天然气降压发电与三联供联合系统建立与模拟

刘泽曦， 向艳蕾， 蔡 磊， 管延文， 高 奕， 梁 莹

(华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

1 概述

我国能源结构长期以煤炭为主，而在生产和燃烧煤炭的过程中会产生大量的SO2、粉尘等污染物［1］，这些污染物是导致我国雾霾天气的主要因素［2］。相比于煤炭，天然气燃烧只产生二氧化碳和水，产生其他气体污染物极少。同时，其燃烧产生的CO2也仅占同等数量煤炭的 1/2，石油的 2/3［3］，而大气中的CO2是对温室效应贡献最大的成分之一［4］。因而，使用天然气对缓解我国的雾霾天气与温室效应有积极作用。由于天然气相较于煤炭具有许多优势，我国正大力推广天然气，根据“十三五”规划，到2020年国内天然气综合保供能力计划达到3 600×108m3以上，天然气占一次能源消费比例达到10%［5］。但是，由于调压方式的落后，随着天然气消费量的日益增加，大量的压力能在天然气调压过程中被损耗。因此，为了进一步提高天然气的清洁环保特性，提升天然气的推广价值，需要使用一种新的调压工艺来替代原天然气调压工艺。

天然气从气田开采出来后，经过加压后通过输气管道输送至距离较远的用气城镇或工业区［6］。而加压后的高压天然气在输送给用户使用之前，一般还需经过城市门站、高中压调压站等进行调压［7］。目前使用的常规调压方式为调压器调压，压力能完全消耗在了克服流动阻力上，大量的压力能与冷能在这个过程中被浪费［8］。为了能将这部分压力能利用起来，国内外学者们已提出许多思路，其中技术较为成熟、推广应用价值较高的为天然气降压发电工艺［9］。分析国内外学者的研究成果可知，目前天然气降压发电还处在实验性的阶段，国内外只有少量的实验验证项目在运行。从目前的研究成果来看，天然气降压发电较普通调压方式的优越性是毋庸置疑的，若能大量推广天然气降压发电系统，则可带来可观的经济效益与环保效益。但是，天然气降压发电系统目前还存在很多的技术障碍，其中之一是降压发电伴生的冷能该如何处理。

为合理利用这部分冷能，本文考虑将天然气降压发电工艺与天然气三联供工艺联合。天然气冷热电三联供 (Combined Cooling，Heat and Power，CCHP)系统，是指以天然气为主要燃料带动燃气轮机、微燃机或内燃机等各种热动力发电机组进行发电，以满足用户的电力需求，系统发电后排出的热烟气通过余热利用机组进行能量转化向用户供热、供冷［10－11］。通过这种方式大大提高了系统的能源利用率，实现了能源的梯级利用，减少了污染物排放［12］。

本文针对目前常见的天然气降压发电系统形式进行了改进，构建了一套天然气降压发电与三联供联合系统(以下简称联合系统)，降压发电工艺与三联供工艺联合进行供电，降压发电产生的冷能与三联供系统结合进行处理，以此来实现天然气压力能与化学能的有效利用。利用大型化工流程模拟软件Aspen Plus对系统进行建模，输入某高中压调压站的实际运行数据进行模拟，与某典型用户的预测负荷进行匹配，以验证系统的可行性。

2 系统构建

天然气降压发电系统在产生电能的同时，会伴生大量的冷能。目前，常规天然气降压发电系统采用加热天然气的方式，用外部热源消耗掉冷能以维持系统的正常运行，大量的冷能在这个过程中被浪费。因此，如果能提出一种方式将这部分冷能利用起来，将进一步提高降压发电系统的能源利用率。由于降压发电系统产生的冷能具有波动性大、不稳定的特点，因此不易得到利用。结合降压发电伴生冷能的特点，本文提出将其与三联供系统耦合进行利用。冷、热、电三联供能源系统是实现能源梯级利用的典型技术，综合能源利用率一般可达80%以上［13］。天然气三联供系统使用燃气机燃烧发电后产生的烟气，进入余热锅炉后加热水产生蒸汽，从而利用这部分余热为用户供热或制冷。降压发电与三联供进行联合后，降压发电系统产生的冷能与三联供系统产生的冷能联合以满足用户的冷需求，三联供系统产生的热能用于满足用户的热需求和抵消降压发电产生的过剩冷能，降压发电系统与三联供系统产生的电能除满足用户需求外，还可上网出售。

联合系统的工艺流程见图1。

该系统包括天然气降压发电系统和天然气冷热电三联供系统两个部分。降压发电系统的排气口与三联供系统的进气口连接。降压发电系统部分与原高中压调压站调压系统并联。

① 降压发电系统

降压发电系统包括膨胀发电系统和冷媒制冷系统。

高压天然气首先流经透平膨胀机降压降温发电，然后经过天然气－冷媒换热器与冷媒换热后温度升高，换热后的天然气经过三通阀(图中未画出)分流，一部分流入中压天然气管网，一部分流入三联供系统。换热后的冷媒依次流经冷媒泵、冷媒缓冲罐，在冷媒－水换热器与由水泵加压供给的水换热后，再流回天然气－冷媒换热器，形成冷媒循环回路。冷媒缓冲罐与冷媒泵起到根据冷量自动调节冷媒流量的作用。降温后的水作为空调冷水与三联供提供的空调冷水汇合，为用户供冷。

② 天然气冷热电三联供系统

天然气冷热电三联供系统包括燃烧发电系统、蒸汽发电系统、供热系统、吸收式制冷系统。燃烧发电系统流程如下:由降压发电系统供给的天然气经过燃气轮机压缩机加压在燃烧室燃烧后产生高温高压的烟气，推动燃气轮机涡轮膨胀机做功发电，根据负荷大小，燃气机可选微燃机或燃气轮机;排烟经过余热锅炉，与水换热后排出系统。蒸汽发电系统流程如下:水经过余热锅炉换热后形成高温高压的蒸汽，经过汽轮机发电，做功后的乏汽经过分流，一部分对外直供蒸汽，一部分流入汽－水换热器，对外供热水，另一部分则流入吸收式制冷系统作为余热蒸汽双效型溴化锂吸收式制冷机组的热源，为用户供冷。联合系统Aspen Plus模拟工艺流程软件截图见图2。

图2 联合系统Aspen Plus模拟工艺流程软件截图

3 某三联供典型用户负荷预测

为验证所构建的联合系统的可行性，本文以某市某典型用户为例，根据调研所得实际运行情况，对该用户的各种负荷进行预测分析，并应用Aspen Plus软件建立的联合系统的运行结果与所预测的负荷进行模拟匹配。联合系统的降压发电部分使用该市某高中压调压站的数据。

某市属亚热带季风性湿润气候区，气候温和，雨量充足。年平均气温22.5℃，夏季该市平均气温为28.3℃，过渡期的平均气温为23.4℃，冬季的平均气温为17.8℃。该用户总建筑面积75 519 m2，其中地上46 424 m2，地下29 095 m2。分为A楼与B楼两栋单体。下面对用户的冷、电、热水、蒸汽负荷分别进行分析。

① 冷热负荷预测

参照《实用供暖空调设计手册》中的相关标准规定，采用热指标法计算得到该用户夏季空调设计冷负荷为6 014 kW，夜间最小冷负荷为2 280 kW。由于部分房间以及内区内部发热量大，在过渡期和初冬季节也需供冷，此时设计冷负荷为1 150 kW，其中净化空调负荷950 kW，内区负荷200 kW。空调冷水供、回水温度为7、12℃。冬季空调设计热负荷为2 400 kW，空调热水供、回水水温为60、50℃。

② 电负荷预测

根据调研，得到原设计用电负荷见表1。

表1 原设计用电负荷

从表1可以看出，该用户用电设备总规模为5 119 kW，但由于所有设备同时长时间开启的概率不大，因此需根据各设备的耗电规律考虑用电设备同时使用系数，通常取 0.6～0.9［14］。在本文，取0.8，同时考虑到三联供能源站设备的耗电，确定该用户的设计电负荷为4 440 kW。

③ 生活热水负荷预测

根据调研得到该用户的往年生活热水负荷数据:热水出水温度按60℃计，小时最大供水量为50.5 t/h。使用该数据可作为三联供系统的生活热水负荷预测数据。

④ 蒸汽负荷预测

该用户的蒸汽负荷主要包括:冬季空调供暖加湿、特殊设备消毒以及烹饪用蒸汽。根据调研报告提供的数据分析，小时最大蒸汽负荷为2.55 t/h，小时最大蒸汽负荷出现在冬季;夏季与过渡期小时最大蒸汽负荷为1.50 t/h。

⑤ 负荷分析结果

此外，就演唱技巧而言，英美音乐剧界对于音乐剧的唱法有一种普遍认识，叫做“Belt唱法”，认为大多数的音乐剧都是采用的此种唱法，即便如此，它也不能代表全部的音乐剧唱法，因为除了“Belt唱法”之外还有“Legit唱法”，所以，我们不能说音乐剧到底属于哪一种唱法，不能以此来局限它，只有在不同风格的剧目中看演员具体采用的是哪一种唱法，才能定义其属于什么唱法。

根据该用户的功能需求并参照调研结果，总结上述负荷分析结果，分为夏季、过渡期、冬季3种工况进行讨论。该用户全年不同工况下设计负荷见表2。

表2 该用户全年不同工况下设计负荷

4 模拟系统设置

本文中，所有的压力均为绝对压力。燃气轮机发电功率为已扣除燃气轮机压缩机功率的值。

① 单元模块及参数设定

根据图1所示工艺流程建立如图2所示的Aspen Plus软件模拟系统，联合系统模型的单元模块及参数设定见表3。表中分流器1、分流器2分流比例根据用户需求改变。

各物流采用的模拟物性方法采用全局设定为Vapor－Liquid。本节对该系统的两部分的设置分小节进行介绍，降压发电部分采用的原始数据来源为某实际运行的高中压调压站，三联供系统的设置与上节介绍的某典型用户的实际需求相匹配。

表3 联合系统模型的单元模块及参数设定

② 天然气物性参数

流经该高中压调压站的天然气的物性参数见表4。

表4 某高中压调压站天然气物性参数

③ 降压发电流程模拟设置

该高中压调压站是一个天然气城市门站的一部分。高压天然气经过长输管道输送到门站后，首先经过燃气锅炉预热，高高压调压橇调压，然后再将一部分天然气进行高中压调压。本研究采用该高中压调压站的2017年的入口压力、出口压力、温度和体积流量。

2017年该高中压调压站月平均进出口压力见图3。该天然气高中压调压站全年的入口压力变化范围为 2.99～3.47 MPa，出口压力变化范围为 0.35～0.37 MPa。

2017年该高中压调压站月平均进出口温度见图4。入口温度变化为21.56～27.73℃，出口温度变化为 10.39～16.14 ℃，环境温度变化为 13.9～29.2℃。2017年体积流量(压力为101.3 kPa，温度为20℃条件下)的年平均值约为549 136.8 m3/h。根据调研显示，该厂站的设计最大用电负荷为90 kW，日常使用约20 kW，主要用电设备为空调。

图3 2017年该高中压调压站月平均进出口压力

图4 2017年该高中压调压站月平均进出口温度

将所述的高中压调压站的数据作为实验数据代入模拟系统之中。得到降压发电系统的设置如下:天然气进口压力取年平均压力3.19 MPa，出口压力取年平均压力0.36 MPa。考虑常规透平膨胀机的发电容量限制，一般单机功率最大为8 000 kW［15］，入口体积流量取为高中压调压站年平均体积流量的0.1，即 54 913.7 m3/h(压力为 0.101 MPa，温度为 20℃的标准工况下)。入口温度取年平均温度25.07℃，环境温度取年平均温度22.72℃，天然气组成见表4。

冷媒制冷系统的设置方法如下。冷媒介质选取R134a。R134a是一种无毒不可燃的中低温制冷剂，ODP 值为0，GWP 值为 1 300［16］。冷媒缓冲罐中的初始状态(液态)为－15℃，0.2 MPa;进入冷媒－水换热器后与冷水回水发生相变换热，冷水从12℃降到7℃;升温后的冷媒介质与低温天然气等压换热后回到冷媒缓冲罐。天然气升温后的最高温度为12 ℃，由 Hammerschmidt方程［17］计算得到，为了防止天然气产生水合物，升温后的天然气的最低温度为－2.5℃。因此，在模拟中升温后的天然气温度取为10℃。根据低压天然气换热量的需求可调节流量阀，控制冷媒回路中R134a的流量。

④ 三联供流程模拟设置

根据上节所述用户的设计负荷与工程经验设置三联供模拟系统。查询设备资料，微燃机的容量为25～500 kW［18］，燃气轮机的容量一般在500 kW 以上［19］。根据上述典型用户的设计负荷，选用燃气轮机作为本模拟系统的燃机。燃气轮机机组包含压气机、燃烧室、燃气透平膨胀机，燃气透平膨胀机产生的机械功一部分用于拖动压气机压缩空气，一部分用于驱动发电机发电。本次模拟燃气轮机机组的设置参见西门子SGT－400燃气轮机［20］。该燃气轮机额定发电容量为12.9 MW，压气比为16.8，空气燃料比设置为51 kg/kg，燃烧室出口温度设置为1 340℃，燃烧室操作压力设置为1.7 MPa，透平排气温度为555℃，透平出口压力为0.1 MPa。

余热锅炉蒸汽出口压力设置为4 MPa，温度为520℃。汽轮机排汽压力为0.5 MPa，温度为 216℃。天然气分流三联供系统的比例与余热蒸汽分流比例则根据不同季节工况该用户不同的需求分别设置。

5 系统模拟结果

① 夏季工况匹配

在夏季，该市平均气温取为28℃。联合系统在夏季工况下运行时，蒸汽型双效溴化锂吸收式制冷机组在制冷工况下运行，COP取为1.2，排汽温度设置为 150 ℃［21］。

经过系统调试得到，天然气流经分流器后，分流三联供的比例设置为3.5%。余热锅炉水流量被设置为10 010 kg/h，加热后产生的蒸汽，分流到溴化锂吸收式制冷机组、汽－水换热器和直供蒸汽管路的比例为 0.51 ∶0.34 ∶0.15。在模拟中，降压发电系统发电量为1 647 kW，制冷量为1 885 kW;燃气轮机发电功率为9 623 kW，汽轮机发电功率为1 573 kW，溴化锂吸收式制冷机组供冷功率为4 186 kW，生活热水供应量为51.0 t/h，蒸汽供应量为1.50 t/h。模拟得夏季供应量见表5。

表5 夏季供应量

比较表5与表2数据，可知该用户在夏季的冷、生活热水、蒸汽需求都可以得到满足。系统所产生的电力，除满足该用户需求外，还有较大的余量可以上网赢利。

② 过渡期工况匹配

过渡期该市的平均气温取为23℃。将联合系统初步模拟结果与过渡期负荷进行匹配，得到降压发电系统的冷媒环路产生的冷量足够满足用户在过渡期的冷负荷需求。因此在此工况下，三联供系统的溴化锂吸收式制冷机组可以不启用，通过对降压发电伴生冷能的利用，可降低三联供系统的燃料耗量。降压发电系统产冷的余量通过引流一部分生活热水进行加热抵消，以维持系统的正常平稳运转，需要抵消的供冷量为873 kW，用于抵消该冷量需要的热水流量经计算为18.8 t/h。

系统调试后，天然气经过分流器后分流三联供比例设置为2.94%，余热锅炉水流量设置为5 839 kg/h，加热后产生的蒸汽分流到汽－水换热器和直供蒸汽管路的比例为0.79 ∶0.21。在模拟中，降压发电系统发电量为1 647 kW，制冷量为2 023 kW;燃气轮机发电功率为4 924 kW，汽轮机发电功率为821 kW，生活热水供应量为50.5 t/h，蒸汽供应量为1.50 t/h。Aspen Plus软件模拟过渡期供应量见表6。

表6 过渡期供应量

比较表6、表2数据可知，该用户在过渡期的冷、生活热水、蒸汽需求能得到较好的满足，系统发电除满足用户需求外还有一部分余量可以上网赢利。

③ 冬季工况匹配

该市冬季的平均气温可取为18℃。冬季该用户的冷量需求由降压发电系统提供，不需要启用溴化锂吸收式制冷机组。降压发电系统的冷量余量为1 015 kW，用于抵消该冷量需要的热水流量为21.8 t/h。冬季需要使用空调进行供热，空调热水由汽－水换热器提供，供、回水温度为60、50℃。

经过系统调试后得到，天然气分流器分流三联供比例设置为3.61%，余热锅炉水流量被设置为10 212 kg/h，分流到空调热水汽－水换热器、生活热水汽－水换热器和直供蒸汽管路的比例为0.313∶0.431∶0.256。在模拟中，降压发电系统发电量为 1 647 kW，制冷量为2 165 kW;燃气轮机发电功率为9 567 kW，汽轮机发电功率为1 570 kW，生活热水供应量为 50.5 t/h，蒸汽供应量为 2.56 t/h。Aspen Plus软件模拟冬季供应量见表7。

表7 冬季供应量

对比表7、表2可知，在冬季该联合系统可满足用户的负荷需求，联合系统发电除满足用户需求外同样有一部分余量可以上网赢利。

6 结论

应用Aspen Plus软件建立并模拟了天然气降压发电与三联供联合系统，采用某高中压调压站的实际运行数据作为联合系统的输入，并与某典型用户的全年需求分季节工况进行匹配，由此说明系统的运行方式，并验证系统的可行性。研究表明:入口天然气体积流量为54 913.7 m3/h，当夏季天然气分流比例为 3.5%、余热蒸汽分流比例为 0.51 ∶0.34 ∶0.15，过渡期天然气分流比例为 2.94%、余热蒸汽分流比例为 0.79 ∶0.21，冬季天然气分流比例为3.61%、余热蒸汽分流比例为 0.313 ∶0.431 ∶0.256时，联合系统可以满足该用户全年不同季节的负荷需求。