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1、? ? 作者简介: 闻菁, 1986年生, 本科。地址: (710049) 陕西省西安市。电话: 13572068279。E -mail: wenjing202 yahoo. com. cn天然气管网压力能的回收及利用闻 菁 ? 徐明仿( 西安交通大学能源与动力工程学院)? ? 闻菁等. 天然气管网压力能的回收及利用. 天然气工业, 2007, 27(7): 106 -108.? ? 摘? 要? 通过火 用分析方法得出天然气管网中蕴藏着大量的压力能。在管网压力一定时, 其中可回收的压力能随着用户端压力的降低而增大。当管网压力 10 M Pa, 用户端压力 0. 8 MPa 时, 可回收的最大压
2、力能达 359. 12kJ/kg。在各个调压站设置回收天然气压力能设备来回收管网的压力能, 可用于提供原动力、 液化天然气、 净化天然气进行深度脱水等。这将有效地提高能源利用率, 提高管网的运行经济性。? ? 主题词? 天然气? 管网? 压力? 能量回收? 利用?火 用一、 天然气管网压力能分析? ? 近年来, 从世界范围来看天然气管道输送压力越来越高。各国陆上输气管道的最高设计压力分别为: 美国 10 MPa, 前苏联 7. 5 MPa, 德国和意大利 8MPa。海底输气管道的设计压力一般比陆地更高, 如阿 ? 意输气管道横穿西西里海峡段的设计压力为15 MPa, 而发生事故时压气站的出口压
3、力可高达20. 5 MPa 1。? ? 我国天然气管网输气压力虽较低, 但近年来提 高很快, 西气东输管道的输气压力为 10 MPa 2, 3, 已经达到国际先进水平。? ? 天然气管网的压力远高于用户所需的压力, 蕴 藏有大量的压力能。天然气从高压管网进入低压管网时, 存在着很大的压力能损失。如果能回收天然气管网的压力能, 将能够有效的提高能源利用率, 提高管网的运行经济性。 ? ? 准确地分析天然气在输送管道内流动时的压力能及其变化, 是合理利用天然气压力能的第一步。利用火 用分析法可以科学、 简洁地分析出天然气管网 可以利用的压力能。? ? 从热力学的角度来看, 输气管网是一种开口系统,
4、 可以利用焓火 用对此系统进行分析。单位质量的稳定物流的焓火 用为: ex , h= h- h0- T0(s - s0)式中: T0为环境温度, h0、 s0为物流在环境压力及环境温度下对应的比焓和比熵, h 和s 是物流所在状态 下的比焓和比熵。? 忽略稳定流动工质的宏观动能与位能时, 单位质量的稳定物流从状态 1 以可逆方式变化到状态 2 时所能回收的最大可用能, 等于初、 终态稳定物流的焓火 用之差, 表达如下:wA, 1, 2= ex , h, 1- ex , h, 2= (h1- h2) - T0(s1- s2)? 为了计算的简便, 假定天然气由 100% 的甲烷构 成, 对天然气管
5、网蕴含的压力能进行分析。计算中取环境压力为 0. 1 MPa, 环境温度为 20 ? , 相关物性参数利用丹麦技术大学( T echnical University ofDenmark) 机械工程系开发的 CoolPack 软件查出。 ? 不同管网压力下,单位质量甲烷的火 用如图 1所示。图 1? 不同压力下单位质量甲烷的火用? 当管网的压力为 10 MPa( 与西气东输管道输气压力相同) 时, 天然气( 甲烷) 从管网进入不同压力的用户端所能回收的最大压力能如图 2 所示。? 如果管网压力为 10 MPa, 用户端的压力为 0. 8MPa, 则可回收的最大压力能为 359. 12 kJ/ k
6、g。以西气东输工程为例, 干线管道的设计输气量为 120?108m3/ a, 如果取气体比容为 1. 5 m3/ kg( 0. 1 MPa、20 ? 时甲烷的比容) , 则质量输气量为 80? 108kg/ a,?106?储运与集输工程? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 天 ? 然 ? 气 ? 工 ? 业 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2007 年 7 月图 2? 不同低压装置压力下管网的最大可用压力能那么每年可回收的最大压力能为 28729. 6 ? 108kJ。? ? 由此可见, 天然气管网蕴含的压力能相当大, 如能采取适当措施进行回收, 将会
7、有效地提高能源利 用率, 提高管网的运行经济性。二、 回收利用管网压力能的可行性? ? 如图 3 所示, 天然气管网系统中调压站一般有城市门站、 区域站等系列。可以在各个天然气调压站, 或者某些天然气消耗量很大的用户( 如大型化工厂) , 利用各种压力能回收装置来回收天然气。图 3? 输气管网结构示意图? ? 最简单回收天然气管网压力能的方法, 是利用 膨胀机装置将压力能转化为机械功; 还可以利用管网压力能来生产液化天然气, 或者利用压力能对天然气进行深度纯化, 以满足特定用户的要求。? ? 利用管网压力能为液化天然气提供冷量, 已有 比较成熟的装置。俄罗斯开发了一套适合调压站使用的天然气液化
8、装置。该装置不消耗额外的能量, 充分利用管网的压力能, 利用涡流管将压力能转化为冷量来液化天然气。其样机由圣彼得堡的波罗的海造船厂制造, 安装在维堡的 VyborgsKaya 天然气调压站, 2002 年已通过了生产检测 4。如图 4 所示, 高压天然气进入换热器 1, 被逆流而过的低温天然气冷却至- 50 ? 。同时, 重烃成分在容器底部富聚、气液分离, 95% 以上的重烃组分被分离出来。接着, 天然气流经换热器 2, 被逆流而过的低温天然气冷却至- 80 - 90 ? 。同时, 又有少量的重烃在容器底部冷凝, 经过气液分离后进入地下收集槽。换热 器 2 出来的天然气经调节阀分为两部分, 一
9、部分流经节流阀和气液分离器, 液化后进入储罐; 另一部分与从气液分离器分离出的气体一起回流至换热器 2, 使将要液化的天然气进一步降温。进入涡流管 1 的高压天然气, 分为- 60 ? 和 20 ? 的两股流体: 冷流进入换热器 1, 预冷天然气; 热流汇入调压站出口管网。涡流管 2生产的热流用于调控系统温度。中国科学院低温中心杨克剑等人 5也设计、 制造了利用管网压力能生产液化天然气的装置。将这两种液化装置进行适当的改造, 使其工作压力与目标管网压力相匹配, 就可以用于该管网压力能的回收。图 4? 调压站用液化装置图? 天然气在进入输送管网之前, 已按在露点以上输送的要求进行过脱水处理, 但
10、在利用压力能为液化天然气过程提供冷量时, 天然气还需进行深度脱水。文献 6 介绍了几种天然气脱水装置, 采用分子筛对天然气进行深度脱水, 可以利用管网的压力能作为驱动能。? 文献 7 介绍了一种采用热分离机( 又称为? 压力波制冷机? 气波制冷机?) 对天然气进行脱水的装置, 可用天然气管网的压力能作为动力, 如图 5 所示。来自管网的高压天然气经过过滤器滤掉杂质后进入分离器, 分离掉其中的游离水, 分离后的气体由分离器顶部流经喷射泵喷入防冻剂后进入换热器冷却, 冷却后进入分离器进行分离, 分离掉其中的游离水和部分防冻剂, 顶部气体进入热分离器膨胀降温后进入分离器, 分离掉水分和防冻剂, 使气
11、体露点降至- 20 ? 以下。从分离器出来的冷气经换热器换热回收冷量后外输。大连理工大学气波制冷研究推广中心已开发了多套气波制冷天然气脱水净化装置, 这些装置经过运转考核都达到了设计要求, 在操作压力下天然气露点最低可达- 40 ? 8。 ?107?第 27 卷第 7期 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 天 ? 然 ? 气 ? 工 ? 业 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?储运与集输工程图 5? 热分离器脱水流程图? ? 以上装置的设计工作压力和管网的压力不一定匹配, 输气量并不是恒定的, 且变化较大, 这就要求采用的压力能回收装置有较好的适应输气量变
12、化的能力。这还需要进一步研究。三、 结 ? 论? ? 利用火 用分析方法对天然气管网压力能的分析表明, 可回收利用的压力能是很大的。在天然气输送 管网的各个调压站, 可以采用各种装置来回收天然气管网的压力能, 用于提供原动力、 液化天然气和在有必要的情况下对天然气进行深度脱水。但调压计 量站的分散性、 处理量和压力的差异等使压力能利用受到一定限制。为了使回收装置和天然气管网的压力匹配, 并能很好地适应天然气管网的输气量变化, 还需要进行进一步的研究。参 ? 考? 文? 献 1 高秀春. 长输气管道压缩机组原动机的选型 J . 石油规划设计, 1997( 6) : 27 -36. 2 吴宏. 西
13、气东输管道工程介绍( 上) J . 天然气工业,2003, 23(6) : 117 -122. 3 陈向新, 陈韶华, 李波. 西气东输工程新技术应用 J . 石油工程建设, 30( 1) : 15 -19. 4 黄志光, 汪荣顺, 石玉美, 等. 小型天然气液化装置的研制现状与前景 J . 低温工程, 2002( 6) : 59 -62. 5 杨克剑. 中小型天然气液化装置及其应用 J . 低温与超导, 1996, 24(2) : 54 -58. 6 王协琴. 车用压缩天然气脱水 J. 天然气工业, 1999, 19(6): 75 -78. 7 李学来, 黄齐飞. 热分离技术与压力能的回收利
14、用 J . 福建能源开发与节约, 2001( 3) : 57 -60. 8 朱彻, 刘润杰, 李洪安. 气波制冷技术在天然气脱水净化工程中的应用 J . 制冷, 1995( 1) : 10 -15.( 修改回稿日期? 2007 -06 -06? 编辑? 赵? 勤)( 上接第 105 页) 主观赋权法和客观赋权法, 又涉及到具体某几种赋权方法相结合的赋权技术。关键是 怎样处理在进行权重融合时如何避免所引入的人为偏好系数。? ? ( 3) 赋权技术的择优。油气管道风险分析还会有新的赋权方法。如何选择最优及符合管道安全评 价问题实质的适用方法, 还需进一步深入研究。参? 考? 文? 献 1 张华林,
15、 刘刚. 层次分析法在石油安全评价中的应用 J.天然气工业, 2006, 26(4): 135 -137. 2 蒋宏业, 梁光川, 于磊, 等. 层次分析法在管道穿越河流方案选择中的应用 J . 西南石油学院学报. 2005, 27( 2):80 -83. 3 劳期团. 环境管理实用技术方法 M . 北京: 中国环境科学出版社, 1994. 4 刘先涛, 陈光胜, 高军. 多种方法排序集结的灰色关联分析方法J. 西南石油学院学报, 2004, 26(5): 83 -84. 5 钟冠华. 平均与? 权? J. 统计教育, 2003(2): 13 -15. 6 陈玉成, 李章平, 曹秋华. 环境质
16、量评价中的赋权技术J. 重庆环境科学, 1997, 19(2): 43 -47. 7 邹志红, 孙靖南, 任广平. 模糊评价因子的熵权法赋权及其在水质评价中的应用 J . 环境科学学报, 2005, 25( 4):552 -556. 8 张若星. 城市环境系统的权重分配? ? 多目标二级决策法J. 云南科学环境, 2000, 19(1): 62 -64.(修改回稿日期? 2007 -06 -05? 编辑? 赵? 勤)?108?储运与集输工程? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 天 ? 然 ? 气 ? 工 ? 业 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2007 年 7 月in near future.SUBJECT HEADINGS: petroleum, natural gas, pipeline, risk analysis, weight, coeffi
