高压天然气调压工艺冷能综合利用技术研究

摘 要

摘要：高压管输天然气在供入城市燃气管网前，需经门站调压，产生大量工艺冷能。分析了调压工艺冷能的可用性及利用方式，提出了工艺冷能梯级利用的方法策略和集成模型，工艺冷能综合利
摘要：高压管输天然气在供入城市燃气管网前，需经门站调压，产生大量工艺冷能。分析了调压工艺冷能的可用性及利用方式，提出了工艺冷能梯级利用的方法策略和集成模型，工艺冷能综合利用的实施条件和解决措施。
关键词：天然气调压；工艺冷能；综合利用；冷能发电；空气分离
Technical Research on Comprehensive Utilization of Technology Cold Energy from Pressure Regulation of High-pressure Natural Gas
ZHENG Zhi，WANG Shu-li，XU Xiao-rui，HAN Yong-jia，HUANG Tao-tao
Abstract：High-pressure piped natural gas has to be decompressed at city gate station before entering into urban gas network，and a large amount of technology cold energy is generated. The usability and utilization mode of technology cold energy from pressure regulation are analyzed. The strategies and an integrated model for cascade utilization of technology cold energy，the implementation condition and solutions for comprehensive utilization of technology cold energy are proposed.
Key words：natural gas pressure regulation；technology cold energy；comprehensive utilization；cold energy power generation；air separation
天然气是当前世界上综合品质最高、应用最广的工业与民用燃气。自20世纪80年代以来，我天然气的探明储量和产量持续快速增长[1、2]。以气东输二线的启动为标志，我国天然气管网进入速发展阶段，并将呈现西气东输、北气南下、海气岸、就近供应的特点[3]。预计到2010年，我国天气输气管网总长度将达到4×104km，且呈大口径、高压力发展趋势[4]。高压输气管网中蕴藏着巨的压力能，利用透平膨胀机、气波制冷机、涡流管装置可以回收这部分能量，将其转化为机械能、电、冷能等形式，对于加快建设资源节约型、环境友好型社会，具有重要的意义[5～7]。
1 调压工艺冷能的可用性分析
高压天然气经城市门站调压后方可进入城市燃气输配管网[8、9]。调压过程中，天然气压力降低，体积膨胀并对外做功，同时温度降低，产生工艺冷能。若将天然气视作理想气体，膨胀过程熵增的关系式可表示为：
 
式中△S1-2——气体膨胀过程的熵增，J/(mol·K)
    cp——比定压热容，J/(mol·K)
    T2——膨胀后的气体温度，K
    T1——膨胀前的气体温度，K
    R——摩尔气体常数，J/(mol·K)
    p2——气体膨胀后的绝对压力，MPa
    p1——气体膨胀前的绝对压力，MPa
    等熵膨胀过程中△S1-2=0，则膨胀后的气体温度为：
   
    当p2一定时，T2主要受p1和T1的影响。假设天然气全由甲烷构成。25.0℃的高压甲烷气体等熵膨胀至0.5MPa，当高压甲烷气体压力即进气压力发生波动时，膨胀制冷温度的变化情况见图1[10]。
 

    p1越高，膨胀制冷温度就越低。当高压甲烷的压力为4.0MPa时，等熵膨胀可获得-77.6℃的低温。通过预冷进气、逐级膨胀，可以获得温度更低、品位更高的冷能。当进气被预冷到-5℃时，压力由4.0MPa降为0.5MPa能得到-100.7℃的低温；当进气被预冷到-20℃时，可得到-112.3℃的深冷低温。
2 调压工艺冷能的利用方式
    调压工艺冷能的利用可分为直接和间接两种方式[11、12]。其中，直接利用包括发电、低温空分、液化二氧化碳、轻烃回收、海水淡化、空调制冷、冷冻仓库、低温养殖、栽培等；间接利用包括用空分后得到的液氮、液氧、液氩来进行低温粉碎、冷冻干燥、低温干燥、水和污染物处理、冷冻食品等。
2.1 冷能发电
    以电能的形式回收天然气调压工艺冷能，属于对冷能的直接利用。将膨胀制冷的低温天然气作为冷凝液，经冷凝器把冷量传递到冷介质上，利用低温天然气与环境之间的温差，推动冷介质进行蒸气动力循环，从而对外做功。要有效利用调压工艺冷能，冷介质的选择非常重要。
2.2 空气分离
    空分设备的能耗较高，约占空分产品成本的70%～80%。在常规空分装置中的主冷却器、废氮循环冷却器、后冷却器以及空压机中间冷却器等换热装置中引入天然气调压工艺冷能，可以有效降低空分的单位能耗，减少空气压缩中间冷却的用水环节，提高空分产品的产量和质量。
2.3 液态二氧化碳和干冰的制备
    传统工艺是将二氧化碳压缩至2.5～3.0MPa.再利用制冷设备冷却和液化。利用天然气调压过程产生的工艺冷能，很容易获得冷却和液化二氧化碳所需的低温，从而将液化装置的工作压力降至0.9MPa左右。制冷设备的负荷较传统工艺大为减少，电耗也大幅降低，使干冰消费量的进一步扩大成为可能。
2.4 低温粉碎
    若用常温方法粉碎处理，一方面需要很大的能量，另一方面粉碎处理后的材料难以分离。低温粉碎技术利用物料在低温状态下的脆化特性，达到一定温度后，用很小的力就能将其粉[7]。对于许多在常温下难以粉碎或难以保证粉碎品质的物质，低温法具有很大的优势和效益。高压天然气膨胀制冷不需要消耗外部能量，费用较压缩制冷低，且城市燃气需求量大，为低温粉碎提供了丰富而价廉的冷能。
2.5 冷冻仓库
    传统冷库采用多级压缩制冷装置以维持冷库的低温，耗电量很大。将天然气调压工艺冷能作为冷库的冷源，可以简化制冷系统，极大地降低电耗。为了有效利用调压工艺冷能，可将食品冻结及加工装置、冷冻库、冷藏库及预冷装置等，按不同的温度带组成一个工艺链，根据低温天然气温度带的差异，用不同的载冷剂与之进行热交换后，分别送入低温冻结库或低温冻结装置(-60℃)、冷冻库(-35℃)、冷藏库(0℃以下)以及果蔬预冷库(0～10℃)。
2.6 其他利用方式
    调压工艺冷能还可用于空调制冷、储冷和电力调峰、燃气调峰和轻烃回收[13]、预冷空压机进气、吸收蒸汽轮机排气热量[14]。
3 调压工艺冷能的综合利用
3.1 综合利用的意义
    冷能的利用不仅要看其能量回收的数量，还要注意冷能的品位。目前冷能的单项利用技术主要包括空气分离、干冰制造、低温粉碎、冷库、冷能发电、人造冰雪等[15、16]。这些项目所需冷能的品位各不相同，分散单项利用，导致过程损过大，从能量有效利用的角度来看不合理。因此，探索调压工艺冷能的综合利用，减少损失尤为重要。
3.2 综合利用的方法和策略
   根据温度对口、梯级利用、造价及损总费用最小化的冷能综合利用原则，按照冷能可用性及用户特性分析，确定在不同温位下的技术经济最优的传热温差。在保证必要的传热温差情况下，按照深冷、中冷、次中冷和浅冷4个冷量利用温度带，考虑各级用户冷量需求的不同特点，建立调压工艺冷能按温度梯级综合利用的理论最优化方案。深冷利用部分包括空分装置等，中冷利用部分包括干冰制备、人造冰雪装置及橡胶低温粉碎装置等，次中冷利用部分主要是冷库装置，浅冷部分主要用于发电、空调冷水系统等。最后建立冷能综合利用集成模型。
3.3 综合利用的工艺
应充分认识调压工艺冷能的质、量特征，实现可用工艺冷能与用户所需冷能在质、量上的较好匹配，避免不必要的低温高用，实现系统的最大效率。据此，建立了调压工艺冷能综合利用的集成模型，见图2。
 

   工艺流程主要包括高压天然气预冷、膨胀机调压制冷、冷能梯级利用3个部分。上游高压来气被分为a、b两股。a股经气波制冷机膨胀制冷，形成低温低压天然气；b股经脱水处理，与低温低压天然气进行热交换。高压天然气获得冷量，温度降低，与此同时低温低压天然气被加热到0℃以上。预冷后的高压天然气经气波制冷机膨胀至较低压力(稳压、冷却)，然后进入透平膨胀机中将压力降至要求范围。降压过程中，气体对外做功，驱动同轴发电机输出电能，同时自身温度进一步降低，产生深冷的低压天然气。生成的冷能按用冷温度和流量的不同，分别用于：低温粉碎(-130～-80℃)，冷库(-42～-15℃)；空气分离(-191～-150℃)，干冰制备(-78℃)，冷能发电(-40℃)；人造雪球(-60～-10℃)。最后经空调冷水系统(-5～10℃)，将天然气复热到管输温度。
3.4 综合利用的实施条件和解决措施
    具体冷能利用项目的选择和实施，需要明确天然气城市门站和冷能用户之间的制约和限制条件，以及冷能用户的可操作性和经济性问题。工程技术的关键是高压天然气进入城市燃气输配管网操作与各个冷能利用过程在空间和时间上的不同步。城市燃气负荷受上游气源、时段、季节、气候等的影响，波动量比较大，造成调压释放的冷能随之波动。而空分、低温粉碎等冷能用户所需冷能负荷的时间特性显然与之不同。在空间上，上述冷能利用产业群的占地面积加起来，显然比天然气门站大得多，绝不可能建在天然气门站内，但又不能相距太远，因为低温冷量的经济输送距离只能在1～3km。欲解决冷能利用时空不同步的矛盾，可行的措施有：
    ① 选择适宜的冷介质循环和高效率的热交换设备。在低温端，载冷剂多选择乙烷、丙烷、丁烷或其混合物；在高温端，载冷剂可选择不同浓度的乙二醇水溶液或氨水。换热器结构宜采用板翅式或管壳式。
    ② 设置蓄冷装置，利用相变物质的潜热，在冷能充裕时，吸收冷能而凝固，在冷能供应不足时，熔化并释放冷能。
    ③ 根据当地气候、经济以及用户用冷温度分布的具体条件，求得技术经济优化的输送距离；采用最新的保冷材料和技术，减少长距离输送造成的冷损。
4 结语
    随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，我国能源消费结构正逐渐发生改变，对天然气等清洁能源的需求将持续增长。高压天然气调压过程中潜在的冷能资源非常可观，对其进行回收利用，可以收到良好的经济效益和社会效益。
    合理的工艺技术方案是高压天然气调压过程工艺冷能利用竞争力的核心因素。和常规的生产工艺技术相比较，冷能利用需要开发相应的新工艺技术，或者在现有的工艺技术基础上进行改良，属于新型产业。目前在科研成果转变为可工程化的现实生产力方面仍需进一步开发，积极探索冷能利用的建设、运营模式，实现集成优化，形成循环经济产业。
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(本文作者：郑志1 王树立2 徐晓瑞1 韩永嘉1 黄涛涛3 1.江苏工业学院江苏省油气储运技术重点实验室 江苏常州 213016；2.江苏工业学院机械与能源工程学院 江苏常州 213016；3.漳州安然燃气有限公司 福建漳州 363000)