天然气在化石能源中有清洁、高效、低污染等特点[1-2]，在等发热量情况下，其碳排放比煤炭减少约45%[3]，因而其在世界能源中的地位日益提升。天然气在生产、输配过程中，大多采用阀门节流进行调压处理[4]，但在调压过程中，天然气的压力能完全消耗在克服节流阀及调压阀的流动阻力上，未得到有效利用，导致大量的压力能损失[5-7]。由于天然气节流调压点多、面广，生产及输配过程中的余压资源回收利用的空间非常大，若将损失的压力能回收用于发电，年发电量可高达数百亿千瓦[8]。余压发电技术不仅可以有效解决天然气调压过程中产生的管道振动、噪声和急速降温产生冰堵等问题[9-11]，还是提高资源利用率的有效途径。该技术将是未来节能减排领域的重要举措，若得以应用，既可以减轻资源短缺问题，还可以减少环境污染[12]。
2017年，中国石油西南油气田公司开展了天然气余压发电节能改造项目，膨胀压差发电机组年综合节能量折合标准煤超800 t/a[13]。王尧等[14]对某天然气高压管网中调压门站的透平膨胀机发电效益进行了评估，每年项目节电量为150×104 kW·h。朱力洋等[15]对地下储气库压差发电进行了研究，经计算发电量每年为611×104 kW·h。
《碳排放权交易管理办法(试行)》规定国家核证自愿减排量(Chinese certified emission reduction，CCER)是指对我国境内可再生能源、林业碳汇、甲烷利用等项目的温室气体减排效果进行量化核证，并在国家温室气体自愿减排交易注册登记系统中登记的温室气体减排量。CCER作为配额的一种补充机制，企业可以使用CCER抵消碳排放配额的清缴，比例不超过自身应清缴配额的5%。CCER实质上是减排和节能的联合载体，既是碳资产，又蕴含着节能[16]。为此，本研究以中国石油西南油气田公司天然气净化总厂引进分厂(以下简称引进分厂)余压发电项目为例，根据国家发改委备案的CCER方法学CMS-025-V01废能(废气/废热/废压)回收利用，分析了天然气余压发电项目温室气体的减排潜力，为气田余压发电开发CCER项目奠定基础，对推动余压发电技术长期可持续发展也具有重要意义。
引进分厂在脱除原料天然气中的硫化氢和水生产合格的商品天然气时，产品天然气压力与下游管网之间存在1 MPa左右的压差[17]。天然气余压发电项目利用该压差进行发电，所发电力用于净化厂生产，其使用的工艺为向心透平膨胀机发电工艺，这是天然气余压发电技术在净化厂的首次工业应用。发电时，从引进分厂脱水单元来的产品天然气，通过并联管路进入余压发电装置。在余压发电橇中的高压天然气通过膨胀机降压膨胀，输出的机械能通过同轴变速箱带动发电机将机械能转换成电能。降压膨胀后的天然气进入下游外输管网。设计用于余压发电的天然气流量为230×104 m3/d，透平膨胀发电机额定功率为710 kW。透平膨胀发电机参数见表 1~表 2。该项目设计了3种运行工况，随着气田开采程度的增加，天然气处理量和入口压力逐渐降低，如表 3所列。
本研究采用国家发改委公布的CCER方法学，利用小型项目方法学CMS-025-V01废能回收利用，计算天然气净化厂余压发电项目的温室气体排放量。该方法学适用于利用现有设施的废能及废能承载介质流转化为有用能量的项目活动，如热电联产、发电、直接工业用途、供热、产生机械能，且之前废能未被回收。适用范围满足该项目条件的，利用CMS-025-V01方法学进行减排量估算具有可行性。
该方法学的适用条件：在项目活动实施前，没有相关法规要求回收和/或利用废能；废能所转化的有用能量可在工业设施内使用，也可输送到项目边界内的其他工业设施；在一些运行条件下(如紧急事件、设施关停等)排放的承载介质流，在减排量计算中不予考虑；项目活动中产生的电力可输送至电网，也可自用；项目仅使用余压发电，且由余压所发电量可测。项目边界范围应包括项目设施和接收设施有关的废能媒介流、设备和能源分配系统，如图 1所示。
基准线情景是假设未实施项目的情况下，所有现实可信的替代情景中最可能的情景。基准线替代情景的确定应该包括所有符合所在国家地方法律法规的、能够提供与本项目相似服务的、真实可靠的替代方案。根据式(1)计算基准线情景下项目温室气体排放总量。
式中：BEy为第y年基准线情景排放量，t CO2/a；fcap为用来确定在项目第y年使用历史水平的废能所产生的能量因子，以使用第y年废能来源所产生的总能量所占的比例来表示，如果在项目第y年所产生的废能等于或小于历史水平，比值为1；fwcm为通过使用废能在项目活动中产生电量所占的比例，如果纯粹利用废能发电，比例为1；EGi, j, y为第y年供给用户j的电量，MW·h/a；EFelec, i, j, y为第y年电力源i的二氧化碳排放因子，CO2/(MW·h)，根据项目所在地情况，选用华中电网排放因子0.572 05 t CO2/(MW·h)。
项目排放量是指在项目参与方控制范围内、数量可观、并可合理归因于CCER项目活动的所有温室气体排放源。根据式(2)计算项目情景下项目温室气体排放总量。
式中：PEy为第y年的项目情景排放量，t CO2/a；PEAF, y为用来增补废气/余热的辅助燃料的燃烧导致的排放量，t CO2/a；PEEL, y为项目活动中因清洗废气在其用来发电之前产生的电力消耗和其他辅助电力消耗导致的排放量，t CO2/a。
项目的温室气体减排量等于基准线情景下的温室气体排放量减去项目情景下的温室气体排放量。计算公式见式(3)。
式中：ERy为第y年的减排量，t CO2/a；BEy为第y年基准线情景排放量，t CO2/a；PEy为第y年的项目情景排放量，t CO2/a。
透平膨胀发电机发电量计算公式见式(4)。
式中：W为每小时膨胀透平发电机发电量，kW·h；G为天然气流量，kg/s；ΔHi为单位体积天然气等熵焓降，kJ/kg；ηt为膨胀机效率，%，取0.6；ηg为发电机效率，%，取0.96。
在理想气体状态下，天然气等熵焓降的计算见式(5)。
式中：ΔH为天然气等熵焓降，kJ/kg；Cp为天然气质量等压比热容，kJ/(kg·K)，取2.2；T1为天然气入口温度，K；p1为天然气入口压力，MPa；p2为天然气出口压力，MPa；K为天然气等熵指数，取1.3。
经计算，引进分厂透平膨胀发电机理论年发电量时间按8 000 h计算，其理论年发电量见表 4。
根据表 4可知，工况1的发电量高于工况2和工况3。结合表 3可知，天然气余压发电量与天然气处理量、天然气入口温度呈正比，与天然气入口压力与出口压力的比值呈正相关。天然气入口压力与出口压力的比值对余压发电量的影响最大，其次是天然气处理量与天然气入口温度对余压发电量的影响。
项目采用的透平膨胀发电机需要有润滑泵、排风扇、PLC控制柜等来辅助运行，每年需要消耗电力3.79 MW·h，由此计算得出项目情景下温室气体排放量为2.17 t CO2/a。根据上述描述的方法和提供的参数，计算得出该项目温室气体年减排量，如表 5所列。
在项目情景中温室气体排放量一定的情况下，基准线情景下温室气体排放量与余压发电量呈正相关。该项目在3种工况下，随着年发电量的增加，温室气体减排量均呈上升趋势，年减排量为1 063~2 393 t/a。
(1) 根据项目工况不同，温室气体减排量存在差异，预计该项目的温室气体减排量为1 063~2 393 t/a。由于未进行现场监测，本研究所述温室气体减排量数据为理论计算值，实际减排量需通过监测数据计算。
(2) 天然气余压发电量与天然气处理量、天然气入口温度呈正比，与天然气入口压力与出口压力的比值呈正相关，且天然气入口压力与出口压力的比值对余压发电量的影响大于天然气处理量与天然气入口温度的影响。在项目情景中温室气体排放量一定的情况下，温室气体减排量与天然气余压发电量呈正相关，年发电量越大，温室气体减排量越高。
(3) 天然气余压发电技术不仅可为企业节约电能，降低温室气体排放量，开发成为CCER项目，还可以通过碳交易市场进行交易，为企业提供额外收益。在国家双碳背景下，推广应用天然气余压发电技术，不仅具有重要的节能环保意义，而且还可以提高企业形象及品牌竞争力。
2023, Vol. 52 Issue (1): 50-53 2023, Vol. 52 Issue (1): 50-53