天然气压力能发电产储用一体化系统

李 彤， 周 阳-3， 罗东晓

(1.佛燃能源集团股份有限公司， 广东 佛山 218000； 2.佛山市公用事业控股有限公司， 广东 佛山 218000； 3.华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074)

1 概述

国内天然气调压站基本都采用节流膨胀方式对高压天然气降压稳压，高压天然气蕴含的压力能未得到有效利用[1-5]。2020年全国天然气消费量约为3 200×108m3，比2019年增加约130×108m3。如此庞大的天然气消耗量，蕴含的压力能非常可观。

目前，我国鲜有回收压力能转化成电能并加以利用的成功案例，除技术及设备原因外，一个重要原因是调压站站内用电负荷小，站外周边耗能企业少[6]，加之电力公司对压力能发电并网外送的诸多限制，使得压力能发电无法实现电能生产与使用间的动态平衡(简称产用实时平衡)，导致系统不能稳定运行。由此可见，开发出一项并网不上网条件下，能将压力能产生的电能合理利用并确保电力供需平衡的技术方案，能有效促进压力能回收利用技术向前发展。

2 压力能特性与调压站电力负荷

调压站天然气压差、供气负荷曲线等参数是设计压力能发电方案的考量因素。压力能取决于天然气流量和上下游压差，压力能有效回收利用率与工况条件有很大关系，供气压力、流量变化幅度大的工况，压力能有效回收利用率较低。此外，压力能有效回收利用率与技术方案及设备选型也有较大关系。

调压站供气负荷曲线与供气管网用户结构有关，以工商业用户为主的管网，供气负荷均衡平稳，适合实施压力能回收利用，压力能有效回收利用率也较高。

分析典型调压站站内能源需求可知，调压站主要能源消耗为电力，用于站内生产系统、照明及空调系统等，呈现出低负荷、不连续、易波动等特点。在孤网或并网不上网条件下，站内只有生产系统用电相对均衡，照明及空调系统用电均呈季节性、时段性特点，使得站内电力负荷变化幅度大，导致压力能回收利用较为困难。

3 压力能回收利用技术与难点、要点

3.1 压力能回收利用技术

回收调压站压力能并合理利用的技术较多，较为典型的是高压天然气驱动透平膨胀机发电，电能就地利用，膨胀做功后的低温天然气与冷媒交换热量，换热后的冷媒提供冷能给用户。该技术成熟度较高，有一些应用案例，但也存在不足[4]。

3.2 难点分析

① 因系统特点以及膨胀机等主要设备的特性，要求系统工况平稳、发电功率相对稳定。然而站内用电负荷较小、变化幅度大，且周边无耗电客户，导致不能产用实时平衡[7]。

② 并网手续复杂，上网电价过低，审批难度大，投资很高。因此只能采用孤网或并网不上网模式。

③ 站内及周边难以找到合适的冷能客户，导致膨胀发电后天然气温降问题难以解决。

3.3 要点分析

① 依据现场工况条件，设置合理的基准设计负荷，确保进入回收装置的天然气流量最大化，可利用压差最大化，以提高压力能有效回收利用率。

② 按照流程简捷、安全可靠的原则优化工艺技术方案，力求系统变工况适应能力强，达到产用实时平衡。

③ 选择安全性能优良、可靠性高的关键设备，特别是先进的、转换效率高的膨胀机。

④ 确保通过回收装置的天然气压力稳定，系统操作方便。

(1)地面直达波实验——荒漠区。实验区位于古尔班通古特沙漠南缘，距乌鲁木齐市区约70 km。地貌类型以近南北走向的沙垄为主，长度数百米到10 km不等，相对高度10～50 m，沙垄顶部和垄间低地的梭梭群落呈稀疏分布，地表有较稀疏的一生年草本和短命、类短命植被分布。

4 天然气压力能发电产储用一体化系统

4.1 基本思路

实现产用实时平衡是实施压力能回收利用技术的核心，因此，有必要提高调压站或周边的用电负荷，尤其是灵活性和均衡性用户的用电负荷。在此基础上，通过削峰填谷措施，确保在并网不上网条件下，实现产用实时平衡或用电量大于发电量。

4.2 技术方案

为增加负载灵活性和发电利用率，一方面，在站外设置新能源汽车充电桩；另一方面，面向可拆卸电池的电瓶车用户开展换电池业务，将用户电池拆卸后统一运送至调压站充电。同时，增加储、放电环节削峰填谷[8]，形成天然气压力能发电产储用一体化系统，巧妙利用储、充电装置解决产用实时平衡问题。

天然气压力能发电产储用一体化系统见图1，主要包括基于双转子膨胀机的电冷生产单元、配电装置、储能电池、用能负载以及对各装置进行智能控制的能量管理系统(图1未显示)。用能负载包含充电桩、充电装置、站内负载、应急电阻柜。站内负载的用电负荷为常态负荷，充电桩和充电装置的用电负荷为动态负荷，应急电阻柜(功率可变)的用电负荷为应急负荷。储能电池的用电负荷为平衡负荷。

图1 天然气压力能发电产储用一体化系统

系统工作流程：在天然气调压站内现有调压回路旁增设一路压力能发电和冷能回收回路。常温高压天然气通过该回路进入双转子膨胀机膨胀做功，带动发电机产生电能；同时膨胀后的低温天然气与冷媒换热，低温冷媒供冷能给用户使用。产生的电通过配电装置输出，一路供给用能负载，包括新能源汽车充电桩、开展换电池业务的充电装置、站内负载和应急情况下使用的可变功率应急电阻柜(消耗系统富余电能)；另一路进入储能电池储电。在配电装置输入端，除天然气压力能产生的电外，还有市政电网供电以及储能电池放电。将天然气压力能发电产生的电功率称为发电功率，将常态负荷与动态负荷之和称为总用电负荷。当发电功率小于总用电负荷时，优先使用储能电池释放的电能，若仍不能满足负荷需求，将借助市政电网供电作为补充。

4.3 运行策略

当发电功率大于总用电负荷时，合理调配各路用电负荷，辅以储能电池储电以及应急电阻柜启动，做到产用实时平衡。当发电功率小于总用电负荷且储能电池放电仍不满足负荷需求时，借助市政电网供电作为补充，确保供需平衡。各装置启停由能量管理系统决定，具体运行策略如下。

① 当总用电负荷小于发电功率时，配电装置与市政电网断开，用电设备全部由压力能发电装置供电，多余电量通过AC/DC整流器转换为直流电，输入储能电池中储存，由储能电池充电削峰，系统达到平衡。即：产 = 用(常态负荷+动态负荷)+储(平衡负荷)。

② 当储能电池储电趋于饱和而发电功率仍有富余时，通过应急电阻柜消耗多余电能削峰，达到系统平衡。即：产 = 用(常态负荷+动态负荷)+储(平衡负荷)+应急负荷。

③ 当常态负荷与动态负荷均为0且储能电池达到储电饱和极端状态时，为确保系统平衡，发电全部由应急电阻柜消耗，即：产 = 应急负荷。

④ 当总用电负荷大于发电功率时，能置管理系统向储能电池发出指令，储能电池所储电能经DC/AC逆变器转化为交流电后,经配电装置向用电设备供电，系统达到平衡。即：产 + 储(平衡负荷) = 用(常态负荷+动态负荷)。

⑤ 当总用电负荷大于发电功率且储能电池放电仍不能满足要求时，不足部分由市政电网补充。即：产 + 储(平衡负荷) + 市电 = 用 (常态负荷+动态负荷)。

4.4 运行基本原则

为确保压力能发电装置平稳运行，缩小波动范围，力求发电功率在额定功率的70%～95%运行。

避免压力能发电装置频繁启停。

及时释放储能电池所储电能，保持储能电池处于低荷电状态。

尽量避免应急电阻柜运行，或使其低负荷运行，保证电能的有效利用。

力求发电功率不大于总用电负荷，必要时调整发电功率以达到产储用平衡。

5 结语

利用城镇燃气调压站高压天然气压力能发电，结合新能源充电桩、储能电池、应急电阻柜等，构建天然气压力能发电产储用一体化系统，辅以市政电网引入、压力能发电功率调整等方式，通过优化运行策略，实现发电与用电实时平衡，实现了削峰填谷，是一种可持续发展的能源利用方式。