天然气压力能综合利用评估方法研究

程思杰 赵靓 纪文 陈文科 徐璐

摘 要：高压天然气经门站调压后进入城市管网，此过程中蕴含着大量的压力能可供回收利用，目前最主要的压力能利用方式为压差发电和制冷两个方面，而压力能综合利用评估仍缺乏系统性理论。本文从建设运营、产能质量、经济效益、环境保护四个方面构建压力能综合利用评估指标体系，并介绍了几种可用于天然气压力能综合利用的评估方法，形成了标准化的评估体系和方法，为后续的天然气压力能利用综合评估提供理论支撑。

关键词：天然气;压力能;评估指标;评估方法

0  引言

现今，天然气管道的总体发展趋势为高压力和大口径。在国外，天然气长距离输气管道的压力大多不低于10MPa，如阿-意输气管道中，穿越西西里海峡段的最大工作压力就达到了15MPa，我国“西气东输”、“陕京二线”等的输气压力也达到了10MPa[1]。高压力的天然气要经过降压处理才能输送给用户使用，这个过程一般在接收门站或调压站进行，当10MPa的高压天然气降至0.8MPa时，可回收的压力能最大可达到359.1kJ/kg[2]。发电和制冷是现阶段回收天然气压力能的两种主要方式。在发电方面，由于传统调压阀的粗放调压将压力能白白耗散掉，取而代之的是利用膨胀机回收压力能进行发电，目前主要有3种方式：一，天然气膨胀机与同轴发电机相联，膨胀后的输出功驱动发电机发电;二，天然气膨胀做功不直接用于发电，而是将膨胀后产生的冷能利用起来，冷却燃气轮机进气;三，既利用膨胀做功发电，又回收利用冷能，即将上述两种方式结合起来。在制冷方面，天然气膨胀后产生的冷能目前的利用方式主要包括低温橡胶粉碎、冷库制冰、轻烃回收、燃气储气调峰以及冷水空调等[3]。综上，天然气压力能的回收利用正呈现出蓬勃发展的态势。

然而，对于压力能的综合利用评估方面目前尚无统一的标准，也缺乏相对完善的评估体系，深入系统地对项目进行评估的相关研究也相对较少。这不仅在投资收益评估方面对压力能回收利用企业造成了一定的限制，也影响相关产业的长远发展[4]。基于此，本文建立了一套综合考虑建设运营、产能质量、经济效益和环境保护的系统化评估指标，并介绍了几种可用于压力能综合利用能效评估的方法，形成了一体化的评估体系，为后续的天然气管网压力能綜合利用评估提供借鉴和支撑。

1  压力能利用的综合评估指标体系

1.1  指标体系构建

指标体系的设计与选取对天然气压力能综合评估结果至关重要，要保障评估的质量不仅要考虑评价指标体系的综合性，系统性和科学性要求也发挥着重要作用[5]。综合多方面因素，本文建立的评估指标体系涵盖建设运营、产能质量、经济效益、环境保护四个方面，具体指标如图2所示。

1.2  关键指标计算模型

（1）建设运营

a.膨胀发电机组发电量

利用火用分析法可以对天然气管网的可利用压力能进行估算。理论上，膨胀发电机做功与气流压力能之间的关系公式如下：

式中：L为膨胀发电机组终端发电量，Q为天然气小时流量，ρ为天然气密度，Cp为天然气质量等压比热容，T为天然气入口温度，P1 为天然气入口绝对压力，P2 为天然气出口绝对压力，k为天然气绝热指数，ηT为膨胀机效率，ηg为发电机效率[6]。

b.设备利用率

设备利用率是指在一段指定的时间内，相比于计划工作时间，某台设备的实际使用时间占其的比值，利用该指标可以评估在压差发电过程中各设备的工作状态，同时从侧面体现压差发电的生产效率，评估意义重大。

c.装置故障率

装置故障率指在一段计划工作时间内，设备由于一些自身运行故障或者人为操作失误导致的设备无法正常运行，最终结果是生产效率降低。计算方法为装置故障时间比上设备计划工作时间。

d.建设进度控制

项目建设进度影响着压差发电投产时间，最终影响项目收益，利用该指标可以评估压差项目建设效率，由专家基于建设规划，结合实际建设工程进度，综合考虑建设延误情况、出现的意外状况等进行评分。

（2）产能质量

a.供电电压合格率

受气源影响，压差发电电压存在的一定的波动，供电电压合格率指压力能发电并网运行中，与总的电压监测时间相比，监测点电压波动控制在可接受范围内的时间占比。

b.供电频率合格率

供电频率合格率指压力能发电并网运行中，监测时间内，监测点电能频率在合格范围内的时间总和占监测总时间的百分比。

c.功率稳定性

功率稳定性常用来评估压力能发电上网后的功率波动幅度，是衡量压力能发电水平的一重要指标。

d.供电可靠性

供电可靠性是压差发电系统平均供电时间占评估统计时间的比率，利用该指标可以评估系统持续供电能力的大小，同时能反映出供电系统的电能质量。

（3）经济效益

a.投资回收期

利用投资回收期可以评估压力能综合利用的经济性。投资回收期通常与压力能综合利用的投资费用（含设备加工费用）和年经济收益有关，其定义为：

式中：ηT为压力能综合利用的投资回收期，CT为压力能综合利用的投资费用（含设备加工费用），Ea为年经济收益。

b.配套设备成本

配套设备成本即配套设备初始装设成本+运行维护成本。

c.净现值

净现值指未来资金（现金）流入（收入）现值与未来资金（现金）流出（支出）现值的差额，是项目经济性评估中净现值法的基本指标。未来的资金流入与资金流出均按预计折现率各个时期的现值系数换算为现值后，再确定其净现值。这种预计折现率是按企业的最低的投资收益率来确定的.是企业投资可以接受的最低界限。

d.静态投资收益率

当要对方案进行一个粗略的评价时，可以采用不考虑时间价值的静态投资收益率。

式中：E为静态投资收益率，K为总投资。

（4）环境保护

a.碳排放指数

利用碳排放恢复指数（CER）可以评估压力能综合利用的环保性。定义碳排放恢复指数为：

式中：erel 和eWER 分别为相对过程碳排放（kW）和回收过程碳排放（kg/h）。

b.清洁能源电量占比

利用清洁能源电量占比可以有效评估压力能利用场站在正常运行时的用电来源中，通过清洁能源发出的电所占的比例。

c.可再生能源渗透率

可再生能源的渗透率能体现压力能回收利用系统的发展水平，系统接纳气能、热能以及电能等能源的能力越强，则渗透率较高，反之则较低，提高系统可再生能源渗透率的同时系统的鲁棒性也会得到相应的提高。

d.非可再生一次能耗节约率

该指标指压力能回收利用系统运行时减少的一次能源消耗量，与传统耗能模式下消耗的一次能源相比，其比值为大小，它可以反映压差发电系统的节能水平，体现压差发电系统能量梯级利用、多能互补的优势。

2  综合评估方法

由于天然气压力能综合评估体系下包含的模块众多，很难用准确定量描述各指标之间的权重关系，综合评估方法的选取对评估结果的可参考性影响深远。本节主要介绍几种常用的评估方法，为后续的压力能综合利用评估提供参考。

（1）层次分析法

层次分析法（AHP）是将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，然后将其分解为多个层次的多个指标（或准则和约束），并计算层次单一排序的一种系统方法（权重）和总排序通过定性指标模糊定量的方法[7]，以便作为目标（多指标）和多方案优化决策。

（2）专家打分法

专家打分法又称德尔菲法，在对有关专家进行意见征询时，采用的征询方式为匿名方式，征询后对意见进行统计、处理、分析和归纳，将多数专家的经验与主观判断进行客观地综合，对大量的采用技术方法难以进行定量分析的因素进行合理估算，经过多轮意见征询、反馈和调整后，最终对指标权重进行分析[8]。该方法能较好地解决长期预测中的数据缺乏问题。

（3）熵权法

熵权法是一种客观赋权方法，最早由美国数学家Shannon提出，在实际使用过程中，熵权法会综合考虑各指标的变异程度，各指标熵权的计算也需要用到信息熵，此外，还需要对权重进行修正，这个过程也是通过熵权进行，最后得出较为客观的指标权重。熵权法可用于任何评价问题中的确定指标权重，也可以用于剔除指标体系中对评价结果贡献不大的指标[9-10]。具有很强的适应性。

综上分析，当对某一具体压力能项目进行综合评估时，可根据评估场景所确定的指标选取合适的综合评估方法。当一些指标难以进行定量分析，如公司制度、人员配备等，就需要使用主观赋权法来对这些因数进行定性估算，如专家打分法。当一些指标的数据特征较为明显，一些带有明显个人特征的赋权方法不能对其权重进行理性认定时，就需要选择客观赋权法来确定其权重，如，熵权法。除此之外，也有一些场合需要主观赋权法与客观赋权法相结合才能更好地来确定目标权重，这就需要根据具体情况来进行甄别。

3  结语

对压力能进行回收利用既能够提高能源的综合利用水平，减少化石能源使用，又有利于解决传统调压方式中难以避免的噪音过大和安全隐患问题严重等问题，取得环保和社会双重效益。针对目前压力能综合利用评估系统性理论缺乏的问题，本文构建了以建设运营、产能质量、经济效益和环境保护为原则的较为全面的评估指标体系，提出了相应的计算方法，并介绍了几种常用的评估方法，形成了较为完备的压力能综合利用评估体系，有助于压力能利用项目的运营效益分析，推动压力能回收利用领域发展，从而促进“双碳”目标的实现。

参考文献：

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[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（12）：2385-2389.

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[10] Ermanno Lo Cascio，Davide Borelli，Francesco Devia.Key performance indicators for integrated natural gas pressure reduction stations with energy recovery[J].Energy Conversion and Management，2018，164：219-229.

作者简介：

程思杰，1992.10，男，汉族，四川仁寿，本科，工程师，从事节能减排工作。