天然气余压发电制冰系统设计及实际产能模拟

俞光灿 李琦芬 梁晓雨 潘登宇

上海电力学院能源与机械工程学院

天然气余压发电制冰系统设计及实际产能模拟

俞光灿 李琦芬 梁晓雨 潘登宇

上海电力学院能源与机械工程学院

针对天然气分输站目前无法对管输天然气压力能进行有效回收的问题，以及传统的制冰行业电力消耗较大，而冰需求市场又逐年扩大等问题，本文提出一种天然气余压发电制冰一体化系统。系统主要包括膨胀发电系统、冷能利用系统两部分，利用膨胀机回收天然气压力能并同轴带动发电机发电，再利用换热器对膨胀机出口的低温天然气冷能进行回收。然后结合某天然气分输站供气参数和膨胀机特性曲线，用Aspen软件对整个工艺流程进行模拟，以估算系统的实际发电量、产冰量。系统既得到了高品位的电能，同时也能缓解冰需求市场的压力，降低了制冰行业的高电力消耗。

天然气；压力能；发电；制冰；模拟分析

目前“西气东输”采用高压管输天然气的方式进行天然气输配，然而下游用户的用气压力需求却很小，丰富的天然气压力能在调压门站通过调压撬被白白释放到了大气中，若将该部分能量进行回收利用，能有效减少压力能损失，实现能源的高效利用[1]。同时现今冰需求市场正在逐年扩大，而传统的制冰行业却存在高电力消耗问题。在对这两个问题思考的基础上，笔者首先设计了一套天然气余压发电制冰系统，之后对实际天然气分输站供气参数进行了分析整理，在整理出的数据基础上，利用Aspen（Advanced System for Process Engineering, 过程工程的先进系统）软件对系统流程进行仿真模拟，得出了系统实际的发电量和制冰量[2,3]。

1 天然气余压发电制冰系统设计

天然气余压发电制冰系统是充分利用分输站与下游用户之间在调压过程中损失的压力能，将计量后的天然气经旁通阀引入压力能发电制冰系统[4]。在天然气压力能利用过程中，一方面，计量并经过稳压阀稳压后的高压天然气首先进入透平膨胀机充分膨胀，将压力能转化为机械能，并同轴带动齿轮箱，通过齿轮箱使得膨胀机与发电机转速相匹配，进而发出电能；另一方面，天然气在膨胀机中膨胀后，温度骤降，蕴含着巨大的高品位冷能，通过换热器将这部分冷量用于制冰[5]。低温天然气的冷能回收后，当其温度恢复到下游用户所需的温度时，天然气再汇入下游管网，向下游用户供气。本文所设计的天然气压力能发电制冰系统具体的工艺流程如图1所示，当低温天然气与乙二醇换热后，进入储水池与池水换热，储水池中的水将作为制冰原水进入制冰系统。仍然具有一定冷能的天然气可继续通入前置换热器预冷膨胀机进口天然气。最后天然气可通过电加热器使温度恢复到下游用户所需的温度，向下游用户供气[6,7]。

其中，分输站将压力约为5.0 MPa、流量约为52000 Nm3/h的天然气，经膨胀机膨胀减压后，以2.0 MPa左右的压力输往到下游燃气用户。该工艺流程主要包括膨胀发电系统与冷能利用系统，运行全程通过安全控制系统控制，保证在天然气 温度、压力、流量满足下游用户需求的条件下兼顾发电与制冰。

图1 天然气压力能发电-制冰工艺流程图

1.1 天然气膨胀发电系统

分输站接收上游来气，经过过滤和分离后，天然气通过旁通阀将计量后的天然气引入压力能利用系统。天然气首先经过调压阀将压力微调稳定至5.0 MPa，经过脱水脱烃装置脱除水分和重烃后，进入透平膨胀机并进行膨胀做功，做工后压力降至2.0 MPa，温度降低，同时膨胀机同轴带动减速箱，减速后拖动发电机进行发电如图2所示[8]。

原有的天然气调压装置保留，作为旁路系统，天然气在膨胀发电机入口和原调压系统入口均设置快速切断阀，以确保在膨胀发电机发生故障时或进行停机维修维护时能稳定迅速地切换至原调压系统[9]。

膨胀发电系统包括一套膨胀发电机组、脱水脱烃装置以及相关配套阀门、控制系统，采用PLC（可编程逻辑控制器）系统进行现场控制，并预留上传通讯接口。另外，膨胀发电机组设有润滑系统和密封气系统，均采用成熟可靠的先进技术，以确保安全可靠运行[10,11]。

1.2 冷能利用系统

高压天然气经过膨胀后，其冷量将用于制冰，冷能利用系统如图3所示，即将膨胀机出口的低温天然气的冷能用来制冰，制冰方法采用广泛应用的盐水制冰法。膨胀后的低温天然气进入换热器中，持续为盐水池中的盐水(29.4% 的NaCl)提供冷量，使得盐水池中的盐水温度保持在-10℃左右，而天然气温度升为-10℃左右。-10℃的天然气之后经电加热器加热至下游用户所需温度后再输送到下游。最后，被冷却的浓盐水(-10℃左右)与冰桶内的制冰原水充分换热，水吸收冷量后冷冻成冰，完成天然气冷量的回收利用[12,13]。

图2 膨胀发电系统

系统主要组成设备有：冰桶、换热器、盐水池、融冰槽、冰桶架、电动单梁起重机、倒冰架、滑冰台等。本项目与传统制冰系统区别在于：除了不需要电力制冰外，系统最后需要额外设置电加热器以保证进入下游天然气的温度满足下游用户的温度需求[14]。

2 余压发电制冰系统参数确定

根据“西气东输”某分输站实际天然气进站参数，确定本方案余压发电制冷系统各流程的参数，以及主要部件膨胀机的相关运行参数[15]。

2.1 分输站天然气参数分析

通过对某分输站一年的运行数据处理，对同一月份中每天同一时间的进站参数求得平均值，最终得到某年12个月份的分输站天然气进站的平均流量、压力、温度随昼夜时间的变化数据与曲线图。

图4、5、6中，12条曲线整体变化趋势基本相同，为了更加直观地了解某市天然气分输站的进站参数随昼夜时间变化的趋势，进一步将图4、5、6中的12条曲线求得平均值，得到天然气年平均参数随时间变化曲线如图7、8、9所示。

考虑到天然气的温度与压力对膨胀机透平效率影响不是很大，所以模拟时可取天然气平均压力为5.7 Mpa，温度为17.5℃。而天然气流量昼夜差值最大为40 000 Nm3/h，昼夜变化明显，且对膨胀机透平效率有较大影响，因此在对天然气余压发电制冰系统模拟时，需要将天然气流量变化考虑其中[16,17]。

图3 冷能利用系统图

2.2 膨胀机运行特性曲线分析

图4 某分输站天然气不同月份平均温度随时间变化图

图5 某分输站天然气不同月份平均压力随时间变化图

图6 某分输站天然气不同月份平均流量随时间变化图

膨胀机可调式喷嘴的调节作用可以使膨胀机适应较大范围天然气处理量（50%～120%）的变化。由某公司提供的额定流量为52 000 Nm3/h的膨胀机透平效率与处理天然气量关系曲线如图13所示，在设计流量的50%～130%流量范围内变化，透平效率不同。因此不同的处理气量，天然气余压发电制冰系统的发电量与制冷量也会发生变化。为保持膨胀机的高效率，应该使膨胀机处理天然气量范围在80%～120%之间[18,19]。

根据图10膨胀机透平效率-处理量关系曲线和图9某分输站天然气年平均流量随时间变化曲线得到透平膨胀机在不同进气流量条件下的膨胀机效率，列于表1。

3 天然气余压发电制冰系统模拟与产能估计

天然气分输站年平均下的昼夜天然气平均进站流量在2 1670 Nm3/h～41 750 Nm3/h范围内变化，昼夜最大流量差值达到20 080 Nm3/h，主要是由于下游天然气用户在昼夜不同时间的天然气需求量不同，使得天然气进站流量在昼夜范围内波动较大。另一方面，透平膨胀机运行效率随天然气进口流量的变化而变化。因此，在进行系统的模拟收益计算时，需要将流量变化因素考虑其中，进而得出更加精确的系统收益[20,21]。

在一天24小时变化范围内，将膨胀机进气流量和膨胀效率两个因素同时考虑到天然气余压发电制冰系统Aspen模拟中，分别得到有代表性的天然气进站流量较小和较大时的模拟图11、图12，同时得到模拟的24组相关模拟结果，并得到实际制冰量与发电量随时间的变化曲线如图13所示[22,23]。

图7 某分输站天然气年平均温度随时间变化图

图8 某分输站天然气年平均压力随时间变化图

图9 某分输站天然气年平均流量随时间变化图

由表1知，天然气进站流量最大与最小分别出现在9时和23时，所对应的膨胀机效率也是最大值86.57%和最小值85.21%，图11和图12的模拟结果分别对应了发电功率最小值385.27 kW、实际制冰量最小值1.95 t/h和发电功率最大值741.4 kW、实际制冰量最大值3.76 t/h，最大值与最小值基本都相差一倍，反过来也论证了天然气流量的变化对系统实际的发电量与制冰量也会产生较大影响[18,19]。同时，不同天然气的流量变化，对膨胀机的运行效率也产生了一定的影响，从而影响整个系统的产能。因此，如果仅单一取天然气流量的年平均值对天然气余压发电制冰系统进行模拟，而不考虑天然气昼夜流量的较大变化，模拟的结果往往容易出现较大的偏差[24,25]。

图10 膨胀机透平效率与天然气处理量关系曲线

表1 透平膨胀机在不同进气流量条件下的膨胀机效率

图13反映了实际制冰量与发电量随时间变化的曲线图，两条曲线的变化趋势趋于一致，即当发电量较高时，制冰量也高，发电量较小时，制冰量也会随着减小。将24小时的实际制冰量和发电量进行叠加，得到本文的天然气余压发电制冰系统实际每天制冰量约70.58 t，实际每天发电量约13 950.4 kWh[26]。

4 结论

文中设计的天然气余压发电制冰系统在制冰系统出口设置了两级冷能回收装置，一个是利用制冰原水的储水池回收剩余天然气冷量，另一个是通过前置换热器预冷膨胀机进口天然气，大大提高了冷能的回收效率，降低了电加热器的使用功率，增加了系统整体的经济性。

文中将分输站天然气余压浪费问题与传统制冰行业高电耗问题相结合，设计出一套天然气余压发电制冰工艺系统，不仅实现了制冰行业节能需求，也缓和了区域用电紧张问题。目前大型制冰厂电制冰电耗约为100 kWh/t，按系统平均每天制冰量70.58 t来计算，约等于每天节约电能7058 kWh，同时还能产出13 950.4 kWh的电能。

图11 天然气进站流量较小时的优化工艺模拟流程图

图12 天然气进站流量较大时的优化工艺模拟流程图

图13 实际制冰量与发电量随时间的变化曲线图

文中在进行Aspen模拟时，考虑了天然气流量变化对膨胀机效率有一定影响，且分输站天然气流量昼夜变化比较大，根据全年的24小时天然气平均流量变化，得出全年的24小时膨胀机透平效率变化，在此基础上对天然气余压发电制冰系统进行流程模拟，得出全年的24小时平均发电量、制冰量的变化，继而得到一天的发电制冰量。相比于直接设置指定的膨胀机透平效率与天然气参数来进行一组模拟而得出的结果来说，本文模拟结果更加贴近实际生产运行情况。

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Design and Practical Productivity Simulation of Natural Gas Residual Pressure Power Generation Ice Making System

Yu Guangchan, Li Qifeng, Liang Xiaoyu, Peng Dengyu
Shanghai Electrical Power University Energy and Mechanical Engineering College

There is no effective practical solution for recycling pipe transportation natural gas energy at natural gas distribution station and large electrical power consumption and huge ice demand for traditional ice making industry. The article puts forward integrated natural gas residual pressure power generation ice making system. The system includes expansion power generation system, cooling energy utilization system. Using expansion system to recycle natural gas residual pressure energy and driving coaxial generator to produce electricity, then using heat exchanger to recycle low temperature natural gas from expansion exit. Combined with gas supplying parameter and expansion unit characteristic curve at some natural gas distribution station, the author calculates practical power generation quantity and ice making quantity through Aspen software to simulate whole process. System has high grade electrical energy and reduces ice making demand pressure to cut down high electricity consumption of ice making industry.

Natural Gas, Pressure Energy, Power Generation, Ice Making, Simulation Analysis

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.010

俞光灿：（1992—），男，硕士研究生。

李琦芬：教授，研究方向为新能源与可再生能源，能源梯级利用，分布式能源。