天然气高压管网余压冷电联供系统研究

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。

 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

AbstractThe utilization potential of pressure energy from natural gas network is analyzedThe distributed applications of natural gas excess pressure to cooling and power generation system for power generation-icepower generation-CNG pressurization and power generation-LNG are researched

Keywordsnatural gas excess pressurecooling and power generationpressure 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498.94kJkg。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1.5×104m3h,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Rl34aR134a-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

天然气高压管网余压冷电联供系统研究

 

该余压分布式利用工艺可发电200kW,可提供-16℃制冷剂Rl34a9th,可制冰3.3th。若每年以8600h,电力0.85元/(kW·h),冰200/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

天然气高压管网余压冷电联供系统研究

 

工艺中所用天然气为4.0MPa20℃,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4050℃,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

天然气高压管网余压冷电联供系统研究

 

天然气(4.0MPa30℃)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 SMOHAMMADIN AModeling and optimizing a CHP system for natural gas pressure reduction plant[J]Energy201240(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,201232(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 coolingUS,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,201422-27.

 

  

 

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

  北京永逸舒克防腐蚀技术有限公司

  华南理工大学