天然气膨胀压差发电回收余能技术研究进展

魏江东 李治东 朱英如 徐 源 成庆林

（1.中国石油规划总院；2.东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室）

近年来，随着世界各国消费水平的提高，环境问题越来越成为各个国家考虑的首要问题， 全球能源的消费结构也逐渐有了向低碳环保和可持续发展的方向转型的趋势， 天然气作为一次能源中最清洁的能源之一，每年的消费比重也在增加［1～3］。 气田中天然气自采集到输送过程中大多采用高压管输方式， 从气藏到井口、 从井口到集气站、从集气站到天然气处理（净化）厂处理为合格商品天然气，再通过天然气管网外输至调压站等，最终到达用户， 其中很多环节都需要经过调压阀进行降压处理， 同时管内温度骤降发生冰堵等事故，这就造成了大量压力能和冷能的损失［4～6］。 因此，国内外学者研究并提出将这部分浪费掉的能量进行合理回收利用，以减少资源的浪费，为建设资源节约型、环境友好型的社会迈出坚实的一步。

目前，对于气田天然气压力能的回收利用主要方式是采用膨胀机来替代调压阀，通过使天然气自然膨胀来带动转轴产生机械能，再将机械能转换为其他所需形式的能量，通常利用这部分能量来发电并回收冷量［7～9］。2006 年，Shen D M 等提出了天然气管网膨胀压差发电工艺［10］，高压天然气经透平膨胀机膨胀产生机械能带动发电机发电，到了2013 年，又将工艺进行改进，设计了一种利用天然气压力差液化天然气的工艺，其原理是利用透平膨胀机产生的机械功带动压缩机压缩制冷剂制冷，产生的冷量通过换热器传到天然气使之液化；2014 年， 李秉繁等针对现有膨胀压差发电技术存在的问题，设计了一种利用天然气压力能的冷热电三联供的工艺流程，高压天然气经自由膨胀后带动透平膨胀机使主轴转动产生机械能，主轴带动压气机和汽轮机工作，最后经过换热器换热，以达到冷能、热能和电能的联合供给，最大限度地回收利用天然气的压力能［11］。

虽然多年来研究者们在天然气余压利用技术方面有了一定的理论基础与实践经验［12～18］，但对气田膨胀压差技术方面的研究尚未深入，针对此问题，笔者根据近年来天然气余压利用的研究进展， 归纳了膨胀压差发电技术的发展历程，分别对适用于气田气井井口、集气站、处理（净化）厂、门站及调压站等各生产环节的膨胀压差发电技术进行了总结。

1 井口膨胀压差发电技术

天然气采气树的井口压力通常在20～70 MPa 之间，为此常在井口或井筒内安装节流阀等节流装置，将井口的天然气压力降低至管线允许输送压力。 由此可见，在气田气井井口处存在着大量的压力能资源，且这些资源往往被调压阀或节流阀所浪费，因此合理利用气田气井井口的压力能会降低气田整体的能源消耗，提高经济效益［19，20］。

2012 年，林牧和包耀宗设计了一套适用于气井井口的天然气膨胀压差发电系统，其原理是利用一台气液两相旋流膨胀机和一台发电机组成一个发电单元，再将各发电单元串联或并联连接进行高效发电，将存在于天然气井井口的压力能合理利用起来［21］；2014 年，刘竞伟提到一种往复式气体余压动机，该装置可以实现井口天然气压力能到机械能的转换，以达到回收压力能的目的［22］；晏耿成等针对气井操作弹性波动大、不稳定等问题，结合膨胀压差发电理论与技术调研情况，设计了一种带驱动器的井口膨胀压差发电装置，该装置采用撬装化，安装使用方便快捷并且实现了智能化控制［23］。

经过学者们的理论研究与实际应用， 气田气井井口膨胀压差发电技术已具备了一定的研究基础，但实验与研究的结果表明，在气田气井井口设计的膨胀压差发电技术普遍具有压力能利用率低的问题，需要改进发电设备、优化技术流程。

2 集气站膨胀压差发电技术

一般采出气仅在井口进行一次加热节流后便进入集气管网， 集气管网的压力等级分为：高压（10 MPa 以上）、中压（4～10 MPa）和低压（4 MPa以下）3 种［24］。 通过调研发现，一般集气站中气液分离、三甘醇脱水及排污管道伴热等过程均需消耗电能，但所需电能通常较少，而气体在进站时需经过节流降压， 这将造成大量压力能的浪费，若将该部分余压利用起来， 并用于站内供电，可为集气站节省一定量的电能，缓解站外供电的压力，甚至可以基本满足全站的电能需求，具有较好的经济效益。 无论采用哪种集气方式，当气体自集气管网进入集气站时， 都会有调压的环节，这部分被浪费掉的气体压力能同样是气田余压资源的重要组成部分。 但目前国内对气田集气站膨胀压差发电技术的研究不足，亟需开展相关研究，对集气站的天然气压力能进行回收利用。

3 处理（净化）厂膨胀压差发电技术

天然气经集气站集气后，经管道输至天然气处理（净化）厂进行净化等处理，进入处理厂（净化）前的压力范围在1.1～20.0 MPa 不等，需进行降压处理，因此在天然气处理（净化）厂存在大量压力能的浪费，需要设计适用的膨胀压差发电技术合理利用这部分压力能。

2017 年，重庆天然气净化总厂开展天然气余压发电节能改造项目，该项目根据天然气资源情况，提出了一个经济合理、技术成熟且效益良好的余压发电装置建设方案，同时通过技术分析和经济评价对该项目的可行性进行了探讨。 该项目可以将天然气进入净化总厂的压力能回收并发电， 通过变速箱将透平膨胀机与发电机相连，发电机组布置如图1 所示，进装置的原料天然气组成成分见表1。

图1 重庆天然气净化总厂膨胀压差发电机组

表1 原料天然气组成成分 mol%

该项目预测了未来4 年膨胀压差发电机组在正常工况下运行的发电量，年发电量达到450×104kW·h 以上， 接下来十年的年发电量接近200×104kW·h。 从经济效益来看，净化总厂年综合节能量折合标准煤超过800 t/a，整个项目的投资回收期不到7 年。

4 天然气门站及调压站膨胀压差发电技术

西气东输、川气东送及西气东输二线等管道的建设象征着我国对天然气的需求与日俱增，高压天然气经长输管道输送至城市门站、 调压站等，降至中压标准进入城市燃气管网，再借助调压箱将压力降至低压后供用户使用。 一般长输管道的设计压力为10 MPa，而城镇燃气管道压力一般为1.6～4.0 MPa，因此天然气门站和调压站内蕴含大量天然气压力能资源，如能充分利用则具有相当可观的经济效益。

2006 年，美国兰森能源公司（Langson Energy Inc） 发明了一种螺杆膨胀机——总流量发电机（Langson Total Flow Gas Letdown Generator），可用于回收蒸汽和天然气压力能，将这种发电机用于天然气调压站，并结合相应的工艺流程，就可以取代原有天然气调压站的调压方法，以实现天然气高压管网内压力能的回收［25］；2013 年我国首个天然气管网压力能利用项目——深圳求雨岭门站建成并投入使用，该调压站为深圳市高压输配系统的重要组成部分之一，西气东输二线为它提供气源，每年供气量超过40 亿立方米，可产生约530×104kW·h 的电能，该项目的投资回收期约为7 年； 熊亚选等调研了北京市近百个天然气调压站的设计工况，通过Aspen 软件模拟，计算并分析了北京市天然气管网压力能发电的潜能［26～28］。

在城市配气管网系统中，调压站设置于不同压力级别的管道或某些专门用户之间，进行压力调节以满足客户需求，城镇燃气设计压力（表压）分级见表2。

表2 城镇燃气设计压力（表压）分级

大流量的高压A 天然气， 经过高高压调压站、高中压调压站调压至高压B 或中压后输配至城市管网，具有较多的压力能，剩余压力回收并转换为电能可直接并入城市电网或供应给建在高压管网上的CNG 母站自用， 也可在其附近建设制冰厂、冷库等，充分利用其膨胀产生的电能和冷能，因此在调压站中适宜设置大型的余压发电回收装置。 以武汉为例，现有高压中环线和高压外环线分别接收中石油忠武线、淮武线和中石化川气东送线的来气，其中高压中环线上设置了2 座门站和9 座高中压调压站， 高压外环线目前建成了1 座门站和1 座高高压调压站。

由于城市门站主要承担清管、加热、计量及加臭等功能， 在采取膨胀压差发电技术之前，需根据不同的状况做好相应的可行性研究。 目前，天然气膨胀压差发电技术在城市门站和调压站的利用广泛，效益可观，具有很好的发展前景。

5 结束语

通过调研与分析可知，目前在气田开展的天然气膨胀压差发电技术研究尚少，且这些技术主要是针对气井井口和天然气管网及一些天然气门站、调压站等，在集气站、处理（净化）厂等气田其他重要生产环节的研究尚少，而在这些环节中天然气的可回收压力能丰富，这就造成大量能源的浪费。 因此，在日后对天然气压差发电技术的研究中，应将重点放在集气站、处理（净化）厂等前人研究成果较少的环节上，提高气田的整体经济效益。