乏能利用发电技术的分析及经济性示例

2018-05-16上海航天能源股份有限公司丁梦琪

上海煤气 2018年2期

上海航天能源股份有限公司丁梦琪

1 概述

1.1 乏能利用发电技术的现状

利用膨胀机发电技术可以对符合一定条件的余热或者余压资源进行回收可再生发电。根据项目工况条件及介质的不同，一般可以分为 ORC有机朗肯循环系统(利用热源加热有机工质产生压力，推动膨胀机做功发电)和 WST常规循环系统(高温高压干湿饱和蒸汽或气体直接进入膨胀机)，对乏能进行回收，推动膨胀机进行运行。

本文主要针对天然气管网逐级降压输送过程中产生的差压余能进行发电的技术性和经济性进行分析。

1.2 目前天然气调压现状

天然气是一种的高效清洁能源，在国内外获得了广泛的应用。我国现有西气东输管线两条，干支线及境外管线总长度达15000km以上，年总输气量近2 000亿m3。根据《城镇燃气设计规范》(GB 50025—2006)规定，城镇燃气输配系统一般由门站、燃气管网、储气设施、调压设施、管理设施和监控系统等组成。

天然气从气井通过干线调压输送至城市门站，然后由城市门站再次调压后引接至各级燃气管道(见图 1所示)，其中城镇燃气管道设计的压力级制按照高压管网 4.0～1.6 MPa、次高压管网1.6～0.4 MPa、中压管网0.4～0.01 MPa、低压管网小于0.01 MPa执行。

图1 城市管网高、中、低压配送示意

天然气城市管网目前多采用节流阀(等焓节流)降压方式，压力降低的同时会产生巨大的差压余能，且释放冷能降温影响管道、阀门等设备的安全。传统的解决方案是在降压前将天然气通过加热设备，提前对高压气体预热。如果能够采用膨胀机在节流阀处吸收差压能用以发电，可以回收差压能，取得显著的经济效益和节能效果。

1.3 差压余能发电运用现状分析

现在国内外透平膨胀机发电基本都用于余热、尾气、蒸汽回收项目，透平膨胀机在输气管道降压站发电项目的商业应用比较少。

2015年我公司为上海申能临港燃机发电有限公司建设一套天然气差压发电机组，机组与上海天然气 LNG末站并联设置，为临港燃机电厂提供机组运行用电，这是膨胀机利用天然气差压在国内电厂应用的首例。

2 压差余能回收技术及经济性分析

2.1 差压发电原理

差压发电是利用天然气在膨胀机内进行绝热膨胀，内能降低而对外做功转换成机械能，然后膨胀机驱动发电机将能量转换为电能进行回收。

差压余能发电系统采用如下配置，当主路失效时，自动切入备用调压路运行，保证系统的正常运行。

图2 差压余能发电系统

2.2 膨胀机功率计算

膨胀机的功率计算公式可以根据绝热膨胀公式进行估算：

式中：W——发电机出口发电量，kW·h；

ΔHi——天然气高压端与低压端之间的绝热焓降，kJ/kg；

G——天然气质量流量，kg/s；

ηt——热电转换效率取65%；

ηg——发电机效率取65%；

cp——平均等压比热取 2.2，kJ/(kg·℃)；

T1——天然气入口温度，K；

p1——天然气入口压力，MPa；

p2——天然气出口压力，MPa；

K——天然气的绝热指数取1.3。

以某公司目前在建设的2×400 MW级燃气热电项目为例，调压站入口天然气压力 6MPa，温度15 ℃。燃机入口天然气压力3 MPa。满负荷情况下，两台机耗天然气16.76万m3/h，天然气密度0.71 g/m。

根据上述公式(1)、(2)可计算得小时发电量Wh。

2.3 投资回收年限计算

投资回收年限=投资总额/(年发电量×电价)

投资总额(包括设备购置费、维护费、维修费、保险费)以1600万元估算；售出电价按照上海市分布式能源政策上网售出电价为 0.454元/kW·h；透平机小时发电量 2 216.34 kW·h(利用上节计算结果)；透平机每年工作以360天计算；透平机每天利用小时分别按24 h、16 h和8 h计算，投资回收年限见表1。