基於天然氣壓力能與冷能發電系統的理論分析
作者：嚴斌，沈立龍，龐燕梅，馬鴻敬
第一作者單位：馬鞍山港華燃氣有限公司
摘自《煤氣與熱力》2016年10月刊
1概述
天然氣需求量的急劇增長推動了天然氣行業的發展，截至2014年底，我國已經建成天然氣輸送管道8.5×104km。我國西氣東輸二線的設計壓力達12 MPa。高壓天然氣輸送至城市天然氣門站後，需要根據下游用戶的供氣壓力要求，通過調壓器調壓後再供給用戶使用。傳統的調壓器調壓方式造成大量的壓力能損失，並且調壓後天然氣溫度過低，一般需要調壓前預熱。
本文運用壓力能發電技術和有機朗肯循環發電技術，通過螺桿膨脹機替代調壓器，回收天然氣膨脹過程中產生的壓力能和衍生的冷能進行發電，從而達到提高能源利用率的目的，同時改善天然氣管道運行的經濟性。
2天然氣壓力能與衍生冷能發電技術
2.1天然氣壓力能發電技術
天然氣管網壓力能發電技術的基本原理是利用膨脹機替代調壓器回收高壓天然氣膨脹時釋放的壓力能，將其用於驅動發電機發電。天然氣壓力能發電技術主要包括直接膨脹發電、二次媒體發電、聯合發電等方式。
Shen D M等人［1］設計了一種天然氣管網壓力能直接膨脹發電的工藝，天然氣直接膨脹發電流程見圖1。管網中的高壓天然氣通過透平膨脹機膨脹，溫度、壓力降低，透平膨脹機帶動發電機將機械能轉化為電能。膨脹後的天然氣溫度較低，需經加熱器加熱升溫後進入中壓天然氣管網。熱源可採用空氣或海水，也可以採用其他熱源。
圖1天然氣直接膨脹發電流程
另一種方法是預熱天然氣以保證膨脹後的天然氣溫度達℃以上，避免水蒸氣凝結現象出現。姜小敏等人［2］設計用內燃機的餘熱將天然氣加熱到40～200℃，加熱後的天然氣膨脹帶動發電機發電，同時燃燒部分膨脹後的天然氣進行發電。
王松嶺等人［3］提出回收天然氣管網壓力能的燃氣-蒸汽聯合循環系統，該系統高壓天然氣膨脹做功帶動壓氣機工作，膨脹後的低溫天然氣冷卻壓氣機進氣和汽輪機排氣，最後低溫天然氣在餘熱回收器回收排煙餘熱。這個系統不僅充分回收天然氣的壓力能和冷能，還提高了蒸汽聯合循環的循環效率，提升了能源的綜合利用效率。
2.2有機朗肯循環低溫發電技術
有機朗肯循環低溫發電技術利用低沸點有機工質在低溫熱源加熱下能產生較高壓力的蒸氣進入膨脹機膨脹做功，相比於水蒸氣餘熱發電技術，有機朗肯循環技術能夠取得較高的能量利用效率，在低溫餘熱或者更廣泛意義上的低品位熱能發電方面有顯著的優點和廣闊的應用前景。
王補宣等人［4-5］從理論推導方面對低溫餘熱動力回收進行了研究。顧偉等人［6］針對低於100℃的低溫驅動熱源，分析計算了採用不同循環工質時的系統性能，得出在綜合考慮環保、循環性能等因素時，R245fa是較為理想的循環工質。天津大學熱能研究所在1987年成功研製出了我國第一台汽液兩相地熱發電雙螺桿膨脹機小型試驗裝置。此後，天津大學繼續對雙螺桿膨脹機的性能、調節方法、設計、加工及組裝技術進行了系統的理論和試驗研究，並於20世紀90年代初，進行了相當於400 kW機型的汽液兩相雙螺桿膨脹機工業性試驗研究並獲得成功［7］。陳信鑫［8］對低溫螺桿雙循環發電系統進行了實驗研究及優化設計，分析了蒸發溫度、冷凝溫度、膨脹比、螺桿轉速等因素對發電系統的影響。
3天然氣壓力能發電系統分析
3.1天然氣壓力能發電系統熱力學分析
天然氣壓力能發電系統是基於高壓流體等熵膨脹對外做功的原理，利用高壓天然氣進入膨脹機膨脹做功，驅動發電機發電。發電系統的核心設備為膨脹機，膨脹機膨脹過程p-v圖見圖2，膨脹機膨脹過程h-s圖見圖3（圖2、3中p1、p2分別為膨脹前、後的壓力）。天然氣壓力能發電系統可視為理想氣體穩態穩流開口系統［9］，過程為絕熱過程。
圖2膨脹機膨脹過程p-v圖
圖3膨脹機膨脹過程h-s圖
3.2系統發電量及發電效率的影響因素
影響系統發電量及發電效率的因素主要有天然氣組成、質量流量、進口溫度、進出口壓力、膨脹機的性能、潤滑系統以及系統各設備之間的匹配情況。
天然氣的組成
天然氣是多組分混合物，主要成分是烷烴，其中甲烷占多數，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般有硫化氫、二氧化碳、氮氣、水蒸氣和少量一氧化碳及微量的稀有氣體，如氦和氬等。天然氣在送到最終用戶之前，為檢測是否泄漏，還需要添加硫醇、四氫噻吩等。天然氣的組成不同，會引起相應的焓?不同，從而在同一初始熱力狀態下，工質膨脹焓降不同，最終系統發電量也會相應變化。
質量流量
工質焓?與質量流量成正比，工質質量流量越大，焓?越大，表示可利用功越多。對於某一特定組成的天然氣而言，當其他參數一定時，系統整體發電量隨著質量流量的增大而線性增長。因此，在實際工程條件允許的情況下，加大天然氣質量流量對提升系統發電量有顯著效果。
進口溫度
天然氣進口溫度越高，焓?也越大，膨脹過程焓降隨著進口溫度的升高而變大，從而膨脹機輸出功率增加，發電量與輸出功率成線性關係，隨之相應變化。
進出口壓力
天然氣進口壓力越高、出口壓力越低，工質膨脹比越大，焓降越大，可利用能越大。由此可知，在發電系統承壓範圍內，應儘可能提升天然氣進口壓力。而膨脹機實際出口壓力多取決於出口背壓。容積型膨脹機設計進排氣口時需要考慮內容積比，而內容積比決定了運行過程中是否存在欠膨脹或過膨脹現象［10］。欠膨脹是指膨脹機膨脹終了壓力高於出口背壓，過膨脹是指膨脹機膨脹終了壓力低於出口背壓。不論是欠膨脹或過膨脹都會削弱膨脹機的做功能力。
膨脹機性能
膨脹機是壓力能發電系統的核心，其性能的優劣直接影響發電系統的整體發電效率。其影響因素主要有膨脹機類型、結構膨脹比、等熵效率、轉速等。
a. 膨脹機類型
按照能量轉換方式不同，膨脹機可分為速度型和容積型。速度型膨脹機主要有向心透平、軸流透平等，其基本原理是利用噴嘴和葉輪將高壓氣體工質轉化成高速流體，然後再將高速流體的動能轉變為旋轉機械的軸功輸出，適用於流量大、負荷穩定的場合。容積型膨脹機主要有活塞式膨脹機、渦旋式膨脹機、螺桿膨脹機等，工作原理是利用膨脹腔容積的變化實現氣體的膨脹，對外做功。適用於流量小、負荷變化大的場合。
b. 結構膨脹比
結構膨脹比是由膨脹機結構決定的，不受外界環境影響，不同類型及型號的膨脹機，結構膨脹比不同。對於同一工質而言，在一定的進口壓力和出口背壓及質量流量下，工質膨脹過程的理論焓降隨著結構膨脹比的增大呈現先增大後減小的趨勢，即對於某一特定工況，存在最佳結構膨脹比，使膨脹機回收功最大。在實際工藝中，根據管網壓差要求，選取合適的膨脹機，其結構膨脹比儘可能靠近最佳值，避免欠膨脹或過膨脹造成的能量損失。
c. 等熵效率
等熵膨脹過程的輸出功最大，但實際膨脹過程中往往由於摩擦、泄漏、傳熱溫差等不可逆因素，無法實現等熵膨脹。不同類型的膨脹機等熵效率不同，系統發電量及發電效率與膨脹機的等熵效率成線性關係，選擇等熵效率較高的膨脹機對系統發電效率提升有很大幫助。
d.轉速
膨脹機轉速對系統的發電量具有雙重作用。一方面，膨脹機轉速影響膨脹機的工質質量流量，從而間接影響系統發電量。提高轉速後，工質質量流量變大，系統發電量隨之增大。而另一方面，膨脹機自身轉動需要消耗一部分能量，轉速越高，消耗量越大。兩方面因素綜合作用，使膨脹機工作時存在最佳轉速，此時整體發電量最大。在實際運行中，結合工藝要求，儘可能實現最佳轉速運行［11-13］。
4有機朗肯循環冷能發電系統分析
4.1天然氣降壓後產生冷能的影響因素分析
降壓設備
高壓天然氣輸送至終端用戶，需要經過多級降壓，在降壓的同時天然氣溫度也會降低，使天然氣成為一種低溫介質，為需要冷能的工藝或系統提供利用的可能性。傳統工藝採用節流閥（調壓器可以看作節流閥的一種）節流降壓，其結構簡單，便於調節，缺點是降壓過程?損大。用膨脹機代替節流閥，可以回收天然氣的壓力能，在此對比節流閥和膨脹機降壓後的溫度變化。
設定相同的天然氣進口參數、出口壓力及環境溫度，節流閥和膨脹機的膨脹熱力過程見圖4。高壓天然氣由狀態1點膨脹，1-2s為理想等熵膨脹過程，1-2a為膨脹機膨脹過程，1-2b為節流閥節流過程。
圖4節流閥和膨脹機的熱力過程
節流過程中，流體快速流過狹窄斷面，來不及與外界換熱也沒有功量的傳遞，可以近似認為絕熱節流。若忽略流體進出口界面的動能、位能變化，則節流前後焓相等。因此，高壓天然氣經節流閥的膨脹降壓過程可近似視為絕熱等焓過程。需注意的是，在節流過程中，焓並不是處處相等，僅是進出口焓相等。
環境溫度
設定環境絕對壓力為0.1 MPa，高壓天然氣從10 MPa降至0.4 MPa，輸送溫度為20℃，天然氣壓力降產生的冷?受環境溫度影響，其變化規律與溫度相關，隨著環境溫度的升高，天然氣壓力降產生的冷?增大。
膨脹比
天然氣膨脹後溫度與膨脹比相關。設定環境溫度為25 ℃，天然氣輸送溫度為20℃，用戶壓力為0.4 MPa，不同膨脹比對冷?的影響呈線性相關。當其他參數一定時，膨脹比越大，膨脹後的天然氣溫度越低，產生的冷能也越多。
4.2有機朗肯循環冷能發電系統理論分析
有機朗肯循環冷能發電系統原理
有機朗肯循環冷能發電系統工作原理見圖5。與低溫發電系統不同之處在於，低溫發電系統以回收低品位餘熱為主，冷源採用自然冷源；而冷能發電系統以回收冷能為主，熱源採用自然熱源。
圖5有機朗肯循環冷能發電系統工作原理
低沸點有機工質由狀態點2（2s）進入蒸發器中吸熱蒸發，變為飽和或過熱蒸氣的狀態點5，高壓有機工質進入膨脹機膨脹做功，驅動發電機發電，膨脹後的乏氣6（6s）進入冷凝器中，吸收天然氣冷能冷凝為液態狀態點1，再由工質循環泵加壓到蒸發壓力下的過冷液體狀態點2（2s），進入蒸發器中吸熱，完成一個循環。整個循環過程可簡單概括為工質增壓、工質吸熱、膨脹做功、工質冷凝4個過程。有機朗肯循環冷能發電系統溫熵圖見圖6。
圖6有機朗肯循環冷能發電系統溫熵圖
圖6中，流程1-2s-3-4-5-6s-1表示的是有機朗肯循環的理想循環過程，路徑1-2-3-4-5-6-1表示的是有機朗肯循環的理論循環過程。理想循環過程包括兩個等壓過程和兩個等熵過程，而由於傳熱溫差、摩擦作用等不可逆因素的存在，理論循環中將1-2s及5-6s等熵過程變成了1-2及5-6的熵增過程。
有機朗肯循環發電系統的影響因素分析
a.蒸發壓力
根據T-s圖及熱力學分析可知，吸熱量及膨脹機輸出功隨著蒸發壓力的升高而增加，但是吸熱量增加幅度低於輸出功的增加幅度。傳統水蒸氣朗肯循環中，循環泵所做的功遠小於蒸汽輪機輸出功，一般可忽略不計。但在有機朗肯循環中，循環泵消耗功率占系統輸出功率比例遠大於水蒸氣朗肯循環，不可忽略。循環泵消耗功率隨著蒸發壓力的升高呈線性增加，且其所佔比例也隨著蒸發壓力的升高而增加。此外，從熱力學第一定律分析，蒸發壓力越高，熱力學第一定律效率越大，當蒸發壓力超過某壓力時，熱力學第一定律效率增加的速度逐漸放緩，這主要是由於循環泵的耗功量的不斷增加，從這一角度說明，應儘可能採用較高的蒸發壓力，提高系統的效率。然而，需要注意的是，蒸發壓力的提升受到一些因素的限制，包括熱源溫度、工質臨界參數、泵消耗功率、設備的承壓力能力等。
b.冷凝壓力
冷凝壓力的高低直接決定膨脹機出口的背壓，冷凝壓力越低，膨脹機出口的背壓越低，膨脹機的膨脹比越大，有機工質在膨脹機內膨脹越充分，焓降越大，輸出功越多。另一方面，冷凝壓力降低使蒸發器入口的有機工質溫度降低，系統吸熱量增加。此外，冷凝溫度與冷凝壓力成正相關，冷凝溫度降低，使得系統對熱源溫度的要求有所降低，從而拓寬了發電系統熱源的選擇範圍。
冷凝壓力的確定還需要考慮冷源形式及流量、冷凝器類型等因素，應儘可能使冷凝壓力大於環境壓力，否則負壓會使系統的密封難以實現。本文中冷源是高壓天然氣膨脹後的冷能，系統設計時需要根據產生冷量及天然氣輸送溫度確定冷凝壓力。
c.膨脹機性能
膨脹機性能對有機朗肯循環發電系統的影響與壓力能發電系統相近，在系統設計時應儘可能選擇等熵效率高、結構膨脹比匹配的膨脹機，以便提升系統發電效率。
d. 有機工質
有機工質作為做功介質，對系統發電效率有著直接的影響。選擇工質時，一方面需要考慮冷熱源溫度範圍，即工質的飽和性質須符合熱源溫度及冷源溫度的要求。另一方面，工質的乾濕性不同，影響發電系統的熱力過程不同，從而對系統發電效率產生不同的結果。
依據工質在溫熵圖上飽和蒸氣線的斜率不同，有機工質可分為乾性工質、濕性工質和絕熱工質。乾性工質主要有R245fa、R123、R113、R114、R600a等，濕性工質有R134a、R22、NH3、H2O等。
5結論
通過對壓力能與衍生冷能發電系統進行熱力學分析，指出系統發電量及發電效率的影響因素。壓力能發電系統中，在一定環境狀態下，進口壓力及溫度影響工質的焓?，且呈正相關，增大進口壓力或溫度，膨脹機完全膨脹輸出功率變大，有利於提升系統發電量。速度型膨脹機適合大流量穩定工況，容積型膨脹機適合小流量變工況。在儘可能選擇高等熵效率的膨脹機的同時，進出口膨脹比應接近膨脹機自身結構膨脹比，否則會出現欠膨脹或過膨脹現象。
對有機朗肯循環冷能發電系統，分析天然氣降壓後產生冷能的影響因素，工質質量流量與系統發電量呈線性關係，工質組成不同影響系統發電效率。對節流閥和膨脹機進行了熱力學分析及比較，結果顯示，膨脹機的?損小，溫降幅度大。環境溫度及膨脹比影響膨脹後天然氣冷?，環境溫度越高，膨脹比越大，天然氣的冷?越多。有機朗肯循環應用於冷能發電，需要考慮蒸發壓力及溫度、冷凝壓力及溫度，選擇合適的有機工質及膨脹機。
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