天然气行业的压力能综合利用领域节能技术改造案例-天然气管网压力能回收及冷能综合利用系统2019年

技术·应用/Technology &Application引言随着天然气产业的迅速发展，我国加快了天然气管网的建设，但气源距离主要用气城市较远，因此我国天然气输送多采用高压长输管道，如“陕京二线”、“西气东输”的输气压力都达到了10MPa [1]。

天然气从高压管道进入城市管网系统前要进行调压，传统调压过程并未利用管网压力能，白白浪费了大量的能量。

从气田开采的大量纯天然气经长输管线送至城市，为配合城市各级输气管网的运行，需在门站内将燃气由高压（如长输管道设计压力为10MPa ）降为较低压力（我国城镇燃气管道压力多为1.6～4.0MPa ）[2]。

调压站一般采用直接将燃气通过节流阀降压降温（焦耳—汤姆逊效应），压力能完全消耗在克服流动阻力上，未推动任何机械做功，浪费大量的能量[3-4]。

假定管网压力为10MPa，终端用户的压力为0.8MPa，则每公斤可回收的最大压力能为359.12kJ。

若年输气量为120万亿立方米，取气体比容为1.5m 3/kg，则质量输气量为80×108kg/a，则每年可回收的最大压力能为28729.6×108kJ。

由此可见，天然气运输管网中蕴含着大量的压力能，如果能对这部分能量进行回收，将会极大的提高能量利用率、提高管网运行的经济性，符合国家节能减排的基本政策，具有重要的经济效益和社会效益。

目前天然气压力能回收能量利用方式主要包括冷量利用和机械能利用。

其中冷量利用主要包括制冷和储气调峰两种方式；机械能利用主要是带动发电机进行发电。

1压差发电技术利用高压天然气管道压力能发电的基本原理就是利用高压天然气降压时体积膨胀产生的机械能和位能来驱动发电机发电。

1.1工艺介绍来自高压天然气管网中的高压天然气首先经过透平膨胀机膨胀通过转轴输出机械能，进而带动发动机实现对外供电，将压力能转换为电能。

膨胀做功后的中压天然气温度低于管道输送要求，需要将其加热至要求的温度再进入中压管网中（图1）。

输气管道放空天然气回收方案探讨随着全球能源消耗的不断增长，天然气储备已成为一个重要的能源供应来源。

从源头开始到消费者处的输气管道系统在天然气储备中发挥着重要作用。

然而，管道放空带来的天然气浪费及环境污染问题受到了越来越多的关注。

为了解决这个问题，天然气回收技术不断发展，成为了一种重要方式来减少天然气排放和浪费。

本文将探讨输气管道放空天然气回收方案。

输气管道放空的问题输气管道系统在生产、储运和消费过程中，常常需要进行压力调整或维护等操作。

这些操作往往会导致管道内部的天然气流失。

数据显示，2018年我国天然气管道放空量超过200亿立方米，造成了极大的天然气浪费和环境污染问题。

输气管道放空的天然气浪费问题无疑是一大不容忽视的问题。

而与此同时，天然气浪费也会对环境造成很大的影响。

天然气的主要成分是甲烷，是一种温室气体。

其放出后，会大量地增加温室气体的排放量，对气候变化造成不利影响。

天然气回收技术的应用为了解决输气管道放空带来的问题，天然气回收技术应运而生。

该技术可以将输气管道放空的天然气有效回收，从而解决了天然气浪费和环境污染的问题。

国内外各大石油天然气公司都在积极推广天然气回收技术。

这项技术的主要方式是通过天然气压缩储存系统，将输气管道放空的天然气收集起来，经过处理后，再将其压缩储存，以备后续使用。

这种回收技术可以有效利用天然气资源，实现了可持续利用资源的目标。

目前，天然气回收技术已经成为石油和天然气行业的标准操作。

该技术的应用范围不断扩大，已经涵盖了油气储藏、输气管道、开采、加工等领域。

输气管道放空天然气回收方案目前，国内已经出现了多种输气管道放空天然气回收方案。

其中，常见的方案包括：1.低压吸附法：该方法是通过低压吸附方式将天然气从管道中抽取，并利用干燥剂进行脱除水分和杂质。

这种方法能够比较高效地将天然气回收。

2.压缩吸取法：该方法是通过高压差的方式将天然气从管道中吸附出来，并经过压缩后储存在储气罐中。

第29卷第6期中　国　科　学　技　术　大　学　学　报V ol.29,N o.6 1999年12月JOURNAL OF CHINA UNIVERSIT Y OF SCIENCE AN D TECHN OLOG Y Dec.1999一种回收液化天然气冷能的低温动力循环系统Ξ程文龙　伊藤猛宏+　陈则韶(中国科学技术大学热科学和能源工程系　+日本九州大学工学部机械科学与工程系)摘要　提出一种高效回收液化天然气冷能的低温动力循环系统.用热力学第二定律对这种循环进行了详细分析,给出了其参数的优化设计方案.计算结果显示这种方法可以回收液化天然气50%左右的冷能.关键词　热力学,液化天然气,低温动力循环中图法分类号　TK1231　前言人类对能源的需求越来越大,由此而带来的环境污染及温室效应也越来越严重地困扰着我们赖以生存的地球.因此,寻找清洁及高效率的替代能源并加以高效率的应用成为当务之急.天然气由于其清洁及良好的燃烧性能,正在世界范围内,尤其是发达国家,得到越来越广泛的应用.为了便于大量储存和输运,天然气通常被液化,变成低温的液化天然气.在供给用户时,又转化为常温高压的气态天然气.这个过程中,大量的冷能释放出来.为了回收这部分冷能,近年来,人们提出利用液化天然气与环境之间的温差,构造低温动力循环系统,对外提供电力的方法,这种方法要解决的核心问题是:如何使用最少的设备最大限度地回收液化天然气的冷能.目前回收液化天然气冷能的低温动力循环系统大致可分为四种基本类型:直接膨胀法、二次媒体法、联合法和混合媒体法.直接膨胀法是首先将液化天然气压缩为高压液体,然后通过换热器被海水加热到常温状态,再通过透平膨胀对外做功.这种循环的优点是循环过程简单,所需设备少.但是,由于液化天然气的低温冷量没有加以利用,故其对外做功亦较少.二次媒体法是将低温的液化天然气作为冷凝液,通过冷凝器,把冷量转化到某一冷媒上,利用液化天然气与环境之间的温差,推动冷媒进行蒸气动力循环,从而对外做功.这种方 收稿日期:1998210229　程文龙:男,1969年9月生,在职博士研究生.邮编:230026,合肥法对液化天然气冷能的利用效率要优于直接膨胀法.但是,由于高于冷凝温度的这部分天然气冷能没有加以利用,冷能回收效率也必然受到限制.联合法综合了直接膨胀法与二次媒体法.低温的液化天然气首先被压缩提高压力,然后通过冷凝器带动二次媒体的蒸气动力循环对外作功,最后天然气再通过气体透平膨胀做功.联合法可以较好地利用液体天然气的冷能.因为液化天然气的温度在整个过程中是变化的,和单一媒体比较,使用混和媒体可以覆盖低温天然气更大温度范围的冷量.但是,由于混合媒体本身的不稳定性,这种方法在实际应用中会出现很多困难.2　改进的联合法比较上述四种方法,联合法具有较高的效率和较好的稳定性.在联合法的基础上,本文提出一种改进的联合法(M odified Union Cycle Method ,缩写为MUC D ),可以更为有效地利用液化天然气的冷能.其系统简图如图1所示.图1　改进的联合法系统概图Fig.1　The Sketch of the M UC D在这种改进的联合循环中,液化天然气从储液罐抽出,经过液泵,压力提高;高压的液化天然气分别先后经过二次冷媒循环的冷凝器和回热器,液化天然气的部分冷能被二次冷媒所吸收,从而汽化变成气体天然气;天然气继续经过一个换热器被海水加热至常温,经透平膨胀对外作功,温度降低,这时压力虽然也被降低,但仍然高于供给用户时的压力;再用海水对其进行再热,提高其温度至常温,再次通过透平膨胀对外作功,压力降低到供给用户所需要的压力,这时天然气的温度较低,须再次被海水加热,最后供给用户.二次冷媒的蒸汽动力循环是依靠海水和液化天然气之间的温差来驱动的:海水是高温热源,液化天然气(包括低温天然气)作为低温热源.气体状态的二次冷媒经透平膨胀作功,温度和压力都降低;这种低温低压气态的二次冷媒通过吸收液化天然气的冷能来实现液化;然后压缩,通过换热器与海水进行热量交换,变成常温下的高压气体,进入透平.为了更好地吸收冷能,在二次冷媒循环中应用了抽气回热技术.由以上分析,可以看出这种改进的联合循环,在二次媒体的蒸气循环中加入了抽气回热,在天然气的膨胀过程中增加了再热.抽气回热不仅减少了冷媒循环的可用能损失,也增加了二次媒体与天然气之间换热的可逆性;再热也可以有效地提高气体膨胀做功的效率.因此改进的联合法可以更加有效地回收液化天然气的冷能.276 中国科学技术大学学报 第29卷3　二次冷媒的选取与各参数的优化好的冷媒,不仅要有良好的稳定性,而且需要具备良好的动力学性质.这里选用的冷媒必须具备:临界温度必须高于环境温度,而三相点温度必须低于冷凝器温度;冷媒在蒸发器的蒸发潜热与在冷凝器的液化潜热的差值要尽可能小,这就意味着冷媒只须在蒸发器的出口达到很小的的过热度,就能使冷媒在透平出口的干度达到工程标准.综上所述,在液化天然气初始温度(-140℃)与环境温度(25℃)之间,R502是一种合适的冷媒.液化天然气最大可回收的冷量如下,W max =(h -T 0s )tank -(h -T 0s )consumer(1)此处,T 0为环境温度,下标‘tank ’和‘consumer ’分别表示天然气的初始(储存罐)和最终(输送给用户)状态.本动力循环的效率定义为ε=W T otal W max(2)式中,W T otal 表示动力循环的总净输出功,包括二次冷媒蒸气动力循环的输出功和天然气直接膨胀的输出功.当然,各种泵耗费的功应从总功中扣除.在本动力循环中,液化天然气被压缩到某一压力后(这个压力下面将讨论),合理地选取二次冷媒蒸汽动力循环的冷凝温度是提高液化天然气冷能利用效率的关键.根据热力学第二定律,温差越小,热交换器的可逆性越好.但是,作为冷源的天然气从总体上看,是一个变温度过程,而冷媒在冷凝器中的凝结过程基本上是一个恒温过程.毫无疑问,如果冷源是恒温的,则冷源冷量可以最大的利用.经研究发现液化天然气储存的冷能在其气化(液气相变)过程中得到大量的释放,这个过程可以看作是一个恒温过程.由此,二次冷媒的凝结温度可以确定为液化天然气的气化温度和换热器最小换热温差之和.采用不同的冷源温度对系统的效率进行计算,计算结果也显示以上分析的正确性.液化天然气从储气罐中抽出时,要提高压力.当点P10的压力增加时,天然气直接膨胀图2　改进的联合法的温—熵图Fig.2　The Diagram of T em perature —Entropyof the M UC D输出功增大,压力提高必然导致液化天然气沸腾温度提高,从而使二次冷媒蒸汽动力循环的冷凝温度提高,造成由二次冷媒输出的功减少;反之,当点P10的压力减小时,天然气直接膨胀输出功减小,而二次冷媒输出的功增大.通过选取不同的P10点的压力进行计算,结果显示在一定的范围内P10点的压力对总输出功几乎没有影响.至于二次冷媒的抽气回热点P5和天然气的再热点P14状态参数,主要由计算来确定它们在循环中的最佳值.其温熵图如图2所示.376第6期 一种回收液化天然气冷能的低温动力循环系统 476 中国科学技术大学学报 第29卷4　计算结果为了方便计算,可作如下假定:1)天然气的主要成分为甲烷(CH4),体积比率为90.0～99.8%,因此可假设天然气由纯甲烷组成;2)液化天然气的初始状态:P9=0.4MPa,T9=-141.75℃,为饱和液体;最终状态: P17=1MPa,T17=20℃;3)管道中的阻力忽略不计;4)二次冷媒在冷凝器出口为饱和液体,在透平出口湿蒸气的最小干度为0.95;5)透平和压缩机(包括泵)的等熵效率为0.8;6)环境温度为20℃;7)热交换器中换热流体之间的最小温差为4℃;8)除液化天然气进入第一个热交换器前(图1的点P9和点P10之间),泵因提高其压力所做的功外,其他泵所消费的功很小,可以忽略不计.图2中各点的热物性参数如表1所列(以下热物性参数由日本九州大学提供的PROPATH9.1热物性数据库获得).表1　各点参数表T ab.1　The Thermal Dynamic Properties of Every P oint序号P/MPa T/℃h/k J・kg-1s/k J・kg-1・K-1V/m3・kg-1X10.90016.00354.00 1.533820.009-87.20297.65 1.60950.962730.009-87.20119.000.6488 6.20630.000040.110119.080.648950.110-43.50325.56 1.5712 1.000070.110-43.50155.640.8248 6.76750.000080.900156.300.825490.400-141.75-840.11-6.100410 3.500-140.00-830.26-6.085411 3.500-91.20-384.83-3.462812 3.500-47.50-218.62-2.630413 3.50016.00-56.60-1.996114 1.900-18.70-120.06-1.932915 1.90016.00-39.42-1.635916 1.000-18.75-108.14-1.567317 1.00020.00-20.97-1.2485计算结果如下:1)单位质量液化天然气的最大可用冷能W max=(h-T0s)9-(h-T0s)17=603.2kJ/kg 2)压缩单位质量液化天然气泵所消费的功W pump =h 10-h 9=9.85kJ/kg 3)单位质量天然气直接膨胀对外所作的功W CH 4=(h 13-h 14)+(h 15-h 16)=132.18kJ/kg 4)回收每单位质量天然气的冷量所需要的二次冷媒(R502)的质量对于单位质量液化天然气,本系统所需的二次冷媒的总量m 由两部分组成,一部分为完成全部膨胀做功的所需的冷媒质量m 1;另一部分为二次冷媒动力循环中,抽气回热部分的所需的冷媒质量m 2.它们可由下式计算得到:m 1=(h 11-h 10)(h 2-h 3)=2.49m 2=(h 12-h 11)+m 1(h 7-h 4)(h 5-h 7)=1.51m =m 1+m 2=4.00 5)对于单位质量液化天然气,二次冷媒对外所做的功对于单位质量液化天然气,二次冷媒所做的功W R 也同样由两部分组成,一部分为完成全部膨胀做功的冷媒对外做功W R 1;另一部分为对应于单位质量液化天然气,抽气回热部分的冷媒对外做功W R 2.W R 1=m 1[(h 1-h 2)-(h 4-h 3)-(h 8-h 7)]=135.99kJ/kg W R 2=m 2[(h 1-h 5)-(h 8-h 7)]=41.95kJ/kg W R =W R 1+W R 2=177.94kJ/kg 6)回收单位质量液化天然气的冷量,系统向外输出总功为W T otal =W CH 4+W R -W Pump =300.3kJ/kg 7)总效率为ε=W T otalW max=49.8% 现在把相同状态下液化天然气的冷能用不同方法加以回收的效率进行比较,并把比较结果列入表2.表2　改进的联合法和其它方法的比较T ab.2　The C om paris on Between the M UC D and Other Methods计算结果直接膨胀法二次冷媒法联合法改进的联合法W T otal /kJ.kg -1100.8162.0169.2300.3ε/%16.726.928.149.8 由上表可以看出,采用改进的联合法,液化天然气冷能的回收效率可以达到50%左右,大大高于直接膨胀法,二次冷媒法和联合法.576第6期 一种回收液化天然气冷能的低温动力循环系统 5　结论液化天然气冷能的回收对于天然气这种清洁、高效的能源更加经济的利用具有十分重要的意义.本文在对其它几种方法进行具体分析的基础上,提出了一种更有效的回收液化天然气冷能的低温动力循环系统(改进的联合法),并对其进行了详细的热力学分析,对其各参数的确定进行了优化处理.计算结果显示,这种方法对液化天然气冷能的回收效率可达到50%左右,大大高于其它方法.参 考 文 献[1]　Nakaiwa M,Akoya T,Owa M,T anaka Y.Evalu2ation of An Energy Supply System with Air Separa2tion.Energy C onversion&Management.,1996,37(3):295—301[2]　Myers G len E.Engineering Therm odynamics.NewJersey:Prentice2Hall,Inc.,A Division of S im on&Englew ood G liffs.,1989[3]　伊藤猛宏,山下宏幸.工业热力学(1).东京:社,1993[4]　曾丹苓,熬越,朱克雄等.工程热力学.北京:高等教育出版社,1988A Cryogenic Pow er G eneration Cyclefor R ecovering Cold E nergy of L NGCHE NG Wenlong　IT O T akehiro+　CHE N Z eshao(Department o f Thermal Science and Energy Engineering,USTC)(+Department o f Mechanical Science and Engineering,K yushu Univer sity,Japan)Abstract　A highly efficient cry ogenic power generation cycle for recovering Liquefied Natural G as (LNG)cold energy is proposed.Based on the second therm odynamics law,the cycle is analyzed,and the optimum design obtained.The calculation results show that this crogenic power generation cycle can recover about50%of the cold energy of LNG.K ey w ords　thermal dynamics,LNG,cry ogenic power generation cycle676 中国科学技术大学学报 第29卷。

天然气输送与储存技术创新案例随着经济的快速发展和人民生活水平的提高，我国对天然气的需求量逐年增长。

为了满足这一需求，天然气输送与储存技术的创新显得尤为重要。

本文将结合具体案例，从专业角度分析天然气输送与储存技术的创新。

1. 天然气输送技术创新在天然气输送方面，长输管道是主要的输送方式。

近年来，我国在长输管道建设方面取得了显著的成就，如西气东输、川气东送等大型工程。

然而，在管道输送过程中，存在一些技术难题，如天然气腐蚀、泄漏等。

为了解决这些问题，我国研发出了一系列创新技术。

（1）管道内涂层技术为了防止天然气管道腐蚀，研究人员在管道内壁涂覆了一层特殊的防腐涂层。

这种涂层具有优异的耐腐蚀性能，可以大大延长管道的使用寿命。

此外，涂层材料还具有很好的附着力和机械强度，能够承受较高的输送压力。

（2）高强度钢管材料在天然气输送过程中，管道材料的强度和韧性是关键因素。

为了提高管道的承载能力，研究人员开发了一种新型高强度钢管材料。

该材料具有较高的抗拉强度和抗冲击性能，能够在恶劣环境下保持稳定的性能。

（3）泄漏检测技术天然气泄漏是输送过程中亟待解决的问题。

为了解决这一问题，研究人员开发了一种基于声波的泄漏检测技术。

该技术利用声波在管道中的传播特性，实时监测管道是否存在泄漏。

一旦检测到泄漏，系统会立即发出警报，并采取相应措施。

2. 天然气储存技术创新在天然气储存方面，地下储气库是主要的储存方式。

近年来，我国地下储气库建设取得了显著的成果，如苏里格、长庆等大型地下储气库。

在储气库建设过程中，也涌现出了一些创新技术。

（1）储气库选址技术地下储气库的选址对储存效果和安全性具有重要影响。

为了确保选址的合理性，研究人员采用了一系列地质勘探技术，如地球物理勘探、地质钻探等。

这些技术可以帮助研究人员准确地判断地下储层的分布、结构和物性，为储气库选址提供可靠依据。

（2）储气库建设技术在地下储气库建设过程中，技术人员采取了一系列创新方法，如三维地震勘探、地质建模等。