基于压差发电的天然气井口一体化技术探讨

陈 跃

（中国石油西南油气田分公司蜀南气矿自贡采气作业区，四川 自贡 643000）

目前，全球传统的化石能源企业都在向绿色低碳综合性能源公司极速转型[1]，在开采天然气的过程中，如果将丰富的地层能量充分开发利用，在发展天然气井口压差发电技术的同时，用多功能集成一体化技术改变传统技术，将促进油气生产企业高质量发展。

1 天然气井口压差发电及相关技术现状

天然气压差发电也称为“压能发电”“余压发电”等，主要有2 种技术路径，一种是膨胀类发电技术，为了增强做功效率及克服等熵膨胀降温效应，工质在做功过程中通常需要燃烧加热来实现膨胀与做功，有二氧化碳的产生与排放[2-3]。另一种是轴流式压差发电，这种类型的发电技术与膨胀机类发电最大的区别在于做功前后无须对工质加热，影响发电效率的主要因素有流量、压差和流速的大小，设备构造简单、制造成本低廉，发电全过程零碳排放，有专家学者通过Aspend HYSYS 模拟软件对轴流式压差发电进行了热力学能效分析并结合现场实验[4]，论证了轴流式压差发电技术在天然气采输流程中转换效率优于螺杆膨胀发电机。

近年来，随着新能源的迅猛发展及电力削峰填谷的需求，储能技术在不断发展，储能方式主要有电化学电池储能、抽水储能和压缩空气储能等，对天然气产业而言，储气库的建设本身就是一种储能，压缩空气储能[5]被视为最具潜力的储能技术，目前主要分类有：①蓄热式压缩空气储能系统（TS-CAES）；②等温压缩空气储能系统（I-CAES）；③水下压缩空气储能系统（UW-CAES）；④液态压缩空气储能系统（LAES）；⑤超临界压缩空气储能系统（SC-CAES），其中与井口天然气工况条件相对最为接近的当属等温压缩空气储能系统（I-CAES）。

绝大部分井口天然气无须压缩开采出来就具备高压能量属性，长期以来为了满足集输管网压力要求，需要有效降压的同时防止节流冰堵现象的发生，现行广泛的技术方案为“节流阀+水套炉”或“注醇防冻剂+节流阀”模式，这一过程只注重如何满足管输压力要求而忽略了原始能量的利用。目前，国内天然气压差发电技术仍处于起步阶段，中国石油西南油气田公司天然气净化总厂引进分厂的天然气“余压发电”装置，自2021年9 月9 日运行以来，创造了显著的效益。这只是对天然气输送中间过程压能的开发利用，而资源潜力更加巨大的天然气井口压力能仍等待着人们的开发。目前，制约天然气井口压差发电发展的关键技术瓶颈主要有：①极高的压力需要有高强度的可靠材质；②需要克服硫化氢、二氧化碳等酸性腐蚀气体带来的腐蚀与氢脆现象；③需要有对高压气体可靠的密封技术；④需要克服气田水干扰造成的流量压力的大幅波动；⑤高效率的压能采集转化与发电技术。如果这些技术瓶颈全部突破，天然气井口压差发电的蓬勃发展就将到来。

2 天然气降压脱水与压差发电井口一体化应用的探索

目前，在天然气采出到用户的全流程中，在地面井口区域需要克服的压降能量最大，天然气开采井口区域施展各种技术应用对气藏采收率影响最大，因此，在采气井口区域开展技术升级对提高天然气开采价值最为有利，本文将以轴流式压差发电技术为基础，用新视角与新思路对天然气井口一体化技术进行探讨。

2.1 节流保温、固液分离和压差发电3 种技术的关联性

在天然气采输气井站中，常用的离心式分离器对固液杂质的分离原理就是通过对原料气的导流产生旋转，因密度不同产生的离心力不同而实现固液杂质分离，而在轴流式透平压差发电技术里，同样有旋转运动的叶轮，旋转就是其共性；在轴流式压差发电技术中，既可以选择径向进径向出的叶轮驱动方式，但也完全可以选择径向进侧向出（图1）的旋转驱动方式，这中间只需用啮合的圆锥齿轮组合做90°改变动力传递方向即可，而高速转动的啮合齿轮必然会因摩擦而生热，且摩擦所产生的热量与齿轮数和转速成正比，在其他机械设备里，人们通常需要用辅助散热系统进行散热，避免连续运转对设备造成高温危害，同时，在天然气开采过程中，对井口高压天然气体节流降压会产生“焦耳－汤姆逊”效应而降温，假如用前者不断高速旋转摩擦产生的热能来克服后者节流和膨胀效应的降温，只需将2 种应用融合在一个空间不断循环就能基本实现冷热能量的传递与互补，且各工质在各自独立的系统中封闭循环运行，这样就可以达到实现多功能集成一体和零碳排放开采天然气的目的；当齿轮组合摩擦生热不能克服后者的降温时，辅助加热器根据天然气数据采集与监视控制系统（SCADA 站控系统）的指令信号而开始对润滑循环机油加热，而机油辅助加热器和循环泵所须要的电能，正是来自装置自发电产生，故此，就能实现无须燃烧排放二氧化碳的方式替代传统的天然气开采模式。

图1 天然气降压脱水与发电装置复合叶轮初步设计图

2.2 天然气降压脱水与发电装置系统的初步设计与构想

为了实现上述多功能集成一体达到改变传统天然气开采模式的目的，一种天然气井口降压脱水与发电装置的结构与原理如图2、图3 所示。

图2 天然气降压脱水与发电一体化装置主视示意图

图3 天然气降压脱水与发电一体化装置俯视示意图

2.2.1 天然气井口降压脱水与发电装置工作原理

天然气井口高压原料气进入装置后，在水气分离阀段内，气流从拉瓦尔喷射口喷出，驱动复合透平叶轮顺时针旋转，密度大的固液杂质从叶轮正面吸入后因高速旋转的离心作用，从叶轮侧孔方向流出后，沿着水气分离阀段筒体内壁聚集且因重力作用而在固液排放口排出；分离后的密度更轻的天然气，因为有压差的存在其必定会向低压区流动，流入排气筒体内，并通过锥形压力调节机构微调压力后，从上部流出到输气管网，锥形压力调节结构由远程电动执行机构控制，流入阀体的原始高压气体通过做功转化为机械能消耗能量及锥形压力调节机构微调达到适度降压；复合透平叶轮的高速旋转必然会带动阀腔内啮合的圆锥形齿轮组合摩擦生热，同时，在左侧阀腔底部还设有齿轮组合及旋进叶片促进阀体底部机油流动实现充分换热，在阀腔顶部设有油泵，将防凝冻机油加热到设定温度后，油泵抽吸泵出的机油沿封闭的循环通道流动并实现热能交换，实现对锥形压力调节结构及外围空间内天然气体的保温防冻，达到降压、分离和发电3 种功能集成一体的目的。所有数据信号的采集和显示与自动调节控制均集中并入到采气场站的SCADA 计算机管理系统中（图4），实现流量、温度、压力与转速、输出电流和电压等各种数据的全自动采集和电能冲、储、放全自动远程智能控制与运转。

图4 降压脱水与发电系统逻辑关系图

2.2.2 发电机、变速器的选择

目前，宁德时代等国内外知名公司普遍采用直流充储+电化学电池的储能技术路径，未来输配气场站分布式综合能源系统采用高性能、高密度电化学储电技术是现实可行的路径，天然气压差发电领域参考有关新能源成熟技术或许可以少走弯路。发电机的选择是影响天然气压差发电效率的重要因素之一，井口天然气流量和压力因为有气田水干扰具有较大的波动性，故此，本装置中的发电机主张选用防爆型恒压励磁直流发电机组，所发的直流电可以直接储存在储能电池柜中，从而可以减少逆变环节的不必要耗损，而变速器的选择要充分考虑气田水干扰造成井口压力的宽幅波动，尽可能地满足发电机最低发电转速的需求，以利于实现长周期满负荷运转发电，故此适宜采用皮带轮组合变速方式，如果不通过变速直驱叶轮发电，气田水干扰造成的压力波动会显著影响发电效率，参考新能源风力发电技术，其叶片转速一般都不高，却能保持持续发电，根本原因正是利用了变速增速技术，故此，天然气井口轴流压差发电，充分利用变速增速与恒速技术是不可或缺也是决定发电总体效率的关键因素之一。

2.2.3 复合透平叶轮的设计及压力能的采集与转换

本装置中，复合透平叶轮是压力能转化为机械能的关键采集元件，也是实现固液杂质分离的主要元件，也是降压脱水与发电3 种功能关联的纽带。根据做功原理公式W=FScosθ 得知，功W 的大小与作用力F 和位移大小S 及受力角度θ 有关，当受力角度在0＜θ＜90°时，cosθ＞0，W＞0 做正功，从理论上讲，复合透平叶轮45°倾斜时做功扭矩最大，但此时的振动与噪声也最大，故此以45°的80%~90%较为适宜，复合透平叶轮上的孔洞一方面可以避免做功打滑，另一方面在旋转中如海绵一般有利于固液杂质的正面吸收侧面排出而实现有效分离，复合透平叶轮片在旋转运动中，既应能避免与喷射口的碰撞又要能实现对压能的充分采集与固液杂质的分离。

任何流体在机械内部的流动都遵循物理学三大守恒定律：质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。从能量守恒角度用平衡方程[6]对本装置进行分析，能量的采集、转化理论平衡方程为输入系统的=输出系统+损失+系统的变化，用公式（1）表达

在将压力能转化为电能的同时，本装置还能替代传统的“节流阀+水套炉”，实现零碳化生产，在本装置中，热能产生、传递与交换过程中的影响因子有：齿轮组合数量及摩擦转速度，循环机油量及机油比热容与热导率，机油循环流动过程中热能的损失，流经锥形阀节流段时内外空间热能交换造成的热能消耗，以及辅助加热器所产生的热能，这些影响因子之间同样遵循以能量守恒为基准的热力学第一定律和热力学第二定律，且整个润滑循环与保温系统实际属于前述理论平衡方程式（1）的子系统，用公式表述如下

假如在井口流程中只安装一套天然气压差发电装置，几乎很难实现有效降压、压力能采集与转化和固液杂质的充分分离，参考现有分布式新能源的普遍模式，笔者主张采用撬装模块化、串并联梯度连接方式实施天然气压差发电的井口一体化技术应用场景模型如图5 所示。

图5 天然气井口压差发电及一体化技术应用场景模型

图5 中A、B、C、D 分别为一套井口降压脱水与发电装置组成的一个模块，模块1～6 分别为一组模块，在一个天然气开采一定区域（平台）内，只需要一套电力存储与逆变设备即可，而井口降压脱水与发电装置的组装数量，则可根据气井所处地层能量而定，这种如“瀑布状”的流程设计，可以有效解决井口压力高流量大这一难题，并且可以充分提高对井口压力能的采集与转化效率及对固液杂质的分离效率。

当本装置中因齿轮组合高速摩擦产生的热能，不能满足锥形压力调节及膨胀因素而造成的降温时，装置内的机油加热器接收SCADA 系统指令而自动启动加热工作，从而达到零碳排放的目的，在装置内实现能量交换过程的动态平衡。在整个天然气流动的过程中，其压力能量的衰减主要应该用于发电做功的消耗上，设计锥形阀段的目的是微调压力；设计机油循环及通道的目的是既不浪费装置内的摩擦生热能量又能对锥形节流阀段的保温力求物尽其用，达到高效零碳的绿色理念。参考四川长宁页岩气井注醇与加热工艺成本分析[7]，一口气井开采若用水套炉保温或用注醇工艺降低露点防冻，其年耗费成本都在四五十万元，两者成本都很高，而本装置的目的就是希望替代传统技术，节约相关费用，降低天然气开采成本。

2.2.4 脱水、密封与材质的选择

在天然气开采与集输中，高效的油气分离装置，对油气生产与集输十分有利[8]，现实生活中利用离心原理脱水最常见的设备是洗衣机，其脱水功能与天然气开采过程中的粗脱水本质原理一样，其脱水转速通常在1 000 r/min 左右就能实现良好的脱水功能，在本装置中，复合叶轮满足发电机发电转速区间在1 800~4 000 r/min，其转速与脱水能力成正比，且是梯度多级分离，故此，本集成装置的天然气脱水功效，将完全满足天然气采输气流程中的粗脱水功能，而本装置的建造耗材将比传统分离器节省很多。

由于井口天然气压力通常极高，在将机械能采集转化过程中，密封强度不够导致的天然气泄漏危害极大，有关论文与实验中采用了磁力联轴器[9]，由静态密封替代动态密封防止高压天然气的泄漏，在本装置中（图2）设置了水气分离阀段，如果再结合磁力联轴技术，完全可以实现对高压天然气体的有效隔离密封与可靠的动能传递。

目前，我国已实现对四川普光气田和安岳高含硫气田成功开采多年的目标，积累了对高含硫气田的开采经验，西南油气田在川东北铁山坡高含硫气田自主开发中采用了镍基合金双金属复合材料来克服高含硫的腐蚀危害，完全可以运用到天然气井口压差发电领域。

2.2.5 储能及规模化应用

本装置发电所产生的直流电流储存于系统中的储能电池柜中，再经过逆变器转化为标准电流供井站自用或上网，一个天然气开采井站平台就会有一套储电与逆变系统，通常一个气田会有很多个井站（平台），数量众多的井站的储电与逆变系统，汇聚起来就是一个规模化的电力削峰填谷系统，这正是分布式新能源应用的普遍模式和传统化石能源与新能源融合发展的转型路径之一。

3 结束语

在国家“双碳”战略目标的引领促进下，各种新能源的发展日新月异，天然气开采中丰富的地层能量早就应该开发出来保障国家能源安全，传统的天然气开采模式迟早会被更加绿色低碳的技术替代，本文仅针对以轴流压差发电技术为基础的天然气井口集成一体化技术提出初步的构想，理论结合实际进行了或为粗浅的探讨（与本论文同步申请的发明专利“基于降压脱水发电的天然气井口一体化装置、系统”已在国家知识产权局公布），对于复合透平叶轮的设计，还应用流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟软件进行更加深入的仿真建模与流场分析后进行优化，需要有关科研团队进行深入的探索，争取早日应用于实际生产中，为国家建设助力加油。