摘要：天然氣以高壓方式通過長輸管道輸送到終端用戶后，通常需要通過調壓設備進行降壓處理，以便與用氣設施匹配。國內外的現實情況是，調壓過程中天然氣內蘊含的巨大壓力能不僅被白白浪費掉，而且還因為急劇降溫對調壓及管道設備運行安全構成威脅。研究壓力能回收利用技術，將其用于發電、冷庫、冷水空調、制冰、滑冰場、空氣分離、干冰生產、橡膠深冷粉碎以及天然氣輕烴分離等領域。節能效果顯著，同時可消除生產過程產生的噪音和設備安全隱患，經濟、社會效益都將十分可觀，市場推廣應用前景廣闊，對于提高能源利用效率、促進循環經濟發展有著重要的現實意義。
關鍵詞：天然氣；壓力能；冷能；回收利用
1 引言
天然氣一般通過管道以高壓形式輸送[1]，但到達終端用戶時往往又需要進行降壓處理。如果能夠將降壓過程中這部分壓力能轉換成冷能加以回收利用，無疑可以產生顯著的經濟和社會效益，意義深遠而重大。
計算結果表明，輸送壓力為10MPa的高壓天然氣降壓至0.4MPa時，能夠回收的最大壓力火用為400kJ/kg以上。以此推算，一個300億m3/a規模的輸氣項目，一年可以回收的壓力能可達近2億kwh的電力，節能效果是顯著的。
2 高壓管道天然氣壓力能轉換成冷能的技術
將高壓天然氣降壓過程中的壓力能轉換為冷能的技術有很多種，核心設備是透平膨脹機、氣波制冷機、渦流管、射流管、脈動管、激流泵等，工作原理各不相同，其中傳統的透平膨脹機使用最為普遍[2]，先進的氣波制冷機應用技術則發展最快。透平膨脹機可以同時利用高壓天然氣在膨脹過程中由于體積增加而產生的機械能和氣體膨脹后溫度降低所得到的低溫冷能；而氣波制冷機則主要是利用高壓天然氣膨脹后溫度降低所得到的低溫冷能。
2.1 透平膨脹機回收壓力能制冷技術
高壓天然氣在透平膨脹機的靜噴嘴環流道內降壓提速。射入動葉柵流道再流出，出入口動量矩的改變使氣流對葉柵做功，氣流的動能降低，滯止焓下降，達到對外做功和制冷的目的。透平膨脹機用于天然氣壓力能制冷時的效率較高，可以達到70%～80%。但不足之處是結構特別是潤滑系統復雜，制造成本高；操作維修難度大；變工況適應性差，當進口氣體流量變化超過±20%時，將會顯著影響膨脹機的制冷效率。該技術只適合用于天然氣負荷比較穩定的工況。
2.2 渦流管回收壓力能制冷技術
渦流管是一種結構簡單的能量分離裝置。高壓氣流在渦流管內高速旋轉時，經過渦流變換后分離成總溫不相等的兩部分氣流，處于中心部位的氣流溫度低，而處于外層部位的氣流溫度高，調節冷熱流比例。可以得到最佳制冷效應或制熱效應，產生高溫和低溫兩種氣流。
進口氣體的壓力是渦流管工作的唯一動力源，膨脹比增加，在相同的冷流率下，渦流管的制冷溫度效應顯著增加。
渦流管沒有運動部件。重量輕，體積小。具有結構簡單、操作方便、運行安全可靠、造價低廉的優勢。但制冷效率比較低，且受進口氣體壓力、流量的影響比較大，只能用于一些特定的場合。
2.3 氣波制冷機回收壓力能制冷技術
氣波制冷機是利用氣體的壓力能產生激波和膨脹波使氣體降溫的一種制冷設備，又稱壓力波制冷機或熱分離機[3]。它在制冷工藝中的作用與透平膨脹機、節流閥一樣，熱力過程則與膨脹機相似，靠氣體的等熵膨脹過程獲得低溫。與膨脹機不同之處在于，它是以氣波(激波、膨脹波)為主要工作元件的機器。其主要特點如下：
① 制冷效率高達75%，不需外部動力驅動，節能效果明顯。
② 設備投資低。
③ 制冷部分無運動部件，且具有較強的兩相流侵蝕的能力，對氣體在機器內發生的液化現象不敏感，允許帶液率最高達50%，適用于在氣體冷卻過程中會出現氣液兩相流的工況。
④ 對進口高壓氣體的組成、流量、壓力及膨脹比的變化有較強的適應性，特性曲線平坦，允許操作工況變化范圍大，適用的膨脹比范圍廣，不需要儀表控制。該工藝用于天然氣制冷的適用條件為：進氣壓力范圍為0.6MPa～30.0MPa，流量范圍為1.0～40.0×104m3/d，膨脹比范圍為2～7。
通過對上述3種不同的設備用于回收天然氣壓力能進行制冷的技術進行分析后得知，氣波制冷機的技術特征比較符合天然氣調壓站的特點，它在天然氣負荷大范圍波動時能夠像普通節流閥一樣調節而不影響制冷性能，且初始投資少，運行可靠性較高，是一種較有前景的回收天然氣壓力能制冷技術。
3 回收天然氣壓力能用作冷庫
由高壓天然氣壓力能轉換而回收得來的冷能，可用于橡膠深冷粉碎、冷庫、空氣分離、冷水空調、制冰、滑冰場、干冰生產等領域[4]。以現有技術成熟度以及和市場推廣應用前景情況來看，將該部分冷能用于冷庫中代替電力制冷是一項較實用的投資少、見效快的利用途徑，具有明顯的優勢。
以某城市一個天然氣調壓站為例。該站天然氣處理量為100萬m3/d，進站壓力5.0MPa，出站0.4MPa，站址附近具有建設冷庫的條件，站內建筑物夏季具有用冷需求。通過技術工藝路線比較，選擇氣波制冷機作為壓力能/冷能轉換設備。冷能通過冷媒分別供應冷庫和站內建筑物空調系統，其工藝流程如圖1所示。
由圖1可知，冷能獲取部分設在調壓站內，建設有壓力能/冷能轉換及相關的換熱設備、工藝管線等，氣波制冷機既是壓力能/冷能轉換設備，又執行調壓功能。為穩妥起見，保留了一套傳統的調壓設備作為備用；調壓站外是冷能利用部分，即冷庫和空調用戶，通過冷媒管線與調壓站設備相連。按照相關要求，冷庫可設在距調壓站3km的范圍內。此外，為了平衡天然氣負荷與用冷設備需求間的矛盾，可設置蓄冷裝置用于冷能儲存。
按照該調壓站的壓比及天然氣處理量規模，所回收的全部冷能可配套建設一座4000m2規模的中型冷庫。冷庫內分-25℃深冷庫、-18℃中冷庫和-5℃冷藏庫三部分。冷水空調系統直接用于調壓站自身辦公樓，也可外輸至附近冷能用戶。
3.1 流程說明
3.1.1正常工況
5.0MPa、初溫20℃的高壓天然氣進入氣波制冷機后，出口壓力降至O.5MPa、溫度降至-58℃，再進入換熱器-1與冷媒R134換熱，其出口溫度升至5℃、壓力降至0.4MPa后進入天然氣中壓管網。
進入換熱器-1的冷媒R134，被低溫天然氣冷卻至-50℃送入冷庫與冷庫內部的二次冷媒換熱，升溫至-15℃后再進入換熱器-2與冷水空調冷媒水換熱，升溫至6℃回到換熱器-1中。完成一次循環過程。
冷庫內的二次冷媒為乙二醇水溶液，溫度約為-40℃左右，依次進入-25℃、-18℃、-5℃冷庫后，升溫至-13℃左右再與來至換熱器-1的低溫冷媒R134換熱。
冷水空調系統的冷媒為水介質，在換熱器-2中溫度降至5℃通過冷水空調輸送管道供應用戶，升溫至14℃回到換熱器-2內再進行下一個循環過程。
3.1.2異常工況
氣波制冷機故障或冷能利用系統停運時，高壓天然氣通過傳統的調壓設備減壓至0.4MPa后進入天然氣中壓管網。
3.1.3亢余系統
當冷媒循環系統停運或某些冷能用戶停用時，利用常溫水加熱降壓后的低溫天然氣，替代冷能用戶建立系統新的能量平衡。比如，通過消防水供應系統，消防水池初溫20℃，回水溫度在10℃左右。
3.2 主要工藝技術參數
3.2.1原料天然氣
進站壓力5.0MPa、初始溫度20℃、出站壓力0.4MPa、溫度5℃，流量100萬m3/d。
3.2.2冷媒
一次冷媒R134，流量46000kg/h；
冷庫二次冷媒(60%乙二醇水溶液)初溫-13℃，末溫-40℃，流量18000kg/h；
冷水空調二次冷媒(水)初溫14℃，末溫5℃，流量2680kg/h。
3.3 項目投資
整個項目投資測算為：站內設備的投資約為180萬元；站外設備總投資約為680萬元(含設備購置、安裝、調試及廠房、道路、土建等費用)，不含征地費用。
3.4 收益分析
測算表明，一個處理量為100萬m3/d的天然氣調壓站，其壓力能所轉換成的冷能可供應4000m2規模的冷庫，年經濟收入可達420萬元/a以上，直接經濟效益約為200萬元/a。
4 結語
高壓天然氣壓力能與生俱來，是名副其實的無價之寶，回收后用于冷庫代替電力制冷，可產生顯著的環保及社會效益。
在城市燃氣調壓站以氣波制冷機獲取冷能并加以利用是一項新型的壓力能利用技術[5]。盡管氣波制冷機作為壓力能與冷能的轉換設備已經開始應用于天然氣上游開采環節的凈化處理流程，但在調壓站內使用、且要替代傳統調壓器功能尚屬新鮮事物，還有不少具體技術工作要做。從氣波制冷機在其它領域的使用效果以及調壓站、冷庫的工藝要求方面分析，該項技術在工程上實施是具有可行性的，市場推廣應用前景廣闊。
參考文獻
1 羅東曉.實施全國天然氣管網大聯通的戰略構想[J]天然氣工業，2006，10：139-141.
2 熊永強，華賁，羅東曉.用于燃氣調峰和輕烴回收的管道天然氣液化流程[J]天然氣工業，2006.5：130-132.
3 熊永強，華賁，羅東曉等.天然氣管網壓力能用于廢舊橡膠粉碎的制冷裝置[J]現代化工，2007.1：49-52.
4 杜琳琳，羅東曉，徐文東.冷庫利用液化天然氣冷能的技術研究[J]天然氣工業，2007.6：115-117.
5 喬武康，李靜，張德坤，羅東曉.利用天然氣壓力能的方法.中國發明專利，200810026979.4.公開日期2008.08.20.
(本文作者：羅東曉 新奧燃氣控股有限公司 065001)
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