天然气管网压力能利用与水合物联合调峰研究

摘 要

摘要：比较了7种天然气储气调峰方式的优缺点，提出了利用高压天然气管网压力能制冷与水合物储气调峰工艺流程。模拟结果表明，该工艺流程具有良好的节能效果和储气调峰功能。关键
摘要：比较了7种天然气储气调峰方式的优缺点，提出了利用高压天然气管网压力能制冷与水合物储气调峰工艺流程。模拟结果表明，该工艺流程具有良好的节能效果和储气调峰功能。
关键词：天然气压力能；制冷；水合物；储气调峰
Study on Utilization of Pressure Energy from Natural Gas Network and Combined Peak-shaving with Hydrate
CHEN Qiu-xiong，XU Wen-dong
Abstract：The advantages and disadvantages of seven natural gas storage peak-shaving modes are compared. The technological process of refrigeration by pressure energy from high-pressure natural gas network and the gas storage peak-shaving with hydrate is put forward. The simulation results show that this technological process has excellent energy saving effect and gas storage peak-shaving function.
Key words：natural gas pressure energy；refrigeration；hydrate；gas storage peak-shaving
1 概述
天然气是高效清洁能源，从20世纪80年代以来，我国天然气探明储量和产量持续快速增长。随着西气东输、忠武线、涩宁兰线、陕京一线和陕京二线等输气管道的建成投产，川气东送工程开工建设，以及西气东输二线等项目工作的深入开展，一个覆盖全国的天然气管网正在逐步形成，管道沿线各城市也纷纷转为使用天然气[1]。
城市天然气输配系统中，各类用户的燃气需求量是不断变化的，故用气工况是不均匀的。而天然气长输管道给每个城市的天然气的供应量是相对均匀的，不可能完全按照用气量的变化而随时变化。为保证燃气安全、稳定、经济、连续地输送到各个用户，必须考虑天然气的供需平衡，即城市燃气储气与调峰问题。
城市输配系统的总储气量要求可参照表1。
表1 储气量占计算月平均日供气量的比例
民用气量占计算月平均日供气量的比例/%
储气量占计算月平均日供气量的比例/%
50
40～50
＜40
30～40
＞60
50～60
    目前，国内外解决城市天然气调峰问题采用的主要储气方式有储气罐储气、输气管道末段储气、输配管网储气、地下储气库储气、高压储气管束储气、液化天然气等[2、3]，不同类型的天然气储气调峰方式比较见表2[4～6]。
    现有调峰方式尽管有着各种作用及优势，但仍存在经济或技术问题。因此，需要寻找新的调峰方式，而利用天然气高压输送的特点具有可能性。
采用高压输气可以减小输送管道管径、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[7、8]。高压天然气需要在各地的天然气门站或调压站根据用户的供气压力要求进行调压，调压是一个降压过程，会浪费大量的压力能。日本通过利用天然气压差发电来回收管网的压力能[9、10]。而在国内，这部分宝贵的压力能在门站的节流调压过程中被白白浪费了[11]。压力能不但浪费了，而且还可能对下游管道造成一定的冷破坏。如果能回收利用该部分压力能，则可以提高能源利用率和天然气管网运行的经济性，同时可以消除降压过程对设备损伤的隐患[12]。为此，笔者提出一种天然气管网压力能制冷与水合物集成利用技术，利用天然气压力能制冷生产天然气水合物，同时把水合物气化冷量用于空调、冷库，实现城市天然气管网的调峰功能，大幅度提高能量的利用效率[13]。
表2 不同类型的天然气储气调峰方式比较[4～6]
储存方式
天然气状态
优点
缺点
用途
储气罐
气态，常温，低压或高压
建造简单
储气量小，占地面积大，经济效益低，对安全性要求高
日、时调峰
输气管道末
段
气态，常温，高压
调节灵活
储气量小，调节范围小
日、时调峰
输配管网
气态，常温，高压
储气量较大
管网计算复杂，压力等级多，调节难度大
日、时调峰
地下储气库
气态，常温，高压
储气量大，占地面积小，安全可靠性高
要求合适的地质构造，造价高，建设期长
季节性调峰，事故储备，战略储备
高压管束
气态，常温，高压
压力较高，节约空间
造价高，调节范围小
日、时调峰
液化天然气(LNG)
液态，低温，低压
储气量大
钢材用量大，造价高，能耗高
适用于沿海地区，应急，调峰和战略储备
吸附天然气(ANG)
气态，常温，低压
在较低的工作压力下，能有更大的储气量，灵活，安全可靠性高
还存在技术上的问题，尚未实现工业化
日、时调峰
2 工艺流程设计
本工艺设计的原则是：有效回收压力能，既能提高能源利用效率，又能减少高压天然气降压对设备造成的冷破坏；水合物具有较好的储气、调峰功能。其目的在于：充分回收利用天然气管网压力能，将冷能生成天然气水合物，以供储气、调峰使用，将二者集成起来形成联储技术，有效解决天然气管网压力能利用和管网调峰问题。该工艺流程包括4个部分：天然气压力能制冷、利用冷能制备天然气水合物、水合物储存与气化、冷媒循环。工艺流程见图1。
 
   ① 天然气压力能制冷
   天然气从高压天然气输气管道进入常规天然气门站，初始压力为4～8MPa，经过三向阀，天然气门站的高压天然气被分成a、b两股。满足城市管网瞬时需求量的a股天然气经过膨胀制冷设备进行膨胀制冷，压力降至0.4～1.6MPa，温度降为-112～-49℃。该膨胀过程产生大量冷量。低温天然气与冷媒在换热器中进行冷量交换，温度提高到5℃左右，进入城市管网；冷媒温度降至-60～0℃，存于低温冷媒储罐中。
   ② 利用冷能制备天然气水合物
   瞬时需求过剩的b股高压天然气进入水合物生成塔，与从塔顶喷淋装置喷出的水接触，低温冷媒储罐中的冷媒为水合物生成塔提供冷量。在水合物生成时通过低温冷媒把水合物生成塔温度降至4～11℃，在该温度压力条件下，生成天然气水合物浆。
   ③ 水合物储存与气化
用气低谷时，用户使用的天然气较少，此时天然气主要流向b股。该高压天然气进入水合物生成塔中与水接触，由冷媒提供水合物生成所需要的冷量，将天然气储存在水合物中。水合物浆流至水合物储罐中在低温下储存，以供用气高峰时调峰使用。
    用气高峰时，将温度较高的冷水空调机组中经换热升温的冷媒水对水合物储罐供热，水合物储罐中的水合物受热分解，天然气从水合物储罐顶部流入城市管网，补充了城市燃气用量，解决了高峰用气问题。
   ④ 冷媒循环
   水合物气化时释放的冷量由冷媒水带出，送入冷水空调机组作为空调冷媒水；换热升温后的冷媒水返回水合物储罐，为天然气水合物的气化提供热量，冷媒水循环使用。
3 流程模拟及结果分析
本工艺流程模拟的初始条件为：天然气组成假定为纯甲烷，温度25℃，压力为4.0～8.0MPa，质量流量为1000kg/h。通过改变天然气压力(4.0～8.0MPa)、水合物生成条件(生成压力：4.0～8.0MPa，生成温度：4.0～11.0℃)，具体结果见表3。
表3 天然气高效利用与水合物联合调峰工艺模拟结果
天然气膨胀机组制冷系统
水合物生成和气化系统
冷媒循环系统
入口压力/MPa
出口压力/MPa
出口温度/℃
冷能温度分布/℃
制冷量/kW
生成压力/MPa
生成温度/℃
生成量/(kg·h-1)
气化压力/MPa
气化温度/℃
冷能温度分布/℃
利用量/kW
 
8.0
0.4
-112
-60～5
71
8.0
11.0
1 203
0.4
＞-10
-20～15
60
 
5.0
0.4
-94
-60～5
58
5.0
6.0
983
0.4
＞-10
-20～15
49
 
7.0
1.0
-77
-60～5
50
7.0
9.5
849
1.0
＞-5
-20～15
42
 
7.0
1.6
-51
-40～5
35
7.0
9.5
592
1.6
＞0
-15～15
30
 
4.0
1.0
-49
-40～5
46
4.0
4.0
551
1.0
＞0
-15～15
27
 
表3结果显示，本工艺有效回收了高压天然气管网压力能，将其用于制冷，制冷量为35～71kW，冷媒循环系统中冷媒的利用量为27～60kW，水合物生成量为551～1203kg/h。天然气膨胀机组制冷系统中冷能温度分布范围越低，水合物生成和气化系统可利用的冷能就越多，越容易形成水合物，水合物储气能量速度越快，储气密度越高。生成的大量天然气水合物显示了天然气水合物的储气能力，以此可实现天然气的安全储存和调峰。在相同膨胀效率及出口压力时，随着进气压力的增加，制冷量及水合物生成利用的能力随之增加，因此，压力越高的高压天然气管网中可回收的压力能越多，水合物调峰能力越强。
在实际操作中，可根据不同用气量及压力进行相应调整。假如：在初始条件中，夜间0时至4时为天然气用气低谷时段，天然气的用气量为日间用气量的30%，即有300kg/h的天然气用于城市夜间使用，剩余的700kg/h的天然气将压力能制冷产生的冷量用于合成天然气水合物，采用水合物进行储存，以供用气高峰时调峰使用。假定冷量利用效率为0.85，则平均全天压力能产生冷量约为3.15×106kJ，可合成水合物14850kg，储存天然气1875kg，基本满足调峰所需。当天然气用气量较大时，可将储存于天然气水合物储罐中的水合物升温气化，用于补充城市管网的天然气缺口。此外，水合物气化产生的冷量还可以用于冷水空调机组。
4 结论
① 将天然气管网压力能膨胀制冷，在用气低谷时利用自身冷能合成天然气水合物进行储存，在用气高峰时把天然气水合物进行加热输出天然气，达到削峰填谷的作用；同时用气高峰时的天然气膨胀制冷和水合物气化所释放出的冷量都可集成用于冷水空调，提高了能源利用率。
    ② 充分利用了高压管网天然气压力能，在天然气进口压力为8.0MPa，出口压力为0.4MPa，进口温度为25℃，出口温度力-112℃，质量流量为1000kg/h条件下，最高制冷量可达到71kW，水合物生成可利用量达60kW。合成水合物所需的冷量不需要通过电制冷方式外加冷量，直接回收了高压天然气膨胀产生的冷量，大大提高了能量利用效率。
   ③在上述条件下，水合物生成量可达到551～1203kg/h，既能有效回收压力能用于冷水空调，又能实现天然气的安全储存和调峰。
参考文献：
[1] 及鹏.天然气燃烧利用效率的评价[J].煤气与热力，2009，29(10)：B18-B20.
[2] 陈永武，张鹏.城市燃气调峰与安全供用气[J].油气储运，2002，21(10)：4-6.
[3] 杨光，谢翔，万云.深圳市天然气调峰方案的优化[J].煤气与热力，2009，29(8)：B01-B06.
[4] 吴洪波，何洋，周勇，等.天然气调峰方式的对比与选择[J].天然气与石油，2009，27(5)：55-59.
[5] 王学军.管道储气调峰的投资与经济分析[J].煤气与热力，2003，23(4)：225-227.
[6] 吴创明.城市天然气输配方案的选择[J].煤气与热力，2004，24(5)：279-282.
[7] 王雪梅.天然气运输研究[J].石油工业技术监督，2005，(5)：41-44.
[8] 樊栓狮，梁德青，杨向阳.储能材料与技术[M].北京：化学工业出版社，2004.
[9] FARZANEH-GORD M.DEYMI—DZSHTEBAYAZ M. Recoverable energy in natural gas pressure drop stations：a case study of the Khangiran gas refinery[J].Energy Exploration & Exploitation，2008，26(2)：71-82.
[10] VASILJEV V Y，KISELEV O M. Method of utilizing of gas expansion energy and utilization power installation for implementation of this method[P].美国专利：US20090272115 A1，2003-11-05.
[11] 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，2007，27(1)：19-52.
[12] 熊永强，华贲，罗东晓.用于燃气调峰和轻烃回收的管道天然气液化流程[J].天然气工业，2006，26(5)：130-136.
[13] 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-B10.
 
(本文作者：陈秋雄1 徐文东2 1.深圳市燃气集团股份有限公司 广东深圳 518040；2.华南理工大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室 广东广州 510640)