摘要：结合工程实例，对门站天然气调压过程中产生的冷能进行了计算，结合门站周边企业用冷需求，提出了采用气波制冷机的冷能回收与利用方案。在门站实施冷能回收，替代用冷企业电力制冷，可产生显著的经济效益和社会效益。
关键词：天然气；门站；压力能；冷能回收；气波制冷机
Application of Natural Gas Cold Energy Recovery Technology at Gate Station
LUO Dongxiao
Abstract：The cold energy produced during natural gas pressure regulation at a gate station is calculated through an engineering example.The cold energy recovery and utilization scheme using gas wave refrigerator is proposed according to the cold energy demand of enterprises around the gate station.The cold energy recovered at the gate station can be used as a substitute for electrical refrigeration，providing significant economic and social benefits.
Key words：natural gas；gate station；pressure energy；cold energy recovery；gas wave refrigerator
1 新奥东莞天然气门站简介
新奥东莞天然气门站(以下简称东莞门站)毗邻上游供气单位——广东大鹏液化天然气有限公司的东莞分输站，担负着向东莞东城、南城、莞城等城区，以及虎门、石碣等区域范围内各类用户(燃气电厂、CNG加气站、大型工业用户等)的供气任务。
上游长输管道的来气抵达东莞分输站后，经过滤、计量后送达东莞门站，天然气在门站内经过必要的处理，依据需要被调节成不同压力，分别送往相应的用户或管网。按照设计，东莞门站天然气处理总量为160×104m3/d，天然气进站温度为15℃、压力为9.0MPa。
东莞门站工艺流程见图1。出站的天然气压力等级有3种，分别为：①供应东城、南城、虎门调压站、虎门电厂，处理量为65×104m3/d，由调压装置1实现压力由9.0MPa降至4.0MPa；②供应东城科技园、寮步中压管网，处理量为35×104m3/d，由调压装置2实现压力由4.0MPa降至0.3MPa；③供应东兴电厂(每天发电时间为16h左右)，处理量为60×104m3/d，由调压装置3实现压力由9.0MPa降至2.5MPa。
为应对天然气调压过程中的大幅度温降，门站内设置3台WNS2.1型热水锅炉，燃烧天然气生产热水，在每个调压装置之前以热水通过换热器对天然气加热升温，以确保调压后的天然气温度符合要求。热水锅炉天然气消耗量约3200m3/d。
华润东莞雪花啤酒有限公司(以下简称啤酒公司)与东莞门站一墙之隔，啤酒生产过程中的低温冷却工序所需冷量由电力驱动制冷机提供。2011年该公司啤酒产量达35×104t，用于制冷的耗电量约720×104kW·h。为降低耗电量，考虑利用天然气冷能回收技术[1～7]，为啤酒公司提供冷量。
2 冷能回收计算
LNG的冷能
可分为低温、压力[8]。对于管道天然气，由于温度接近常温，低温远小于压力，因此通常只考虑压力。当压力为p1的高压天然气降压至压力p2时，冷能比ex的计算式为：
可分为低温、压力[8]。对于管道天然气，由于温度接近常温，低温远小于压力，因此通常只考虑压力。当压力为p1的高压天然气降压至压力p2时，冷能比ex的计算式为：
式中ex——冷能比，kJ/kg
，kJ/kg T0——环境温度，K
R——摩尔气体常数，J/(mol·K)
p1——降压前的绝对压力，MPa
p0——大气绝对压力，MPa
p2——降压后的绝对压力，MPa
东莞门站的天然气来自深圳大鹏天然气，各组分的体积分数为：甲烷88.77%，乙烷7.54%，丙烷2.59%，正丁烷0.57%，异丁烷0.45%，氮气0.08%。经计算可得，3个调压装置所在支路可回收的最大冷能分别为：调压装置1所在支路，能够回收的最大冷能为107.5GJ/d；调压装置2所在支路，能够回收的最大冷能为71.1GJ/d；调压装置3所在支路，能够回收的最大冷能为90.2GJ/d。由此可知，东莞门站可回收的最大冷能为268.8GJ/d。
3 冷能回收利用技术方案
3.1 基本思路
在东莞门站内增设3套冷能回收装置与现有3套调压装置并联。正常工况下，高压天然气进入冷能回收装置，压力降至要求值，温度大幅度下降，压力降低后的低温天然气再进入换热器与来自啤酒公司的冷媒换热，天然气温度升高至5℃出门站外送相应的用户或管网，冷媒降温后返回啤酒公司冷媒储罐供用冷设备使用。此时，电力制冷机可停用或作为补充。正常工况下，冷能回收装置具备获取冷能和降低天然气压力的功能。非正常工况下，出现故障的冷能回收装置停运，高压天然气进入调压装置进行调压，符合压力、温度要求的天然气外送相应的用户或管网，其他冷能回收装置照常运行。
3.2 冷能回收系统
① 天然气负荷规律
压力为4.0MPa供气支路，总处理量为100×104m3/d。其中流量为35×104m3/d的一部分在门站内调压至0.3MPa后分别供应东城科技园中压管网、寮步中压管网。另一部分流量为65×104m3/d，分别供应东城调压站、南城调压站、虎门调压站、虎门电厂。虎门电厂为调峰发电厂，每天发电16h，用气时段负荷均衡。压力为4.0MPa的天然气抵达东城调压站、南城调压站、虎门调压站后，再次调压至0.3MPa，这3个调压站所辖用户均以工业、商业用户为主，有部分居民用户，用气曲线具有典型城市燃气用户特征。
压力为0.3MPa供气支路，总处理量为35×104m3/d，东城科技园中压管网用户基本上为工业用户，用气负荷较为均衡。寮步中压管网用户以工业、商业用户为主，居民用户用气量约占12%，用气曲线具有典型城市燃气用户特征[9]。
压力为2.5MPa供气支路，总处理量为60×104m3/d，供应给东兴电厂。东兴电厂也是调峰发电厂，每天发电16h，用气时段负荷均衡。
② 冷能回收装置的选取
将压力能转换为冷能是天然气压力能回收利用技术中最为关键的环节。目前，冷能回收装置主要有透平膨胀机、涡流管、节流膨胀阀、气波制冷机等[10]。分析上述各类冷能回收装置的特性，并考虑东莞门站的工况条件和用气负荷特征，气波制冷机作为一种先进高效的冷能回收装置，应用在东莞门站是较为适合的[9]。它利用天然气的压力能产生激波、膨胀波使气体制冷，具有设备造价低、操作简便、故障率低、运行可靠性较高、运行费用省的特点。
③ 冷能回收系统工艺流程
采用气波制冷机作为冷能回收装置，将啤酒公司冷媒引入门站内换热器换热，构成冷能回收系统，工艺流程见图2。
9.0MPa、15℃的天然气分别进入气波制冷机1、3获取冷能，压力、温度分别降至4.0MPa、-44℃和2.5MPa、-70℃，经过换热器1、3后温度升至5℃。
经换热器1的天然气，一部分进入气波制冷机2，压力、温度分别降至0.3MPa、-28℃，经过换热器2温度升至5℃后出门站供应东城科技园中压管网、寮步中压管网。另一部分直接出门站进入4.0MP。高压管网供应东城调压站、南城调压站、虎门调压站、虎门电厂。经换热器3的天然气，压力、温度分别为2.5MPa、5℃，供应东兴电厂。
冷媒(酒精水溶液)来自啤酒公司，进口温度为15℃.出口温度为-20℃，各个换热器的冷媒流量由自动控制系统控制，确保各个换热器出口冷媒温度一致。经过流量计计量后供应给啤酒公司，与啤酒公司的结算依据是由冷媒流量与温差计算得到的实际冷能。
④ 气波制冷机设计参数确定
受用户性质和用气规律的影响，3台气波制冷机所在支路的冷能分布不均匀。考虑到气波制冷机变负荷能力不强，为了最大限度回收天然气冷能，在气波制冷机选型时，需准确掌握实际工况数据，确保气波制冷机的设计参数与实际工况基本一致。因此选取与实际小时流量最为吻合的数据作为气波制冷机的设计流量。
当流经气波制冷机的天然气实际流量等于设计流量时，所有天然气均进入气波制冷机内降温降压，再进入换热器与冷媒换热。当实际流量高于设计流量时，超出部分则通过与之并联的调压装置进行调压，两股气流汇合后外供。
当用户用气流量低于气波制冷机设计流量时，通过气波制冷机前的调节阀自动调节，使进入气波制冷机的天然气流量降低、气体压力下降，尽管进出气波制冷机的气体压缩比有所降低，但进入气波制冷机的工况流量基本不变，从而保证气波制冷机出口压力不至于超压。此时，与之并联的常规调压回路没有气体流过。非正常工况时，气波制冷机停运，高压天然气进入与之并联的调压装置，满足用户需求。
⑤ 东莞门站的可利用冷能
东莞门站3个调压支路拥有的最大冷能为268.8GJ/d，但这并不等于可利用冷能。原因在于任何冷能回收装置及换热器都存在效率问题，况且用气负荷的不均匀性也易导致冷能不能完全回收。将气波制冷机作为冷能回收装置时，对东莞门站可回收利用的冷能进行计算，并折算成节省的电量。基于天然气负荷的不均匀性，可回收利用的冷能按照最大冷能的70%进行核算。在进行节省电量的计算时，制冷性能系数取3.0。
经计算可得，气波制冷机1可回收的冷能为75.25GJ/d，相当于节省电量6967.6kW·h/d；气波制冷机2可回收的冷能为49.77GJ/d，相当于节省电量4608.3kW·h/d；气波制冷机3可回收的冷能为63.14GJ/d，相当于节省电量5846.3kW·h/d。东莞门站可回收利用的总冷能为188.16GJ/d，相当于节省总电量为17422.2kW·h/d。
⑥ 冷能利用方式
啤酒公司采用优先利用门站冷能的方式，不足部分采用自有电力制冷机补充。此外，设置较大容量的冷媒储罐可有效解决供冷与用冷需求间的不平衡问题。
4 经济性分析
冷能回收利用项目的造价为850×104元。每年可节省用于热水锅炉制备热水的天然气112×104m3/a，天然气价格按3.6元/m3计算，折合403.2×104元。当全部可回收冷能被回收利用时，每年可节省耗电量635.9×104kW·h/a，电价按0.6元/(kW·h)计算，则出售冷能的收益为381.5×104元。经计算可得，总经济效益为784.7×104a，基本上1年就能收回增加冷能回收系统的造价。冷能回收利用项目利用的是天然气抵达门站后的压力能，具有典型的节能减排特征，提升了天然气销售的附加值。按照节约1kW·h电减排0.997kg二氧化碳计算，相当于减排二氧化碳634t/a。
分析表明，该项目具备技术经济可行性，可复制性强，能提升天然气的附加值，具有明显的示范效应，市场推广应用前景广阔。
参考文献：
[1] 焦琳，王炬，段常贵，等.LNG气化站冷能利用方式的探讨[J].煤气与热力，2007，27(1)：21-23.
[2] 张中秀，周伟国.利用液化天然气冷能的空气分离技术[J].煤气与热力，2007，27(6)：18-20.
[3] 高文学，王启，项友谦.LNG冷能利用技术的研究现状与展望[J].煤气与热力，2007，27(9)：15-21.
[4] 张树龙，焦琳，李秀娟，等.利用LNG气化站冷能的冷库系统研究[J].煤气与热力，2007，27(12)：15-17.
[5] 郑志，王树立，徐晓瑞，等.高压天然气调压工艺冷能综合利用技术研究[J].煤气与热力，2009，29(12)：A33-A36.
[6] 刘宗斌，郑惠平，尚巍，等.LNG卫星站冷能利用项目开发[J].煤气与热力，2010，30(9)：B01-B05.
[7] 郑志，王树立，杨斌.天然气调压工艺冷能用于压缩机组冷却的探讨[J].煤气与热力，2010，30(11)：A15-A19.
[8] 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.
[9] 罗东晓.回收高压管输气压力能用于冷库技术[J].城市燃气，2010(4)：3-5.
[10] 张鸿鹏，李颜强.门站调压节流引起管道低温的分析[J].煤气与热力，2009，29(1)：B01-B04.
(本文作者：罗东晓1、2 1.新奥能源控股有限公司 河北廊坊 065001；2.中山大学 广东广州 510275)
您可以选择一种方式赞助本站
支付宝转账赞助
微信转账赞助
- 注解：本资料由会员及群友提供仅供阅读交流学习，不得用于商业用途！
