微型燃气压差发电装置在城市中低压燃气调压站中的应用

0 前言

今天，城市燃气管网的精益化和智能化已成为行业发展的共识，并纳入许多城市燃气管网发展规划中

。我国的城镇燃气输配管网共分为高压A、高压B、次高压A、次高压B、中压A、中压B和低压等7个压力等级，各压力等级间依靠各种燃气调压站实现降压。由此可见，燃气调压站是城镇燃气输配系统的枢纽，是燃气管网的核心设备。因此，调压站的智能化是实现城镇燃气输配管网智能化的基础。

燃气调压站承担着燃气管网输配和调度的功能，实现其智能化必须要有供电保障。高中压调压站在设计和建设之初都要求有供电保障。但对于数量巨大的中低压调压站，由于其规模和流量较小，在设计和建设初期没有供电规划，其供电保障问题必须得到解决。若通过接入电网进行供电，其电费成本过高，并且无人值守会带来一定的安全隐患。若采用蓄电池进行供电，一次性投入成本高，蓄电池也需要定期充电和更换，不适合大规模应用。如果能充分利用燃气管道中流动气体的压力能（或动能）转化为电能，借助于压差发电技术为中低压调压站设备的运行提供能源，具有投入成本低、运行成本低、稳定性高、自给自足以及安全可靠等优势。

因此，美国在1906年成立了专门的食品和药品监督管理局，同时制定了第一部食品法案《纯净食品与药物法案》。该食品法案为美国食品安全提供了法律依据，也为美国以后的食品法案立法、食品药品管理政策制定提供了基本法律依据。

1 国内外城市燃气管网中压差发电的应用现状和发展趋势

城市燃气管网分成7个压力等级。高压燃气管道：A（2.5＜P≤4.0）B（1.6＜P≤2.5），次高压燃气管道：A（0.8＜P≤1.6）B（0.4＜P≤0.8），中压燃气管道：A（0.2＜P≤0.4）B（0.01＜P≤0.2），低压燃气管道：P＜0.01。而中低压燃气调压站是把中压变成低压的燃气调压站，其最大压差小于0.4 MPa。

尽管高中压调压站基本上都有供电保障，但仍有研究和应用案例利用燃气压差发电，比如利用螺杆膨胀机发电机组进行压差发电

。但是，螺杆膨胀机属于容积式膨胀机，在我国尚属于起步阶段。同时，国内也有通过在燃气管路上安装发电装置实现压差发电的研究

，装置包括机械能转换机构和发电机，机械能转换机构分别与管路和发电机连接，用于将机械能转换为电能存储于发电机内。到目前为止，国内外对中低压燃气调压站，还未形成可大规模工业化应用和有效支持燃气调压站实现智能化的压差发电装置产品。

2 微型燃气压差发电装置的技术特征

目前，由上海某知名燃气设备公司联合多家科研机构成功开发出了可在中低压燃气调压站中广泛应用的微型燃气压差发电系统，其技术特点如下。

2.1 压差发电系统的组成

该压差发电供电系统更加看重储能电池长循环、高功率、高安全、宽工作温度范围的特点，而且要求生产工艺要做相应的更新，新工艺需要投资必要的设备与更高要求的湿度控制。

压差发电装置可输出3种电压，24 V、12 V和5 V供天然气调压站各种智能控制器使用，实现自供电和天然气压差能源的有效利用，节约了能源、降低了建站成本。

2.2 压差发电系统工作原理

天然气压差发电系统中管路部分为主管路，主要是由调压阀控制，正常保证调压站对用户供气。另外一部分为压差发电管路，包括手动阀、压力检修阀，用于控制系统的运行、维护维修，并保证在发电系统故障时不影响用户供气。压差发电机前后气压的稳定及运行时间由时间控制阀、限压阀、调压阀以及压力开关阀进行调节，保证压差发电机前后天然气压力、流量基本稳定及稳定发电。

压差发电机采用“气体冲压膨胀低压启动技术”进行叶轮及驱动装置的设计，并利用空气动力学理论、CFD系统仿真技术、3D打印技术进行优化分析，提高了压差发电机驱动装置的高适应性、高效率和高可靠性。电源控制器采用整流、滤波、稳压技术，适应发电机的电压变化，保证充电、供电和通信的稳定。监控器由232或485通信电路、信号处理电路、智能运算电路、无线通信电路等组成，实现对系统运行状况的全面监控，保证运行安全。

2.3 压差发电系统的技术特点

1）压差发电机低压启动。目前，国内外相关产品技术发电机工作压力均为不低于4 kg/cm

，而天然气调压站的进气压力部分是2 kg/cm

左右，本系统压差发电机启动气压控制在2 kg/cm

以下，满足调压站的实际需求。

这些问题的存在，让资源“南来北往”不能就近利用，一定程度上形成了“资源错配”的困境，增加了整个系统能耗，降低了调度效率，不利于“两头”放开竞争，与国家对天然气的定位和产业市场化要求不相适应，因此急需改革，以实现天然气管网等基础设施向第三方公平开放。

3）压差发电系统驱动装置与发电机采用无接触连接，保证天然气在密封的环境下运行，确保压差发电系统的安全性。

本系统中选择了一种钛酸锂电池，其系统能量要求不小于100 Wh，输入电压要求为8～20 V，负载输出电压为12 V，因此设计电池包最低电压为12 V，可以通过单向逆变实现输入和输出的转化和控制，钛酸锂单体最低电压为1.5 V，因此设计8串，在输入时进行升压，输出时进行降压，满足使用要求的同时技术成熟度较高。

2.4 压差发电系统的储能电池特点

压差发电系统主要由管路部分、发电储能控制、监控及通信三部分组成，其中管路部分包括手动阀门、时间控制电动球阀、前限压阀、发电储能控制、减压阀（小调压器）、压差开关阀、主控限压阀（工作调压器）、压力开关及控制阀等，用于保证管路的稳定，并定时为发电机供气，为设备的安装、维护以及维修提供方便和安全可靠的环境。发电储能控制由压差发电机、电源控制器、可充电电池组成，作用是发电、储能、供电。监控及通信部分由监控器和报警装置组成，具有对系统参数监控和控制功能、故障报警功能，为远程监控、控制提供方便。

4）压差发电机和控制系统采用模块化设计技术进行组合，保证了安装、维修的安全、方便。

钛酸锂产品有5 Ah、10 Ah、20 Ah等不同容量规格，为满足100 Wh产品要求，采用目前标准的10 Ah产品，并且可保证一定的冗余，后续开发过程中可根据实际产品运行状态和需求进一步优化系统容量，实现性能和成本的最优化。其技术指标如表1所示。

3 微型燃气压差发电装置的现场应用

3.1 中低压燃气调压站电能需求分析

中低压燃气调压站的主要供电是为了监测控制调压站的运行状态和安全状态，其监控信息主要包括调压站的进出口压力、温度、阀位以及门禁、泄漏、差压、切断等运行状态和安全状态等，并通过专用的监控系统来完成。

就智能调压站而言，其主要能耗包括控制器、泄漏报警、远程通信、控制驱动等，表2给出了一种智能化调压站用电设备的主要能耗分析。

如果仅对调压站的运行状态进行监测，而不进行远程调节，那么其能耗会更低，其实测能耗可小于75 W/d。

3.2 压差发电系统的技术指标

为满足中低压燃气调压站在实现智能化过程中的供电需求，压差发电系统必须按照现场的实际需求进行供电配置，其技术指标如下：

1)进出口尺寸DN25；

第三，社会环境的影响。当前，社会文化与经济环境纷繁复杂，大学生在“拜金主义”“就业困难”“读书无用”“知识比不上经验”等不良的社会价值观的影响下，逐渐失去了学习的信心。另外，随着网络信息的快速传递，如果学生无法用正确的思想与观念来看待网络信息，容易受到网络信息的误导，对社会产生极端式的理解与认识，无端产生重大的压力。[4]

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6)防爆等级Exd IIB T4；

3)额定流量50 Nm

/h；

4)系统输出功率30 W；

综上所述，增强MRI联合CT扫描可提高良恶性骨肿瘤诊断准确性，敏感性和特异性，有利于骨肿瘤的诊断治疗。

5)系统输出电压5 V、12 V、24 V；

2）采用“气体冲压膨胀低压启动技术”的无摩擦叶轮，能保证运行过程中对气源的适应性。

2)温度范围-20~60℃；

8)发电系统额定功率30 W；

7)防护等级IP65；

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9)最小启动压差0.1 MPa；

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10)发电压差范围0.1~0.4 MPa；

11)系统储电容量>100 Wh。

3.3 压差发电系统的使用方式

压差发电系统实际现场使用中采用旁路运行方式。为避免在调压站低谷运行期间对下游的供气影响，本文所述的微型压差发电系统通常采用调压站的三个高峰即早、中、晚启动运行方式，由于每个高峰有近2 h的持续时间，这样每天就有近6 h的发电时间，可产生满足目标中低压调压站的电能需求。同时针对本文的技术指标，也给出与之相应的调压站运行工况，如表3所示。

4 结语

在城市燃气管网中，中低压调压站数量众多，比如在一线城市北京、上海、深圳，每个城市的中低压调压站平均都在6 000台以上。而二线城市和省会城市，每个城市的中低压调压站平均都在3 500台以上。中低压调压站具有经济性高和实用性强的特点，能够较好地支持其智能化所需的高质量、高可靠性的用电需求。

面对燃气管网智能化的发展趋势，微型燃气压差发电装置系统作为智能化技术手段，将在优化管网压力机制、优化管网流量分配、平衡供气、节能减排等方面发挥越来越重要的作用。

[1]段长贵.燃气输配[M].3版.北京:中国建筑工业出版社，2001.

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[3]王尧，杨海红，何力，等.天然气压差发电技术在调压门站的应用[J].石油石化节能，2018，8(5):3.