摘 要：天然气差压发电系统其主要流程是高压天然气从进气管进入透平膨胀机，带动连接其发电系统运作后，从排气管排出进入低压管网，其主要问题是膨胀降压过程伴随着数十度甚至上百度的温降，需利用加热系统进行换热。以中石油某输气站为例简单介绍其经济性及工艺流程改造，主要对换热系统参数进行介绍。

关键词：换热；透平；流程

中图分类号：TU996 文献标识码：A

1 前言

天然气从井口输送至用户，输气过程中需要节流降压，若将其损失的压力用来推动发电机运行，可以提供一定的电力能源，其主要流程是高压天然气从进气管进入透平膨胀机，带动连接其的发电系统运作后，从排气管排出进入低压管网，其主要问题是膨胀降压过程伴随着数十度甚至上百度的温降，需利用加热系统进行换热。

2 降压发电系统

（1）发电系统

高压气体通过冲刷透平膨胀机叶轮的叶片使之高速旋转，带动发电机转子运动产生电能。

（2）换热系统

由于高压气体膨胀降压会产生温降造成输气管路的冰堵，在其进入透平机前有必要对其进行加热。由蒸汽锅炉、循环管道和换热器组成。

（3）旁通管路

在管道压力较低不能满足透平机最小压降比时，气体由传统的调压阀节流降压。

3 管理因素

（1）场地因素

站内必须有足够的场地容纳透平发电机组及其附属的控制、换热设备。

（2）环境条件

当地温度和气压条件对发电效率和透平膨胀机出口气体均有影响，温度越高，效能越低。

（3）入网条件

必须得到电力运行的准入许可；站场与输电管网的距离会影响入网连接成本，特别是需要安装输电线路和附属设备时（如变压器等），这些成本可能非常高昂，直接影响经济性。

4 经济合理性

由于各站场情况不同，需根据实际情况选择适合条件的站场进行改造，现以中石油某输气站为例。该站具有将813来气降压输至南川、九宫庙的功能，813进站压力3.94MPa，南川出站压力1.99MPa，平均每秒输气量7.29m3，九宫庙出站压力1.27MPa，平均每秒输气量7.41m3，按照L=ρV△HiηTηg计算发电量 ，

L-透平发电机端的出力（kW）；

ηT-透平机效率，取0.82；

ηg-发电机效率，取0.95；

V-天然气体积流量（m3/s），分别取7.29和7.41；

ρ-天然气的密度（kg/m3），取0.71；

△Hi-天然气高压端与低压端之间的绝热焓降（kJ/kg），Hi=Cp×T1×[1-（P2/P1）（k-1）/k]；

Cp-天然气质量等压比热[kJ/（kg.K）]，取2.533；

T1-天然气入口温度（K），取293.15；

P1-天然气入口压力（MPa），取3.94；

P2-天然气出口压力（MPa），分别取1.99和1.27；

K-天然气的绝热指数，取1.3。

通过计算得出每月可产生827313kW·h的电量。

5 工艺流程改造

在二级调压阀前、计量装置后设置分支管道，连接透平发电机组，其前后分别设置闸阀、调压阀，透平发电机组运行时闸阀打开，其前调压阀将压力稳定至发电工作的最佳值，气流经过换热器加热后进入透平机带动发电机运行，其后调压阀控制进入低压管道的气流压力，当气压不够支持机组运行时，闸阀关闭，气流从旁通的调压阀通过。

透平机功率在100kW-500kW范围内选择，发电机功率在80kW-400kW范围内选择，调压阀选择与站内工艺相同的型号FLA-SRS/100×250，公称通径DN100/250，公称压力6.3MPa，连接管道的直径为DN108×5。采用逆流式换热器计算换热面积，若发电前后压力由4MPa降到2MPa，流量每秒15m3，根据绝热膨胀温度公式：

T2=T1（p2/p1）（K-1）/K。

其中：

T2-天然气膨胀后的温度；

T1-天然气膨胀前的温度，取293K。

得出膨胀后温度为249K，即零下24℃，因此在发电前需将高压管道内的气体加热至344K，即71℃，

需要的热量通过公式：

Q=mc（T-T1）

式中：Q-需要的热量；

T-天然气需加热到的温度；

m-天然气每小时质量流量；

c-天然气定容比热容，取1.78kJ/（kg·℃）。

得出为3480505kJ/h。

锅炉中水蒸气的温度取493K，流量取5000kg/h，水蒸气的冷却后温度根据

Tw2= Tw1-Q/m0c0

式中：Tw2-水蒸汽冷却后温度；

Tw1-水蒸汽冷却前温度；

m0-水蒸汽质量流量；

c0-水蒸汽比热容，取4.19kJ/（kg·℃）。

得出为327K。

采用逆流式换热器，根据公式A=Q/3.6kΔt，

Δt=[（ T1- Tw2）-（ T2- Tw1）]/ln[（T1- Tw2）/（ T2- Tw1）]

式中：A-换热面积；

k-传热系数，取1140W/（m2·℃）。

得出换热面积为10.84m2。

结语

节能环保是降低生产成本，实现可持续发展的重要举措，以上主要从换热方面对差压发电的工艺参数进行了计算，由于接触差压发电的时间有限，本文只是简要对其实施进行了探讨。

参考文献

[1]信石玉，高文金，沈珍平.天然气降压发电系统研究综述[J].石油机械，2011（39）：124-126.

[2]逯景濤.关于天然气输送压差发电的分析[J].河南化工，2010（27）：33-34.