摘要：为了节省天然气输送过程中的管线投资，一般长距离输气管线的天然气输送压力很高。但高压天然气在进入城市燃气输配管网前，需要进行降压处理，降压过程中的压力损失，实际上是能量损失，这一过程会导致天然气的温度显著下降，产生大量高品质的冷能。本文通过对于采用透平膨胀机进行降压的过程建立数学分析模型，论述了通过膨胀进行降压时高压天然气产生的冷能的计算方法，并对不同降压梯度的冷能大小进行了评估。同时，对经过透平膨胀机膨胀降压后天然气的温度的计算方法也进行了分析和改进，为充分利用天然气降压过程产生的冷能提供了量的计算基础。

关键词：高压天然气；冷能；分析；热力学计算；焓熵图

High-pressure Natural Gas

Abstract：Generally speaking，the pressure of long-distant natural gas pipeline are very high for the purpose of saving the pipeline investment in the process of natural gas transportation. But the high-pressure natural gas has to experience pressure reduction before entering into the city gas transmission and distribution network，the pressure loss is actually the energy loss，in this process，the temperature of natural gas would be significantly dropped，and produced a large number of high-quality cold energy. The calculation method of cold energy from high-pressure natural gas that produced in the process of depressurization is discussed and the cold energy among different depressurization gradients are evaluated by establishing a exergy mathematical model for the process of adopting the turbo-expander to reduce the pressure. Meanwhile，the calculation method of the temperature of natural gas after depressurization by the turbo-expander expansion is also be analyzed and improved，it provides a quantity basis for taking full advantage of cold energy.

Key words：high-pressure natural gas：cold energy；exergy analysis；thermodynamic calculation；enthalpy-entropy diagram

　天然气是一种高效的清洁能源，近年来，它在一次能源消费中的比例不断提高，并成为继煤和石油之后的第三大能源形式。同时，我国也加快了天然气输气管网的建设。由于采2用高压输气可以减小输送管道的管径，从而节省管材和施工费用，故当前世界上天然气的长输管道均采用高压输送，国外长输管道的输送压力多数都在10MPa以上。目前，我国管道天然气的长途输送，也大多采用高压管输的方式，如已经投入使用的西气东输一线管道的输气压力就达到了10MPa^[1～4]。

　通过高压管线将天然气输送到用气地区的城市门站后，需用调压装置调压后才能进入城市输气管网供给用户使用^[5、6]。且由于降压过程引起的天然气低温使其对后续的管道系统构成了潜在的运行风险^[7]。

　降压过程中天然气的低温效应实际上已经使其成为了一种低温介质，这对于需要冷能的工艺或者系统提供了利用的可能。如果要充分有效的利用冷能，在用调压器进行降压的工艺过程中是很难实现的，因为传统的降压方法是利用节流原理进行降压的，这导致降压过程中佣损较大，造成了巨大的能量损失^[8、9]。

　有效回收冷能的设备可以采用透平膨胀机^[8～10]。透平膨胀机是一种膨胀降压、回收能量的关键设备，它是利用工质流动时速度的变化来进行能量转换的。如果采用透平膨胀机来实现降压过程，高压天然气经膨胀降压后温度显著下降，可产生大量高品质的冷能，而冷能的大小便是其是否具有利用价值的关键参数。如果能准确地分析此过程中天然气冷能的变化情况，那么这将为合理回收和利用天然气冷能提供可靠的科学依据。

　是某种能量在理论上能够可逆地转换为功的最大数量，称为该能量中具有的可用能^[11]。下面利用分析法建立数学模型对其进行分析。

　从热力学角度看，天然气管道可以看成一种开口系统。天然气经节流或作等熵膨胀过程中的可表示为某压力条件下热不平衡引起的温度与某温度条件下力不平衡引起的压力之和^[11]，即

e_s,h=e_x,T+e_x,p    (1)

式中e_s,h——天然气的比焓，kJ/kg

    e_x,T——天然气的比温度，kJ/kg

    e_x,p——天然气的比压力，kJ/kg

　天然气在从环境温度降低到温度T的过程中，其比温度为^[11]：

 

式中T₀——环境温度，K

       T——状态变化后的天然气温度，K

        P₁——状态变化前的天然气绝对压力，MPa

        C_p——天然气的比定压热容，kJ/(kg·k)

比压力相当于天然气等温流动时由于膨胀所作的技术功^[11]，即

 

式中P₂——状态变化后的天然气绝对压力，MPa

       v——天然气的比体积，m³/kg

        R_g——甲烷摩尔气体常数，一般取0.518kJ/(kg·k)

　由式(2)可知，要想求出高压天然气膨胀降压过程中产生的冷能的大小，就必须求出经透平膨胀机膨胀降压后天然气的温度，下面来具体分析它的确定方法。

　2.2.1 热力学计算法

　从工程热力学可知，对于理想气体在绝热等熵膨胀时，它的膨胀过程可以用下述简单的指数方程来表示^[12]：

　pv^k=常数    (4)

　但是在实际的透平膨胀机中，膨胀工质偏离了理想气体，因此上式就不再适用了。由于式(4)非常简便，所以在实际的膨胀过程中常常仍采用上述指数方程的形式，但同时又考虑实际气体和流动损失的影响。对于实际气体的绝热非等熵膨胀过程，这个过程可以利用与多变过程相似的过程方程式，即^[13]：

pvⁿ=常数    (5)

其中

式中n——绝热非等熵过程的指数

    k——比热容比，甲烷一般取1.29^[12]

    φ——透平膨胀机的速度系数

由式(6)求出绝热非等熵过程的指数n后，便可由下式算出膨胀降压后天然气的温度^[12]：

 

    式中T₁——透平膨胀机进口气体温度，K

        T₂——透平膨胀机出口气体温度，K

　2.2.2 焓熵图法

　在透平膨胀机中，标志能量转换过程完善程度的指标就是效率。从理论上来说，膨胀工质在给定的进、出口条件下可能实现的最大比焓降应为等熵比焓降△hs，因此等熵比焓降是一个比较的标准。透平膨胀机进、出口实际比焓降△h与等熵比焓降之比称为等熵效率^[14]：

 

　式中η_s——透平膨胀机等熵效率

        h₁——透平膨胀机进口天然气的比焓，kJ/kg

        h₂——透平膨胀机出口天然气的比焓，kJ/kg

        h₃——天然气在透平膨胀机中作等熵膨胀后的比焓，kJ/kg

　根据天然气进入透平膨胀机前的状态参数T₁、P₁，可以从甲烷的焓熵图^[15]中读出h₁、h_s的值，若给定透平膨胀机的等熵效率，则由式(8)可求出透平膨胀机出口天然气的比焓h₂，而透平膨胀机出口天然气的压力P₂是确定的，由h₂和P₂的值就可以在焓熵图上确定透平膨胀机出口气体温度T₂的值。

　用热力学计算法计算膨胀降压后天然气的温度以及膨胀降压产生的冷能。

　为了简化计算，假定天然气全部由甲烷构成，取环境温度为25℃，环境压力(绝对压力)为0.1MPa，天然气输送温度为20℃，天然气的比定压热容c_p取为2.223kJ/(kg·k)，透平膨胀机的速度系数为O.96。则此时绝热非等熵过程的指数n为：

 

　如果输气管道压力(相对压力)P₁为10MPa，此压力与西气东输管道设计输气压力相同，用户端压力(相对压力P₂为0.4MPa，由式(5)计算得知天然气(甲烷)经透平膨胀机膨胀降压后的温度降为

 

　则膨胀后天然气比温度可由式(2)计算出

　在不同的输气管道压力下，当用户端压力相同时，膨胀降压后的温度不同，冷能也会不同。同理可计算出环境温度为25℃，输气管道压力(相对压力)P₁分别为8MPa、6MPa、4MPa、2MPa时，天然气(甲烷)经透平膨胀机膨胀降压后的温度以及比温度，具体计算结果见表1。

　资料显示，西气东输一线管道每年供气120.0×10⁸m³，如果取O.1MPa，25℃时甲烷的密度为O.7192kg/m³，则管路中甲烷的质量流量为86.3×10⁸kg，以此为例，则每年可回收的冷能为1.07×10¹²kJ。取同样的参数条件，则可以计算出国内部分陆上天然气管道可回收的冷能。国内部分陆上天然气管道情况及可回收的冷能见表2。

　若高压天然气膨胀降压过程中产生的冷能能以100%的效率转化为电能，则由表2可知，在文中所取的参数条件下，忠武线、陕呼线、陕京一线、涩宁兰线、西气东输线可回收的冷能分别相当于7.94×10⁷、2.52×10⁷、3.5×10⁷、5.31×10⁷、2.97×10⁸kW·h的电能。

　本文建立数学模型对高压天然气在透平膨胀机中的膨胀降压过程进行了分析，经计算得知降压梯度越大，降压后的温度越低，所能回收利用的冷能就越大。随着我国天然气输气管网的不断完善，越来越多的天然气将通过高压管网输送给用户，由此可知我国高压天然气降压后产生的冷能的总量是非常大的，若能合理地回收利用这部分能量，将会收到可观的经济利益，对提高能源利用率以及节能环保都具有重大的现实意义。

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(本文作者：李静静 彭世尼 重庆大学城市建设与环境工程学院)