天然气管网压力能回收利用效益分析_冯雅婷.pdf

技术72天然气管网压力能回收利用效益分析 文_冯雅婷 西南交通大学希望学院摘要：针对天然气在长运距及高压力的管网运输中具有大量压力能，提出压力能发电及制冷回收利用方案；探析其电能及冷能回收潜力，估算量化压力能回收利用的经济效益、减排效益、净现值和增量静态投资回收期，验证压力能回收利用可行性及有效性。关健词：天然气压力能；回收潜力；效益分析Benefit Analysis of Pressure Energy Recovery and Utilization in Natural Gas Pipeline NetworkFENG Ya-ting Abstract Aiming at the large amount of pressure energy of natural gas in long-distance and high-pressure pipeline network transportation,a scheme of pressure energy power generation and refrigeration recycling is proposed.Then,its potential for electric energy and cold energy recovery is analyzed,and estimate the economic benefits,emission reduction benefits,net present value and incremental static investment payback period of pressure energy recycling to verify the feasibility and effectiveness of pressure energy recovery.Key words natural gas pressure energy;recovery potential;benefit analysis天然气压力能作为天然气输配系统中附属能源，若能对其进行有效回收利用，对推进能源生产方式变革和碳减排具有十分重要意义。目前，天然气压力能利用形式中发电、制冷、液化天然气和冷库等技术较为成熟，以此研究天然气压力能回收利用方案更具应用价值和经济效益。本文提出了 一种利用透平膨胀机的天然气压力能发电及制冷方案，量化了压力能电能及冷能回收潜力。以天然气调压站常规参数值为基础，探析了天然气管网压力能回收利用的经济效益和减排效益，并采用净现值法和增量静态投资回收期验证所提方案经济可行性。1 压力能回收利用方案天然气管网压力能回收利用形式的基本原理：高压天然气经过膨胀机以代替传统节流阀调压，压力和温度均降低，天然气绝热膨胀，将压力能转化为机械能，带动发电设备以产生电能；同时膨胀后的天然气携带大量冷能，可通过冷媒装置进行回收，从而实现对压力能的回收利用。本文以天然气调压站为基础，增设透平膨胀机、发电装置和冷媒装置等压力能回收设备，形成一种采用透平膨胀机的普适性管网天然气压力能发电及制冷方案。天然气调压站通常由预处理（脱水和脱碳）装置、预热装置及节流阀构成。在天然气传输过程中，为保证天然气品质，预处理装置将上游管网天然气中水分和二氧化碳进一步去除；预热装置对天然气进行升温，以避免调压后管网内部在低温状态下产生霜冻或甲烷水合物，致使阀门和管道堵塞，同时气源温度的上升能够提高天然气压力能膨胀发电效率；经过预处理和预热过程的高温高压天然气利用透平膨胀机降压，以替代节流阀，压力和温度均降低的天然气绝热膨胀，将压力能转化为机械能，带动发电装置以产生电能；由于透平膨胀机降压温度下降梯度比节流阀大，需要冷媒装置回收冷能的同时对低温天然气进行加热，以使其温度达到下游管网天然气温度输送标准；为避免压力能回收利用装置出现故障无法正常运行，将节流阀作为备用调压装置，以保障下游管网天然气正常供应。2 压力能回收潜力分析管网天然气压力能膨胀发电量与制冷量是衡量管网天然气压力能回收利用潜力的关键参数。为直观量化本文所提出管网天然气压力能回收利用方案的压力能回收潜力，以某调压站参数为例，估算压力能回收利用系统的发电量与制冷量。某调压站参数：上游管网天然气平均流量为10万 Nm3/h，进口天然气压力为 5MPa，出口天然气压力为1.4MPa，膨胀机入口天然气温度为20。天然气压力能回收装置初步估算设备造价为透平膨胀发电机组 2000 万元、冷能回收装置400万元和其他附属设备300 万元，总体投资成本为 2700 万元，年运行费用以总造价 2%计算。2.1 压力能膨胀发电量从理论角度出发，透平膨胀机与发电机联合做功与天然气压力能之间的关系如公式(1)所示。(1)式中 EE-透平膨胀机与发电机联合出力，即压力能膨胀发电量，kW；Q-天然气流量，Nm3/h；-天然气密度，kg/m3；cp-天然气质量等压比热容，kJ/(kgK)；T1-入口天然气温度，K；P1和P2-进/出口天然气压力，MPa；f-天然气绝热指数，取值 1.309；E-透平膨胀机效率，取值 0.8；g-发电机效率，取值 0.8。732.2 压力能可回收制冷量根据热力学计算法，压力能可回收制冷量与天然气参数之间的关系如公式(2)、公式（3）所示。(2)式中 EC-冷媒装置回收冷能，即压力能膨胀可回收制冷量，kJ；cp1-天然气恒压比热容，取值 2.223kJ/(kgK)；T2-膨胀降压后的天然气温度，K；n-绝热非定熵方程指数，取值1.26。根据调压站参数，天然气温度为 20，天然气流量为 1105Nm3/h，天然气压力由 5MPa 降至 1.4MPa，由公式(1)计算可得，天然气调压站压力能膨胀发电量为2345.93kW/h；由公式(2)计算可得，天然气调压站压力能可回收制冷量为 1.48106kJ/h。由以上计算可知，天然气管网在运输过程中调压所浪费的压力能是非常多的，压力能回收利用的潜力非常大。3 效益分析3.1 压力能可回收制冷量3.1.1 经济效益若按照工业电价为 0.8 元/kWh 计算，即相当于 0.22元/MJ，若以常规制冷机组得到同样冷量折算冷价，取制冷系数为 3 进行计算，即冷价为 0.073 元/MJ。在上述压力能膨胀发电量和可回收制冷量计算的基础上，天然气调压站以每年运行 300d 计算，每年可回收电能的收益为1.351107元，每年可回收冷能的收益为 7.777105元，调压站压力能回收利用总体年收益为1.429107元。3.1.2 减排效益采用折算标准为1kWh电量相当于0.35kg标准煤耗，节约1kg标准煤相当于减排2.493kg二氧化碳，即减排 0.68kg碳。在上述压力能膨胀发电量和可回收制冷量计算的基础上，调压站压力能回收利用系统每小时发电量和制冷量可替代标准煤 964.96kg，减少二氧化碳排放量 2405.66kg，减排656.18kg 碳。3.2 可行性分析采用净现值法（Net Present Value，NPV）对管网天然气压力能回收利用方案经济性进行分析，该方案 NPV与投资成本及收益关系如公式(4)所示，若 NPV值为正值，则表示该方案具有可行性，否则不可行。(4)式中 NPV-净现值；(CI-CO)j-第j年的净现金流量;CO-现金流出;CI-现金流入;m-项目寿命年限，取值为 20；i0-基准折现率，取值 10%。据上述参数分析，可得压力能回收系统 NPV 值曲线图如图1所示。由图1可得在第 4 年压力能回收系统 NPV值为正，管网天然气压力能回收利用方案具有可行的经济性。由压力能回收利用系统设备投资成本、系统年总效益和系统年运行成本可得，该系统的增量静态投资回收期为1.96a。通过对天然气管网调压站的压力能回收方案进行效益分析表明，管网天然气压力能回收利用系统总体年收益为1.429107元，每小时可减排 656.18kg 碳，具有可观的经济效益和良好的减排效果；该系统 NPV值为正，增量静态投资回收期为1.96a，投资回收期短，可见天然气调压站压力能发电及制冷方式是一种较为理想的回收利用方式，具有一定的可行性和有效性。图 1 压力能回收系统 NPV 值曲线图4 结语天然气调压站增设透平膨胀机、发电装置和冷媒装置等压力能回收装置，可有效解决天然气压力能大量浪费的问题；天然气管网压力能回收利用具有巨大的潜力，在本方案中压力能膨胀发电量为 2345.93kWh，及制冷量为1.48106kJ/h；考虑天然气压力能发电及制冷压力能回收利用方案的经济效益和减排效益可观，净现值为正，投资回收期短，可实现绿色能源供给，实现节能减排及提高能源利用率，满足天然气产业经济性与环保性的双重要求。参考文献1 王忠平,崔爽,樊倩,等.天然气管网压力能回收利用研究 J.煤气与热力,2020,40(01):14-16+44-45.2 罗涛,田晓江,刘敏,等.高压管网天然气压力能利用系统技术经济性 J.煤气与热力,2020,40(01):10-13+31+44.作者简介冯雅婷（1995-）,女,四川乐山人,硕士,2020 年毕业于西南石油大学控制科学与工程专业,高校教师。