天然氣余壓發電制冰系統設計及實際產能模擬

俞光燦 李琦芬 梁曉雨 潘登宇

上海電力學院能源與機械工程學院

天然氣余壓發電制冰系統設計及實際產能模擬

俞光燦 李琦芬 梁曉雨 潘登宇

上海電力學院能源與機械工程學院

針對天然氣分輸站目前無法對管輸天然氣壓力能進行有效回收的問題，以及傳統的制冰行業電力消耗較大，而冰需求市場又逐年擴大等問題，本文提出一種天然氣余壓發電制冰一體化系統。系統主要包括膨脹發電系統、冷能利用系統兩部分，利用膨脹機回收天然氣壓力能并同軸帶動發電機發電，再利用換熱器對膨脹機出口的低溫天然氣冷能進行回收。然后結合某天然氣分輸站供氣參數和膨脹機特性曲線，用Aspen軟件對整個工藝流程進行模擬，以估算系統的實際發電量、產冰量。系統既得到了高品位的電能，同時也能緩解冰需求市場的壓力，降低了制冰行業的高電力消耗。

天然氣；壓力能；發電；制冰；模擬分析

目前“西氣東輸”采用高壓管輸天然氣的方式進行天然氣輸配，然而下游用戶的用氣壓力需求卻很小，豐富的天然氣壓力能在調壓門站通過調壓撬被白白釋放到了大氣中，若將該部分能量進行回收利用，能有效減少壓力能損失，實現能源的高效利用[1]。同時現今冰需求市場正在逐年擴大，而傳統的制冰行業卻存在高電力消耗問題。在對這兩個問題思考的基礎上，筆者首先設計了一套天然氣余壓發電制冰系統，之后對實際天然氣分輸站供氣參數進行了分析整理，在整理出的數據基礎上，利用Aspen（Advanced System for Process Engineering, 過程工程的先進系統）軟件對系統流程進行仿真模擬，得出了系統實際的發電量和制冰量[2,3]。

1 天然氣余壓發電制冰系統設計

天然氣余壓發電制冰系統是充分利用分輸站與下游用戶之間在調壓過程中損失的壓力能，將計量后的天然氣經旁通閥引入壓力能發電制冰系統[4]。在天然氣壓力能利用過程中，一方面，計量并經過穩壓閥穩壓后的高壓天然氣首先進入透平膨脹機充分膨脹，將壓力能轉化為機械能，并同軸帶動齒輪箱，通過齒輪箱使得膨脹機與發電機轉速相匹配，進而發出電能；另一方面，天然氣在膨脹機中膨脹后，溫度驟降，蘊含著巨大的高品位冷能，通過換熱器將這部分冷量用于制冰[5]。低溫天然氣的冷能回收后，當其溫度恢復到下游用戶所需的溫度時，天然氣再匯入下游管網，向下游用戶供氣。本文所設計的天然氣壓力能發電制冰系統具體的工藝流程如圖1所示，當低溫天然氣與乙二醇換熱后，進入儲水池與池水換熱，儲水池中的水將作為制冰原水進入制冰系統。仍然具有一定冷能的天然氣可繼續通入前置換熱器預冷膨脹機進口天然氣。最后天然氣可通過電加熱器使溫度恢復到下游用戶所需的溫度，向下游用戶供氣[6,7]。

其中，分輸站將壓力約為5.0 MPa、流量約為52000 Nm3/h的天然氣，經膨脹機膨脹減壓后，以2.0 MPa左右的壓力輸往到下游燃氣用戶。該工藝流程主要包括膨脹發電系統與冷能利用系統，運行全程通過安全控制系統控制，保證在天然氣 溫度、壓力、流量滿足下游用戶需求的條件下兼顧發電與制冰。

圖1 天然氣壓力能發電-制冰工藝流程圖

1.1 天然氣膨脹發電系統

分輸站接收上游來氣，經過過濾和分離后，天然氣通過旁通閥將計量后的天然氣引入壓力能利用系統。天然氣首先經過調壓閥將壓力微調穩定至5.0 MPa，經過脫水脫烴裝置脫除水分和重烴后，進入透平膨脹機并進行膨脹做功，做工后壓力降至2.0 MPa，溫度降低，同時膨脹機同軸帶動減速箱，減速后拖動發電機進行發電如圖2所示[8]。

原有的天然氣調壓裝置保留，作為旁路系統，天然氣在膨脹發電機入口和原調壓系統入口均設置快速切斷閥，以確保在膨脹發電機發生故障時或進行停機維修維護時能穩定迅速地切換至原調壓系統[9]。

膨脹發電系統包括一套膨脹發電機組、脫水脫烴裝置以及相關配套閥門、控制系統，采用PLC（可編程邏輯控制器）系統進行現場控制，并預留上傳通訊接口。另外，膨脹發電機組設有潤滑系統和密封氣系統，均采用成熟可靠的先進技術，以確保安全可靠運行[10,11]。

1.2 冷能利用系統

高壓天然氣經過膨脹后，其冷量將用于制冰，冷能利用系統如圖3所示，即將膨脹機出口的低溫天然氣的冷能用來制冰，制冰方法采用廣泛應用的鹽水制冰法。膨脹后的低溫天然氣進入換熱器中，持續為鹽水池中的鹽水(29.4% 的NaCl)提供冷量，使得鹽水池中的鹽水溫度保持在-10℃左右，而天然氣溫度升為-10℃左右。-10℃的天然氣之后經電加熱器加熱至下游用戶所需溫度后再輸送到下游。最后，被冷卻的濃鹽水(-10℃左右)與冰桶內的制冰原水充分換熱，水吸收冷量后冷凍成冰，完成天然氣冷量的回收利用[12,13]。

圖2 膨脹發電系統

系統主要組成設備有：冰桶、換熱器、鹽水池、融冰槽、冰桶架、電動單梁起重機、倒冰架、滑冰臺等。本項目與傳統制冰系統區別在于：除了不需要電力制冰外，系統最后需要額外設置電加熱器以保證進入下游天然氣的溫度滿足下游用戶的溫度需求[14]。

2 余壓發電制冰系統參數確定

根據“西氣東輸”某分輸站實際天然氣進站參數，確定本方案余壓發電制冷系統各流程的參數，以及主要部件膨脹機的相關運行參數[15]。

2.1 分輸站天然氣參數分析

通過對某分輸站一年的運行數據處理，對同一月份中每天同一時間的進站參數求得平均值，最終得到某年12個月份的分輸站天然氣進站的平均流量、壓力、溫度隨晝夜時間的變化數據與曲線圖。

圖4、5、6中，12條曲線整體變化趨勢基本相同，為了更加直觀地了解某市天然氣分輸站的進站參數隨晝夜時間變化的趨勢，進一步將圖4、5、6中的12條曲線求得平均值，得到天然氣年平均參數隨時間變化曲線如圖7、8、9所示。

考慮到天然氣的溫度與壓力對膨脹機透平效率影響不是很大，所以模擬時可取天然氣平均壓力為5.7 Mpa，溫度為17.5℃。而天然氣流量晝夜差值最大為40 000 Nm3/h，晝夜變化明顯，且對膨脹機透平效率有較大影響，因此在對天然氣余壓發電制冰系統模擬時，需要將天然氣流量變化考慮其中[16,17]。

圖3 冷能利用系統圖

2.2 膨脹機運行特性曲線分析

圖4 某分輸站天然氣不同月份平均溫度隨時間變化圖

圖5 某分輸站天然氣不同月份平均壓力隨時間變化圖

圖6 某分輸站天然氣不同月份平均流量隨時間變化圖

膨脹機可調式噴嘴的調節作用可以使膨脹機適應較大范圍天然氣處理量（50%～120%）的變化。由某公司提供的額定流量為52 000 Nm3/h的膨脹機透平效率與處理天然氣量關系曲線如圖13所示，在設計流量的50%～130%流量范圍內變化，透平效率不同。因此不同的處理氣量，天然氣余壓發電制冰系統的發電量與制冷量也會發生變化。為保持膨脹機的高效率，應該使膨脹機處理天然氣量范圍在80%～120%之間[18,19]。

根據圖10膨脹機透平效率-處理量關系曲線和圖9某分輸站天然氣年平均流量隨時間變化曲線得到透平膨脹機在不同進氣流量條件下的膨脹機效率，列于表1。

3 天然氣余壓發電制冰系統模擬與產能估計

天然氣分輸站年平均下的晝夜天然氣平均進站流量在2 1670 Nm3/h～41 750 Nm3/h范圍內變化，晝夜最大流量差值達到20 080 Nm3/h，主要是由于下游天然氣用戶在晝夜不同時間的天然氣需求量不同，使得天然氣進站流量在晝夜范圍內波動較大。另一方面，透平膨脹機運行效率隨天然氣進口流量的變化而變化。因此，在進行系統的模擬收益計算時，需要將流量變化因素考慮其中，進而得出更加精確的系統收益[20,21]。

在一天24小時變化范圍內，將膨脹機進氣流量和膨脹效率兩個因素同時考慮到天然氣余壓發電制冰系統Aspen模擬中，分別得到有代表性的天然氣進站流量較小和較大時的模擬圖11、圖12，同時得到模擬的24組相關模擬結果，并得到實際制冰量與發電量隨時間的變化曲線如圖13所示[22,23]。

圖7 某分輸站天然氣年平均溫度隨時間變化圖

圖8 某分輸站天然氣年平均壓力隨時間變化圖

圖9 某分輸站天然氣年平均流量隨時間變化圖

由表1知，天然氣進站流量最大與最小分別出現在9時和23時，所對應的膨脹機效率也是最大值86.57%和最小值85.21%，圖11和圖12的模擬結果分別對應了發電功率最小值385.27 kW、實際制冰量最小值1.95 t/h和發電功率最大值741.4 kW、實際制冰量最大值3.76 t/h，最大值與最小值基本都相差一倍，反過來也論證了天然氣流量的變化對系統實際的發電量與制冰量也會產生較大影響[18,19]。同時，不同天然氣的流量變化，對膨脹機的運行效率也產生了一定的影響，從而影響整個系統的產能。因此，如果僅單一取天然氣流量的年平均值對天然氣余壓發電制冰系統進行模擬，而不考慮天然氣晝夜流量的較大變化，模擬的結果往往容易出現較大的偏差[24,25]。

圖10 膨脹機透平效率與天然氣處理量關系曲線

表1 透平膨脹機在不同進氣流量條件下的膨脹機效率

圖13反映了實際制冰量與發電量隨時間變化的曲線圖，兩條曲線的變化趨勢趨于一致，即當發電量較高時，制冰量也高，發電量較小時，制冰量也會隨著減小。將24小時的實際制冰量和發電量進行疊加，得到本文的天然氣余壓發電制冰系統實際每天制冰量約70.58 t，實際每天發電量約13 950.4 kWh[26]。

4 結論

文中設計的天然氣余壓發電制冰系統在制冰系統出口設置了兩級冷能回收裝置，一個是利用制冰原水的儲水池回收剩余天然氣冷量，另一個是通過前置換熱器預冷膨脹機進口天然氣，大大提高了冷能的回收效率，降低了電加熱器的使用功率，增加了系統整體的經濟性。

文中將分輸站天然氣余壓浪費問題與傳統制冰行業高電耗問題相結合，設計出一套天然氣余壓發電制冰工藝系統，不僅實現了制冰行業節能需求，也緩和了區域用電緊張問題。目前大型制冰廠電制冰電耗約為100 kWh/t，按系統平均每天制冰量70.58 t來計算，約等于每天節約電能7058 kWh，同時還能產出13 950.4 kWh的電能。

圖11 天然氣進站流量較小時的優化工藝模擬流程圖

圖12 天然氣進站流量較大時的優化工藝模擬流程圖

圖13 實際制冰量與發電量隨時間的變化曲線圖

文中在進行Aspen模擬時，考慮了天然氣流量變化對膨脹機效率有一定影響，且分輸站天然氣流量晝夜變化比較大，根據全年的24小時天然氣平均流量變化，得出全年的24小時膨脹機透平效率變化，在此基礎上對天然氣余壓發電制冰系統進行流程模擬，得出全年的24小時平均發電量、制冰量的變化，繼而得到一天的發電制冰量。相比于直接設置指定的膨脹機透平效率與天然氣參數來進行一組模擬而得出的結果來說，本文模擬結果更加貼近實際生產運行情況。

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Design and Practical Productivity Simulation of Natural Gas Residual Pressure Power Generation Ice Making System

Yu Guangchan, Li Qifeng, Liang Xiaoyu, Peng Dengyu
Shanghai Electrical Power University Energy and Mechanical Engineering College

There is no effective practical solution for recycling pipe transportation natural gas energy at natural gas distribution station and large electrical power consumption and huge ice demand for traditional ice making industry. The article puts forward integrated natural gas residual pressure power generation ice making system. The system includes expansion power generation system, cooling energy utilization system. Using expansion system to recycle natural gas residual pressure energy and driving coaxial generator to produce electricity, then using heat exchanger to recycle low temperature natural gas from expansion exit. Combined with gas supplying parameter and expansion unit characteristic curve at some natural gas distribution station, the author calculates practical power generation quantity and ice making quantity through Aspen software to simulate whole process. System has high grade electrical energy and reduces ice making demand pressure to cut down high electricity consumption of ice making industry.

Natural Gas, Pressure Energy, Power Generation, Ice Making, Simulation Analysis

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.010

俞光燦：（1992—），男，碩士研究生。

李琦芬：教授，研究方向為新能源與可再生能源，能源梯級利用，分布式能源。