered effectively by the step-down pressure equipments can be used in the areas of power generation，natural gas dehydration，hydrocarbon separation，LNG and NGH peak-shaving，rubbe-cryogenic grinding and cold storages.The technologies of combined cycle power generation and the using of cold energy which is obtained dm-ing the process of adjusting pressure in cold storages are described. In order to resolve the problems of the nature gas supply imbalance，pressure regulating stations dispersion and using effectively of energy，some improvement suggestions are proposed.The output power of turbo-expander is recovered for driving the compressor and other equipments.Cold energy obtained in the process of step-down pressure is used in the corresponding industries.These all can eusure the efficient use of pressure energy.
Keywords：high-pressure pipeline network；natural gas；pressure energy；peak-shaving
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[1]。国外大多数天然气输气管道压力在8MPa～12MPa范围内，我国西气东输的管输压力为10MPa，一些管线设计压力在6.4MPa。7.0MPa之间[2]。
若输气压力从5MPa降至2.5MPa的过程中，天然气的比压力火用为110.2kJ/kg。以2006年西气东输管道共计供气99×108m3为例进行计算，则该管道可回收的压力能为7781.257×105kJ，相当于装机24.674MW的电站一年的发电量[3]。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 天然气输送管网压力能利用技术概况
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的。具体应用技术见表1。
2.1 天然气压力能在发电领域中的应用
在天然气压力能发电技术中，直接膨胀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1。
将高压天然气通过透平膨胀做功，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。
2.2 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、轻烃分离、LNG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，1kW的电力可制得约2kW的冷量，将天然气压力能用于冷库可大大降低冷库的运行成本。图2是某门站利用气波制冷机回收压力能的工艺流程简图[13]。
冷能获取部分设在门站内，冷能利用部分设在门站外。调压站根据自身的地理位置和周边的冷能用户需求来经营压力能回收的冷能，即起到降压的作用，同时回收了冷能供用户使用，不影响正常供气的同时得到收益又不至于能量的浪费。
表1 天然气压力能回收和利用技术
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天然气压力能运用领域和方式
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工艺特点
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运用概况
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直接膨胀发电
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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
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日本已投产使用
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联合循环发电
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膨胀功驱动压气机运转，冷量用于冷却进气、排气、回收余热
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研究探讨阶段
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天然气脱水
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降低天然气露点，避免堵塞，平衡供气
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研究探讨阶段
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轻烃分离
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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烃
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研究探讨阶段
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LNG调峰
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天然气净化后，降压设备制冷，得到的冷量用于液化天然气，LNG气化后调峰
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国内外小型液化技术均已成熟
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NGH调峰
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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
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研究探讨阶段
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橡胶粉碎
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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
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研究探讨阶段
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冷库等
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降压后的低温天然气与冷媒换热，再将冷媒供应给冷库等
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已达到工程应用水平
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中国专利101245956A[1]采用气波制冷机降压得到低温天然气，然后与常温冷媒换热，通过冷媒逐级供给-30℃冷库、-15℃冷库和空调冷水系统，升温后的天然气进入管网。以一个50万m3/d规模的调压站为例，生产干冰节电效益约为1024万元/a，用于冷库产生的节电效益约为527万元/a、用于冷水空调的节电效益约为250万元/a，其工艺如图3所示。
3 存在问题及解决措施
天然气压力能利用主要存在以下几个问题：①中小调压站余能的回收利用难度大；②天然气调压站布局分散，不利于建设大型的电力回收系统；③调压站与冷能用户之间存在着地理限制，严重影响着调压站压力能回收得到冷能利用的进展；④在运用中能量匹配存在差异；⑤天然气供给存在着严重的季节、昼夜及小时的不均匀性。
据此，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宇或居民小区使用[15]。根据冬季天然气用量大，夏季用量少的情况，在大型调压站附近建设热、电联产的燃气调峰发电厂，电厂燃料烧嘴和燃料系统按使用两种燃料设计，可以起到燃气调峰的作用。另外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[16]；通过在合理的地域建设燃气储气设备，可有效均衡天然气的使用。对于长输管道引起的天然气压力波动，可在进站处设置稳压设备稳定压力，保证各仪器设备的稳定运行。
华南理工大学某课题组提出了如图4所示的改进工艺[17]。
该工艺在利用膨胀后的低温天然气冷量的同时，利用膨胀机输出功驱动压缩机做功，节省了压缩机电耗，压缩后的气态冷媒经冷凝后进入冷媒储罐备用。将所制得的冷能充分用于冷库、冷水空调或其它冷产业。同时，工艺中高低压天然气调峰罐的使用，起到了稳流天然气的作用，保证了膨胀机输出功的稳定性。
在实际工程实施中，应充分考虑到调压站与周边冷能用户的关系，力求做到能量的合理、经济、最优化利用。
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(本文作者：刘宗斌1 徐文东2 边海军2 陈敏2 1.华润燃气有限公司 518001；2.华南理工大学化学与化工学院 510640)
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