利用管网压力能制备天然气水合物的调峰新技术

樊栓狮 陈玉娟 郑惠平 徐文东 郎雪梅

华南理工大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室

利用管网压力能制备天然气水合物的调峰新技术

樊栓狮 陈玉娟 郑惠平 徐文东 郎雪梅

华南理工大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室

高压天然气管网节流调压过程中会产生大量的压力能,绝大部分压力能不仅被浪费了,而且还会对下游管道设备造成一定的冷破坏。为此,开发了一种利用管网压力能制备天然气水合物调峰新技术,充分利用天然气膨胀产生的冷量制备天然气水合物,以供城市燃气储气调峰。计算结果表明,管网天然气流量为1 000 kg/h,进口温度为25℃,进口压力为8.0 M Pa,出口温度为-112℃,出口压力为0.4 M Pa时,最高制冷量可达71 kW,有效利用冷量达60 kW,生成的天然气水合物可储存100 m3天然气。该工艺既有效回收了管网压力能,又实现了天然气的安全储存和调峰,具有广阔的发展前景。

天然气 管网 压力能 制冷 天然气水合物 调峰 储存

以西气东输二线的启动为标志,我国天然气管网正式进入快速发展阶段,并将呈现西气东输、北气南下、海气上岸、就近外供的特点[1]。高压输气可以减小管道管径,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,国外大多数天然气管道的运行压力为8～12 M Pa[2-3]。

高压天然气管网中蕴藏着巨大的压力能,但在给普通用户供气时经调压站调压,这部分压力能大部分被损失掉了。目前,日本通过天然气压差发电来回收管网的压力能[4-5],而我国这部分宝贵的压力能在门站的节流调压过程中却被白白浪费了[6]。以日处理50 ×104m3的门站为例,压力从 4.0 M Pa降至 0.4 M Pa,导致的压力能损失约为1.02×109J/h,即每年的直接经济损失达2 652万元人民币。巨大的压力能不但没有得到利用,而且在降压过程中还会产生大量的噪音,且急剧降温也会对管道及调压设备的运行带来危险。如果能回收利用该部分压力能,则不仅可以提高能源利用率和天然气管网运行的经济性,同时还可以消除降压过程中的噪音和设备的损伤隐患[7]。

天然气水合物是天然气与水在低温高压下形成的笼形固体,1 m3的天然气水合物理论上可以储存150～180 m3的天然气,具有较好的储气调峰作用,而天然气水合物的形成需要较多的冷量。为此,笔者提出一种高效利用天然气管网压力能制备天然气水合物的调峰工艺,将天然气调压过程与天然气水合物生成工艺有机结合,在有效回收利用天然气管网压力能的同时,为天然气水合物的生成与储存提供条件,以实现城市燃气调峰[8]。

1 可回收的天然气管网压力能

高压天然气经天然气门站降压后才能进入城市燃气管网,在此过程中天然气压力降低,体积膨胀并对外做功,同时天然气的温度降低,从而产生冷能。

一定形式的能量或一定状态的物质,经过完全可逆的变化过程(传热、传质、化学反应等)后,达到与环境完全平衡的状态,这个过程中该能量或物质所能做的最大可用功称为火用。利用火用分析法来评价天然气管网可利用的压力能是比较科学的[9]。

根据热力学中熵的关系式可得焓火用表达式为:

式中ex,T为温度火用,ex,T=h-h0-T0cplnex,p为压力火用,ex,p=T0R ln

因此稳流物质的焓火用可分解为在压力 p情况下系统与环境之间因热不平衡而具有的温度火用ex,T和在环境温度 T0时系统与环境之间因力不平衡而具有的压力火用ex,p两部分。压力火用相当于工质等温流动时由于膨胀做出的技术功,计算中假定天然气全部由甲烷构成,取环境压力为0.1 M Pa,环境温度为20℃,不同天然气管网压力下,单位质量天然气具有的压力火用如图1所示[10]。

图1 不同压力下单位质量天然气的火用值图

由此可见,天然气管网蕴藏的压力能很大,笔者采用压力能制冷的方法将压力能制冷的冷量用于天然气水合物的形成,一方面将冷量储存在天然气水合物中,可用于空调机组蓄冷,不但充分利用了压力能制冷的能量,还可以利用生成的天然气水合物来调峰[8]。

2 天然气水合物的储气、调峰原理

天然气水合物(Natural Gas Hydrate)是一种由水分子形成孔穴吸附小的烃类气体分子而构成的类冰笼形结晶化合物。在天然气水合物中,水分子形成一种点阵结构,以氢键相互连接,与所吸附的气体分子通过Vander Walls力作用保持天然气水合物的稳定[11]。天然气水合物的生成需要高压低温环境,甲烷及甲烷水合物相图如图2所示。1 m3的天然气水合物理论上可以储存150～180 m3的天然气,因此天然气水合物存储技术是一种高密度存储能源方法。

在夜晚天然气用气低谷时,利用天然气水合物可将多余的天然气储存起来,同时可以将天然气压差产生的能量加以利用;在白天用气高峰时,将天然气水合物分解,补充天然气用量,并且将产生的冷量用于空调、冷库等,可减少城市电网的电能消耗,实现城市天然气管网的调峰功能,并能大幅提高能量利用效率。天然气水合物储气调峰原理示意图如图3。

图2 甲烷及甲烷水合物相图

图3 天然气水合物储气调峰原理示意图

3 冷能利用与天然气水合物制备与调峰

为了有效回收利用天然气管网压力能,提高能源利用效率,减少高压天然气降压对设备造成的冷破坏,利用膨胀制冷机组充分回收管网压力能,并利用压力能制冷,将产生的冷量供给制备天然气水合物所需的冷量,用气低谷时将剩余的天然气生成天然气水合物,用气高峰时,该天然气水合物可以分解释放天然气进入城市管网,由此具备较好的储气、调峰功能。该工艺将压力能制冷与天然气水合物制备调峰技术集成起来,有效解决了天然气管网压力能利用和天然气调峰问题。该流程包括4个部分:管网压力能制冷、天然气水合物制备、天然气水合物储气与调峰和冷媒循环。具体工艺流程图如图4。

3.1 管网压力能制冷

高压天然气压力为5～8 M Pa,进入天然气门站后,将天然气分流成a、b两股(图4)。将a股高压天然气经过膨胀机组降压制冷,压力下降至0.4～1.6 M Pa,温度降至-112～-33℃,膨胀后的天然气在换热器中与冷媒进行冷量交换,天然气温度提高到5℃左右,进入城市管网供用户使用。冷媒温度降至-60～0℃,其冷量提供为制备天然气水合物所需的冷量。

图4 压力能制冷与水合物集成工艺流程图

3.2 天然气水合物制备

如图4,b股高压天然气进入天然气水合物生成塔,塔顶喷出水滴小颗粒,水气在低温高压作用下生成天然气水合物浆,其中冷媒低温储罐中的冷媒为天然气水合物生成塔提供冷量,将天然气水合物生成塔温度降至1～11℃。生成的天然气水合物浆进入储罐储存以备天然气调峰。

3.3 天然气水合物储气与调峰

用气低谷时,利用压力能产生的冷量,将过剩的天然气储存在天然气水合物中。

用气高峰时,利用冷水空调机组中经换热升温的冷媒对天然气水合物储罐供热,将天然气水合物分解,可补充城市天然气用量,还可将产生的冷量用于空调、冷库等,减少城市电网的电能消耗,实现城市天然气管网、电网的调峰功能,并大幅提高能量的利用效率。

3.4 冷媒循环

a股高压天然气进入膨胀机组膨胀后,在换热器中与冷媒进行冷量交换,冷媒将储存的冷量先后供给天然气水合物储罐及天然气水合物生成塔,换热完毕后温度升高重新进入换热器与膨胀后的天然气进行冷量交换,形成1个循环;天然气水合物气化时,天然气水合物分解释放的冷量由冷媒带出,送入冷水空调机组与环境换热,换热升温后的冷媒返回天然气水合物储罐,为天然气水合物的分解提供热量,冷媒循环使用。

4 中试方案举例

以某天然气接收门站设计为例进行流程模拟及分析,假定工艺流程模拟初始条件为:天然气气源为纯甲烷,进口温度为25℃,进口压力为5.0～8.0 M Pa,流量为1 000 kg/h,通过对流程的操作工艺进行模拟与优化,改变天然气进出口压力为5.0～8.0 M Pa,达到天然气水合物的生成条件(生成压力为 5.0～8.0 M Pa,生成温度为6～11℃),得到最高制冷量为71 kW,有效利用冷量达60 kW,天然气水合物生成量为403～1 203 kg/h。具体结果如表1。

模拟结果表明,回收的天然气管网压力能用于制冷,其制冷量为24～71 kW,冷媒的利用量为20～60 kW,将冷能提供为天然气水合物生成所需要的冷量,生成的天然气水合物可储存34～100 m3的天然气,在用气高峰时,生成的天然气水合物可分解释放储存的天然气,从而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,随着进气压力的增大,制冷量及天然气水合物生成量随之增大,因此,压力越高的高压天然气管网可回收的压力能越多,所制备的天然气水合物调峰能力越强。

实际操作中,在不影响供气的情况下,可根据不同用气量及压力进行相应调整,以获得最佳能量利用效率。例如:在00:00—05:00,天然气的用气量为日间用气量的40%,夜间天然气的用量为400 kg/h,过剩的600 kg/h天然气将以天然气水合物的方式储存起来。将压力能制取的冷量用于合成天然气水合物,冷量利用效率为85%。全天压力能产生的冷量平均为3.8×106kJ,生成天然气水合物可储存天然气1 493 m3,基本满足调峰所需。在10:00—19:00,天然气用气量较大,将储存于天然气水合物储罐中的天然气水合物升温分解,用于补充城市管网的天然气缺口,同时,天然气水合物分解产生的冷量可使40 000 kg温度为20℃的水降至4℃,此温位的冷水用于冷水空调机组,实现了能量的梯级利用。

5 结论

1)将天然气管网压力能制冷与天然气水合物储气调峰技术联合,既充分回收了天然气管网压力能,又实现了用气低谷时利用冷能合成天然气水合物储存过剩天然气,用气高峰时加热输出储存在天然气水合物中的天然气,达到削峰填谷的目的,有效解决了天然气管网压力能利用和天然气城市调峰问题。

2)高效回收利用了高压管网天然气压力能,在天然气进口压力为8.0 M Pa、出口压力为0.4 M Pa、进口温度为25℃、出口温度为-112℃、流量为1 000 kg/ h的条件下,最高制冷量可达71 kW,不需要外加制冷剂,即可实现天然气水合物储气与调峰。

3)在工艺操作条件下,天然气水合物可储存34～100 m3的天然气,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。

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A combination technology of natural gas pipeline network pressure energy usage and hydrate peaking shaving

Fan Shuanshi,Chen Yujuan,Zheng Huiping,Xu Wendong,Lang Xuemei
(Key L aboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation,M inistry of Education,School of Chem istry and Chem ical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong 510640,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.83-86,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The throttling and p ressure regulation of high-p ressure natural gas pipeline network w ill p roduce tremendous p ressure energy,most of w hich is wasted in the p rocess of expansion,thus causing cold damage to the dow nstream.Therefo re,a com bination technology of using natural gaspipeline network p ressure energy efficiently and peak shaving w ith hydrate is developed.The cold energy in the p rocess of gas expansion is fully used to p repare natural gas hydrate for gas storage and peak shaving in city gas supp ly. Calculation results show thatw hen a gaspipeline network w ith gas flow rateof 1000 kg/h iswo rking under the follow ing conditions: inlet p ressure and temperature of 8.0 M Pa and 25℃,outlet p ressure and temperature of 0.4 MPa and -112℃,themaximum cooling capacity can be 71 kW,60 kW of w hich is to be used effectively,w hile the formation of natural gas hydrate w illmake 100 m3natural gas being stored by useof this new technology.Field p ractices p rove that this technology w ill have a bright future not only in the recovery of p ressure energy in gas pipeline netwo rk,but in finding a new meansof gas sto rage and peak shaving for city gas supp ly.

natural gas,pipeline network,p ressure energy,refrigeration,natural gas hydrate,peak shaving,sto rage

樊栓狮等.利用管网压力能制备天然气水合物的调峰新技术.天然气工业,2010,30(10):83-86.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.020

中澳天然气技术伙伴关系基金项目“新型水凝胶聚合物支撑的笼型甲烷水合物储运技术”。

樊栓狮,1965年生,教授,博士;主要从事天然气水合物研究工作。地址:(510640)广东省广州市天河区五山华南理工大学五山校区逸夫工程馆302。电话:(020)22236581,13922797160。E-mail:ssfan@scut.edu.cn

(修改回稿日期 2010-08-03 编辑 何 明)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.020

Fan Shuanshi,p rofesso r,holds a Ph.D degree,being engaged in research of natural gas hydrate.

Add:Tianhe District,Guangzhou,Guangdong 510640,P.R.China

Tel:+86-20-2223 6581 Mobile:+86-13922797160 E-mail:ssfan@scut.edu.cn