城镇燃气管网压力能综合利用装置

龚晓科

【摘要】银川某县天然气长输管道压力4.0MPa，以前通过调压站直接调压后输送到下游城市管网使用，压力能未得到利用。近年来，该县的LNG汽车逐步发展起来，所需的车用LNG产品需从外地购买。现利用4.0MPa的压力能制取LNG，，可以得到车用LNG产品满足周边LNG汽车的燃料需求，同时将低压闪蒸气作为下游管网燃气使用。该项目采用特定的LNG生产工艺，结合当地的实际燃气需求和车用LNG需求，最大限度的降低能耗，实现节能减排。

【关键词】管道天然气；车用LNG；能耗；低温

1、简述

天然气高中压输送过程中，其输送压力远高于实际用户需要的压力，其压力能的利用通常可以通过降压设备将这部分能量有效回收，用于发电、天然气脱水、LNG生产、冷库等领域[1]、[2]。银川某县的天然气长输管道压力为4.0MPa，直接降压后作为城市居民用气，损失了大量的能量，形成资源浪费。现建设了一套天然气压力回收生产液化天然气（LNG）的装置，该装置利用高压天然气进行绝热膨胀以获得低温冷量用于将天然气液化生产LNG。LNG可用于城市燃气调峰和满足车辆LNG燃料需求，生产过程中的低压天然气可用于下游燃气管网使用。该装置采用特定的工艺流程，不需要外界能量就可直接生产得到LNG，使高压天然气压力能得到充分利用，目前已经运行投产，在实际生产运行过程中可根据现场情况随时调整LNG和低压燃气的产量，以适应城市燃气、天然气调峰和车辆燃料市场的需求。

2、技术方案分析

长输管道的天然气的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷等组成的气体混合物，具有较高的压力。高压天然气经过调压后压力降低可送入城市燃气管网，这是一种开口系统，没有燃气的循环流动，可以利用焓火用分析法对这一系统可利用的能量进行分析。

若假设天然气输送为稳定状态，则其焓火用值为：

（1）

其中To为环境温度，ho，so为物流在环境压力及环境温度下对应的比焓和比熵，h和s为物流所在状态的比焓和比熵。

高压天然气通过降压后，其可利用的能量为：

（2）

研究表明当10MPa的天然气降压至0.8MPa，则可利用的压力能为359.1kJ/kg[3]，因此高压天然气具有大量的压力能可供利用。高压天然气可通过节流或者膨胀来降低压力，其中利用膨胀机降压是较好的方式[4]。天然气通过膨胀机做等熵膨胀后，天然气压力和温度均会降低，若在低温下膨胀则会得到-160℃左右的低温冷量。在天然气膨胀降温的同时，可利用增压端回收膨胀机输出的轴功，用于进一步压缩天然气使之具有更高的压力。这样一方面充分利用天然气膨胀输出的轴功，另一方面利用低温天然气冷却高温天然气生产LNG，使高压天然气具有的能量得到充分应用。

3、工艺流程

利用高压天然气膨胀生产LNG的工艺过程包括稳压计量、预处理（气体净化）、液化、储存、装车及辅助系统等，其中主要工艺流程是天然气净化和液化工艺。净化工艺采用MDEA醇胺法脱除酸性气体，然后利用分子筛吸附天然气中的水分，液化工艺采用CH4串联膨胀获得冷量，高压高温天然气被冷却后节流获得LNG，整个工艺流程示意图见图1。

图1 天然气压力能综合利用流程示意图

高压天然气在35℃，4.0MPa.G条件下进入装置，首先经过原料气过滤分离器尽可能除去可能携带的游离液体和机械杂质，再经计量、调压以后进入后续系统。

高压天然气中含有二氧化碳、硫化氢和水分，在低温状态下会造成设备冻堵或对设备造成腐蚀破坏，因此需要事先对天然气进行净化处理。MDEA醇胺法脱酸是常用的工艺方法，可将天然气中的二氧化碳脱除至50ppm，硫化氢脱除至1ppm以下。天然气脱酸后需要对其进行脱水，目前能满足深冷要求的脱水方法是分子筛吸附脱水。分子筛对水分的吸附能力强，同时还能吸附部分酸气，使气体达到-70℃的露点，是合适的脱水材料，也是现有的项目普遍采用的脱水材料[5]、[6]。

脱水采用三固定床吸附塔，一塔进行脱水操作，一塔进行吸附剂的再生、一塔进行吸附剂的冷却，切换操作。处理后的天然气中水含量小于1ppmV，露点低于-70℃，C6+重烃含量≤100ppm。再生气进吸附塔温度230～290℃，再生气出吸附塔175～220℃温度，通过气气换热器可以回收预热，再进入水冷却气使其温度降到常温，进行气液分离后进入天然气管网。

天然气液化和制冷流程见图2，采用冷却节流闪蒸的方式获得LNG。高压天然气被冷却后进入节流阀节流减压，通过闪蒸得到LNG，闪蒸气为低压天然气，在换热器内回收热量后送入下游燃气管网。

天然气液化的冷量由高压天然气串联膨胀制冷提供。高压天然气首先进入增压端被进一步增压，增压端由膨胀机带动。增压后的天然气然后进入换热器被冷却到低温后进行一级膨胀，膨胀后温度压力降低并再次被冷却后进行二级膨胀，膨胀后的低温天然气用于冷却高压天然气，自身復热后送入下游燃气管网。

在上述流程中通过合理的工艺设计，可使所有低压天然气进入低压管网作为燃气使用，包括酸气、再生气、制冷用天然气和节流闪蒸气，因此整个流程中没有废气排放，使天然气得到充分的利用。另外，在装置运行过程中优先保证对下游低压燃气需求的供应，可以灵活地调节用于膨胀制冷的天然气流量和高压天然气节流闪蒸压力，这样能在不影响生成连续性的前提下调节低压天然气的流量，具有很强的调节性，对原料组分变化的适应性也较强。

LNG生产出后储存在低温储罐中，该装置采用5000m3的低温储罐，可容纳1个月的LNG产量，在城市燃气供应紧张时，所储存的LNG还可以气化供城市燃气使用。

图2 天然气液化制LNG流程示意图

4、经济性分析

采用上述液化工艺可利用高压天然气压力能生产LNG，具有良好的经济效益和社会效益。结合城市压力能回收的实际情况，银川某县的天然气用气量为15000Nm3/h，管网门站调压前的压力为4MPa。天然气从4MPa降至0.4MPa，通过液化装置进行压力能回收后，能生产5600Nm3/h的LNG，生产过程中得到的低压燃气流量为16000Nm3/h，刚好满足城市燃气需求。

从该装置经济性上分析，若所生产的LNG完全用于销售，按照设计工况得到的LNG产量为3t/h，市场年平均售价按照5000元/t计算，则装置连续运行8000小时的年产值可达1.2亿，成本主要是原料天然气、公用工程和人员消耗，其年净利润超过2000万。该综合利用装置设备建设成本主要包括土地费用，设备费用和安装运行费用，设备包括预处理、换热器、膨胀机、闪蒸罐、LNG储罐及附属设备，总投资约3000万，投资回收期为1.5年。

从该装置的社会效益分析，所生产的LNG可用于城市燃气调峰，按照储罐容量的95%储存容量计算，则其储存的天然气为2570000Nm3，可单独为城市提供7天以上的燃气供应，作为补充燃气使用基本可满足城市燃气紧缺时期的供应。

从节能角度考虑，LNG的生产能耗约为0.5kwh/Nm3，则按照设计工况的产量，每小时可节约电耗2800kw，年节约电耗22400000kwh，折合2750吨标准煤。

综上所述，该装置在经济性上可行，同时还能节约能源，为城市发展，保障人民生产生活发挥巨大作用。

5、总结

結合当地车用LNG需求和城市燃气耗量，在满足低压城市燃气供给的同时，采用特定的工艺流程，充分利用高压天然气长输管道压力能制取车用LNG产品。该装置具有良好的适应性和可调性，能灵活得满足城市燃气、车用LNG和燃气调峰的需求。该装置连续运行，可为当地贡献年1.2亿的产值，年净利润2000万元，每年能节约2750吨标准煤，为当地的城市发展和节能减排发挥巨大作用。

参考文献

[1]陈绍凯，李自力，雷思罗，王瑶.高压天然气压力能的回收利用技术[J].煤气与热力，2008，28（4）：1-5.

[2]徐文东，郑惠平，郎雪梅，陈玉娟，樊栓狮.高压管网天然气压力能回收利用技术[J].化工进展，2010，29（10）：2385-2389.

[3]闻著，徐明仿.天然气管网压力能的回收和利用[J].天然气工业，2007，27（7）：106-108.

[4]郑斌.天然气压力能透平回收火用分析与联合循环研究[J].节能，2010，6：18-21.

[5]葛敏.煤层气民用脱水装置的选择[J].黑龙江科技信息，2009，34：2

[6]陈召财，任亚峰，赵兴怀，侯红波，杨粉.分子筛脱水工艺分析与比较[J].化学工程与装备，2012，2：121-122

[7]顾安忠，鲁雪生，汪荣顺.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2003.