城市门站压力能回收设备研究应用进展_工程实践

摘要

摘要：透平膨胀机、涡流管可替代传统的节流阀，有效回收城市门站调压过程中损失的压力能。介绍了透平膨胀机、涡流管的国内外研究应用现状，提出了应用前景展望。关键词：压力能回收

摘要：透平膨胀机、涡流管可替代传统的节流阀，有效回收城市门站调压过程中损失的压力能。介绍了透平膨胀机、涡流管的国内外研究应用现状，提出了应用前景展望。

关键词：压力能回收；膨胀机；涡流管

Research and Application Progress of Facilities Recovering Pressure Energy in City Gate Station

SUN Jie

Abstract：The traditional throttle valve can be replaced by turbo-expander and vortex tube to effectively recover the lost pressure energy during pressure regulation in city gate station. The present status of research and application of turbo-expander and vortex tube at home and abroad are introduced，and the application perspective of these facilities is presented.

Key words：pressure energy recovery；expander：vortex tube

1 概述

随着我国天然气开发力度加大，用户需求不断增长，我国天然气管道建设得到了迅猛发展。截至2009年，我国天然气干线长度已达3.8×10⁴km，随着管材材质的提高，天然气管道设计运行压力逐步提高，近年来建设的西气东输、川气东送输气管道设计压力均提高到了10MPa，而管道沿线城市管网设计压力多为1.6～4.0MPa，因此需在城市门站进行调压。

在传统调压过程中，高压气体经节流阀绝热膨胀，压力降低，同时产生数量可观的冷量。在这个调压过程中，大量的流体机械能转化为冷能散失在环境中^[1～3]，在建设资源节约型、环境友好型社会进程中，如对这一能量加以回收利用，经济效益、社会效益显著。

2 可替代节流阀的天然气调压设备

针对输配气过程中压力能利用的问题，美国、英国、加拿大、俄罗斯等国自20世纪80年代就开展了相关研究。目前可替代节流阀的设备主要有透平膨胀机、涡流管2种，降压过程中产生的能量可用于发电、冷能回收、副产LPG或LNG等。

① 透平膨胀机

利用膨胀机降压回收能量，一方面可利用膨胀机输出的轴功，另一方面天然气输出轴功后温度下降幅度很大，大大超过节流阀在同等压力降下的温度降，因此还可利用膨胀机的制冷特性获得冷能。由于国外膨胀机技术集中，加上国内各制造厂商在透平膨胀机方面起步较晚，当前我国应用于石化、天然气领域的低温膨胀机，如液化石油气、液化天然气等工艺流程中的膨胀机基本依赖进口。

② 涡流管

涡流管具有能量分离特性，高压气经涡流管减压处理后，将会在管中心产生一股冷流，在外侧产生一股热流。由于涡流管内强烈的离心作用，中心的冷流气体为干燥气体，外侧高温气体则集中了涡流管效应(含节流效应)产生的所有液体。涡流管工作原理见图1^[4]。

以只输入一定压力的压缩空气为例，通过涡流管处理，一端产生冷空气(在干燥空气的前提下最低温度可达-46℃)，另一端产生热空气(最高温度可达127℃)。利用冷、热端气体温度的不同，可分别提供制冷或加热，使能量得到充分利用。涡流管制冷效果介于节流阀和膨胀机之间。

涡流管具有无运动部件、结构简单、操作方便、运行安全可靠、造价低、易维护等优点，此外还具有调压、分离、制冷等功能，且通过级联可以增强其制冷能力，在石油化工、低温制冷等领域得到广泛应用。目前采用空气作为介质的涡流管制冷产品在国外已系列化。

3 国内外研究应用现状

3.1 透平膨胀机

自1930年德国人林德第一次应用单级透平膨胀机获得成功以来，透平膨胀机的应用已成为一项成熟技术，但将膨胀机应用在长输管道上，以回收管道压力能的研究最早开始于20世纪80年代。在天然气门站利用膨胀机回收压力能主要用于发电和副产LNG。

① 利用膨胀机输出轴功发电

1983年，美国某公司在加利福尼亚南部San Diego门站安装了第一台膨胀机，试图通过膨胀机膨胀制冷发电，以回收管道压力能；其后，在1983年—1987年间先后在田纳西州Memphis化工厂、乔治亚州Stockbridge压缩机站、新泽西州Hamilton门站安装了3台膨胀机，但由于成本较高，试验未取得成功。日本、伊朗等国家也开展了在城市门站利用膨胀机输出轴功发电的相关研究。但由于种种原因，该项技术并没有得到大规模应用^[5]。

近年来，美国、英国一些公司将膨胀机技术与其他技术联合，以回收调压过程中的压力能，研究工作取得了一定进展。2008年10月，北美Enbridge公司将膨胀机与燃料电池组合在一起形成DFC-ERG系统^[6]，并在加拿大多伦多门站进行了现场试验，该联合装置的发电功率为2200kW。DFC-ERG系统工作原理见图2。

2009年1月，英国某公司宣布^[7]，将在伦敦东部的百客顿地区天然气管道上安装微型膨胀机发电，这些微型膨胀机非常小，直径只有20cm，但发电功率可达到1000kW/台。该项工作未见相关后续报道。

② 副产LNG

利用膨胀机的制冷特性来生产LNG，在国内外都有实例，生产的LNG可以用作调峰储备，也可以用作LNG汽车燃料。LNG产量与可获得的压差(膨胀机进口压力与出口压力的差值)直接相关，压差越大，液化率越高，通常条件下，可以获得10%～30%的液化率。

国内学者也进行了相关研究，熊永强等人^[8]。提出一种利用膨胀制冷及热集成技术在城市门站使用的天然气液化流程，见图3。

高压天然气经换热器1预冷部分液化后，进入气液分离器，分离出的液相经节流阀膨胀至中压，温度降低，形成气液混合物。分离出的气相经分流器分为两股，一股进入膨胀机膨胀至中压，温度剧降，形成气液混合物；另一股经换热器2预冷部分液化后，再经节流阀膨胀至中压后，也形成气液混合物。三股气液混合物一起送到闪蒸罐中，分离出气相天然气(中压)和LNG，前者作为原料气预冷冷源，换热后进入中压管网，后者进入LNG储罐储存。在城市门站安装带膨胀机的天然气液化装置，用气低谷时通过膨胀机产生冷量用于天然气液化。生成的LNG输入储罐，用气高峰时将其气化起到调峰作用。

3.2 涡流管

涡流管自1931年面世以来，通过不断改进，其制冷、制热、抽真空、分离等多种功能趋于完善，已在很多行业得到应用。从20世纪90年代开始，国外就尝试将涡流管技术应用于天然气工业，相继取得了重要进展。在天然气门站利用涡流管回收压力能的方式主要用于加热和副产LNG。

① 涡流管加热技术

美国Universal Voaex公司从1999年开始制造涡流管加热器，截至2005年7月，已在美国、加拿大、法国、西班牙和澳大利亚推广应用了700多套装置^[4]。近年来，随着我国天然气行业蓬勃发展，天然气的调压设备也在不断改进，目前涡流管加热技术已率先应用于中国石油管道公司华中输气公司管辖的武汉西计量站^[9]。将涡流技术应用于天然气输气设备，可以直接将上下游压降产生的压力能转化为热能，进行引压管的加热，降低运行和维护成本，用它替代电能加热，符合节能环保的要求。

② 副产LNG

俄罗斯将涡流管技术主要用于城市门站^[4、10]，利用调压过程中的压力降，不需要消耗额外的能量就可以将天然气液化，这类装置被称为新一代天然气液化装置。列宁格勒输气公司的2座城市门站均建立了小型LNG生产装置。该装置的操作压力为3.0～7.5MPa，处理天然气量(7.2～43.2)×10⁴m³/d，液化率为6%～14%，占地面积16m²。

4 结语

透平膨胀机、涡流管可替代传统的节流阀调压装置，有效回收管道压力能，具有较好的推广应用前景。在城市门站生产LNG不受发电或制冷所需的条件的限制，具有投资省、能耗低、操作简单、靠近用户等独特优势，并可起到城市调峰的作用。

参考文献：

[1] 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.

[2] 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.

[3] 申安云，熊永强.天然气管网压力能利用工艺的火用分析[J].煤气与热力，2008，28(11)：B01-B05.

[4] 徐正斌.涡流管技术在天然气领域的应用前景[J].油气储运，2009，28(1)：41-43.

[5] RHEUBAN J. Turboexpanders：harnessing the hidden potential of our natural gas distribution system[EB/OL].http：∥jacobrheuban.com/2009/03/09/turboexpanders-harnessing-the-hidden-potential-of-our-natural-gas-distribution-system/，2009-03-09.

[6] POGORSKI S，MCGINNES B. Optimizing gas pressure reducing stations for new revenues-environmentally preferred electricity sales[EB/OL].http：∥www.cga.ca/events/documents/SPogorski_BMcGinnes_CGA_Measurement_School_final_2009_paper28.pdf.2009-07-16.

[7] ADAM D. Mini-turbines to harness energy from pressure in UK，s gas pipelines[EB/OL].http：∥www.regione.vda.it/energia/notiziario_ultime/allegati/allegato1025ita.pdf.2009-01-06.

[8] 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)：130-132.

[9] 熊长征，陈川，尹克江，等.涡流管加热技术在天然气工业中的应用[J].油气储运，2009，28(6)：69-72.

[10] 论立勇，谢英柏，杨先亮.基于管输天然气压力能回收的液化调峰方案[J].天然气工业，2006，26(7)：114-116.

(本文作者：孙洁中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院北京 100083)