摘　要：分析天然气管网压力能利用潜力，研究将天然气余压分布式用于发电－制冰、发电－CNG加压、发电－生产LNG冷电联供工艺。

关键词：天然气余压；  冷电联供；  压力能

Research on Cooling and Power Generation System Using Excess Pressure from Natural Gas High-pressure Network

Abstract：The utilization potential of pressure energy from natural gas network is analyzed．The distributed applications of natural gas excess pressure to cooling and power generation system for power generation-ice，power generation-CNG pressurization and power generation-LNG are researched．

Keywords：natural gas excess pressure；cooling and power generation；pressure energy

1　天然气高压管网调压过程余压潜力

在天然气管网的建设中，管网输送的安全性和经济性一直是人们关注的问题。为了节省管材和施工费用，天然气采用高压输送，国外长输管道的输送压力多数都在10MPa以上，国内陕京二线和西气东输等管道的设计压力也都达到了10MPa。

天然气以高压的形式输送至各大城市门站，经过调压装置调压至下游用户需要的压力后进入城市管网供给用户。在调压的过程中，天然气会产生很大的压力降和温度降，过程中压力降可借助膨胀发电设备进行发电，温度降为需要冷能的工艺或系统提供了可能。若输送管道压力为10MPa，下游用户需求压力为0.4MPa，则天然气(甲烷)的比压力火用为498.94kJ／kg。有资料显示，2006年西气东输管道共计供气9.9×109m3，折合甲烷质量为7.06×109kg，以此为例，则每年可回收的压力能为3.52×1012kJ，相当于装机容量为111.71MW的电站1年的发电量。因此，若能够有效地将这部分压力能进行分布式回收利用，将在很大程度上降低管网的运行成本和提高能源综合利用率。

2　余压冷电联供分布式利用

目前余压回收可用于发电[1]、空气分离、制冰[2]、制取干冰、橡胶粉碎[3]、冷水空调、冷库、天然气液化[4-5]、CNG加压[6]、海水淡化等领域，其中余压发电、CNG加压、天然气液化、冷水空调及冷库等技术相对成熟。为了提高能源综合利用效率，根据“温位对口，梯级利用”等原则，可以采用天然气高压管网余压分布式利用。

2.1　余压分布式用于发电－制冰

输送至门站的高压天然气可以经过膨胀装置进行回收发电，可满足门站内生产、办公设施对电能的需求，多余的电力驱动压缩机制冰，也可以利用天然气调压后的冷能用于制冰工艺，因此可以将余压用于发电－制冰。

华南理工大学徐文东教授开发了余压分布式用于发电－制冰工艺，工艺流程见图1。该工艺的实施地点在西气东输二线留仙洞门站，进口压力为4.0MPa，出口压力为1.6MPa，标准状况下，天然气的流量为1.5×104m3／h，温度为20℃。天然气经过过滤、计量后，进入透平膨胀机，带动发电机发电，所发电力驱动制冰机制冰，天然气膨胀后温度降为-29℃，与Rl34a在R134a-NG换热器中换热升温后进入下游天然气管网。来自R134a-盐水换热器的制冷剂Rl34a分为两股：一股制冷剂Rl34a经工频压缩机升压升温后，在R134a-NG换热器中与-29℃低温天然气换热，温度降低后流经节流阀，温度进一步降低，进入制冰系统制冰；另一股制冷剂R134a经变频压缩机后压力和温度升高，经循环水系统冷却后流经节流阀，温度进一步降低，进入制冰系统制冰，制冰后的制冷剂Rl34a温度升高，完成制冷剂循环。循环水经泵升压后，冷却制冷剂R134a。

该余压分布式利用工艺可发电200kW，可提供-16℃制冷剂Rl34a约9t／h，可制冰3.3t／h。若每年以8600h，电力0.85元／(kW·h)，冰200元/t计，年节电收益为146.2×104元，冰产品收益每年可得收入567.6×104元。

余压分布式用于发电－制冰系统适用于以下场合：门站内生产需电、周边或合理的范围内有较大的冰需求(例海鲜市场、基因冷冻库等)。

2.2　余压分布式用于发电－CNG加压

CNG加气母站距离高压天然气管网较近，一般就设在高压调压站旁边。因此，在高压调压站可以开发余压分布式用于发电－CNG加压工艺。

余压分布式用于发电－CNG加压工艺分为两种类型：a．天然气经过膨胀机后联轴带动压缩机进行加压；b．天然气经过膨胀机发电，所发电能供给压缩机进行加压，以后者为例，此种类型的工艺流程见图2。

工艺中所用天然气为4.0MPa，20℃，部分天然气经透平膨胀机后温度降为-29℃，产生的低温天然气与直接进入CNG压缩机压缩后的天然气在CNG-NG换热器中换热，升温后输送至下游天然气管网；而经CNG压缩机压缩的天然气加压至25MPa，温度升高至220℃左右，然后与低温天然气换热后温度降为40～50℃，输送至CNG气瓶车。

余压分布式用于发电－CNG加压系统适用于以下场合：门站、调压站内生产需电、周边有CNG加气母站。

2.3　余压分布式用于发电－生产LNG

笔者开发了一种余压分布式用于发电－生产LNG的工艺，工艺流程见图3。

天然气(4.0MPa，30℃)分两路，一路经过透平膨胀机1膨胀发电后，温度降至-70℃左右，压力降至0.4MPa，进入高低温天然气换热器中与30℃的高压天然气换热，温度升到21℃，之后进入下游天然气管网。另一路流出高低温天然气换热器，温度降低到-65℃进入1#储罐，再经透平膨胀机2膨胀发电后，温度降至-130℃左右，压力降至0.4MPa，一部分流入氮气－NG换热器2与高温氮气换热后，天然气温度升到30℃，之后进入下游天然气管网；另一部分流入氮气－NG换热器1与低温氮气换热后，天然气温度降至-160℃，最后进入LNG储罐。来自2#储罐的低压氮气，经过氮气压缩机由0.2MPa压缩至0.8MPa，进入氮气－NG换热器2与天然气换热，温度降至34℃，再进入氮气换热器与氮气换热，并再次降温至-150℃，然后高压氮气进入氮气膨胀机膨胀并发电后，压力降至0.2MPa，温度降至-185℃左右，进入氮气－NG换热器1与天然气换热，最后再次进入氮气换热器，氮气温度升至30℃后回到2#储罐，如此循环。

余压分布式用于发电－生产LNG系统适用于以下场合：门站内生产需电、周边有LNG加气站。

参考文献：

[1]SANAYE S，MOHAMMADIN A．Modeling and optimizing a CHP system for natural gas pressure reduction plant[J]．Energy，2012，40(1)：358-369．

[2]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．

[3]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(1)：49-52.

[4]M1NTA M,BOWEN R R,STONE J B. Process for making pressurized liquefied natural gas from pressured natural gas using expansion cooling：US,6378330[P].2002-04-30.

[5]华贲，熊永强，罗东晓，等．一种用于燃气调峰和轻烃回收的天然气液化方法：中国，1743436[P]．2006-03-08．

[6]张辉．天然气管网压力能集成利用工艺研究(硕士学位论文)[D]．广州：华南理工大学，2014：22-27.

本文作进：张辉　李夏喜　徐文东　邢琳琳　段蔚　朱军

作者单位：北京市燃气集团有限责任公司高压管网分公司

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