天然气是我国能源转型的重要桥梁，对实现“碳达峰”“碳中和”目标有重要意义，未来天然气消费将持续增长[1-3]。根据2017年到2022年天然气产量统计，我国天然气年产量从1 480×108 m3逐年增长至2 201×108 m3。天然气在运输过程中进行调压时，大量的天然气压力能被浪费[4-6]。天然气差压发电作为利用天然气压力能发电的一种工艺，能有效地将天然气差压能转化为电能，从而有效利用天然气差压资源[7]。
迄今为止，天然气管网压力能利用已经有了30多年的历史。2003年，日本东京电力公司最先利用天然气差压进行发电，建立了世界上第一座天然气差压发电小型发电站。2008年，北美Ebridge Inc和Fuel Cell Energy Inc将透平膨胀机技术与燃料电池系统组合在一起形成DFC-ERG系统，并将其成功应用于加拿大安大略省多伦多市的天然气门站[8]。2013年，王金燕等分析了天然气输配系统压力能损失的回收方式及应用方向，提出了采用螺杆膨胀机将高压天然气的压力能转化为机械能进行发电的工艺方案，并且探讨了螺杆膨胀机的关键技术及技术优势[9]。2018年，王尧等阐述了天然气差压发电原理、关键设备及工艺流程，分析了调压站差压发电用于CNG生产的方案，估算了项目产生的经济效益[10]。2019年，中国石油西南油气田公司天然气净化总厂针对降压调节大多采用阀门节流，在节流过程中其动能、势能未得到合理利用的现象，提出了利用天然气在降压降温过程中的差压能及热能驱动透平膨胀机做功，并将其转化为机械能，从而带动发电机发电，实现能量转换[11-12]。
基于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)差压发电项目，介绍差压发电工艺流程，分析不同膨胀机组优缺点，在此基础上设计搭建整套差压发电装置，并从技术、经济以及环保角度验证天然气差压发电项目可行性，为天然气净化行业后续新能源建设项目提供技术支撑。
天然气净化主要是将上游开采出的原料气进行预处理，随后经过脱硫、脱水装置，除去原料气中的凝析油、H2S、CO2、固体杂质和水分，生产出合格的产品天然气，供给下游用户。工艺流程如图 1所示。
引进分厂现阶段产品气流量大多在100×104 m3/d以上，在天然气净化及场站配送过程中，天然气压力会根据工艺要求进行降压调节。目前的降压调节方式大多是采用阀门调节，在阀门调节前后，差压(即产品气出口压力与下游管网之间的压力降)可达0.5~2.0 MPa，这部分压力降所产生的动能以及势能暂未得到合理的利用。
引进分厂设计天然气处理装置共3套，分别为400×104 m3/d、200×104 m3/d和80×104 m3/d处理装置各1套。其中，400×104 m3/d处理装置和200×104 m3/d处理装置满足差压发电条件从而并入发电装置。目前，引进分厂产品气流量在200×104 m3/d左右，产品气出口压力与下游管网之间的差压在1.2 MPa左右。经实验论证，采用膨胀机代替调压阀降压，可对浪费的压力能进行回收利用。产品气通过膨胀机降压膨胀，将压力能转化为高速转子的机械能，高速转子经齿轮箱(即减速箱)，将机械能传递给同步发电机，完成压力能向电能的转换，电能输出至净化厂内部电网(差压发电装置生产的电能不足以满足全厂用电需求时，将通过原国家电网进行补电)，降低对国家电网的用电需求，差压发电装置工艺流程如图 2所示。
天然气差压发电系统一般由膨胀机组、润滑系统、减速系统、密封系统、发电机组、复热系统等构成。其中，膨胀机组和发电机组是天然气差压发电的关键设备。膨胀机组将天然气的压力能转化为机械能，发电机组把机械能转换为电能。其中，发电机组已经是标准化产品，非常成熟；而膨胀机组的研发还在不断发展和改进中，因此，其性能直接决定着整个发电项目的效率。
考虑到引进分厂现场设备空间布局的局限性以及上下游差压限制等情况，在设计过程中采用单级膨胀差压发电工艺(图 3)，即在整个工艺流程中天然气只发生一次膨胀。
从宏观角度分析，膨胀机可划分为活塞式膨胀机和透平式膨胀机两大类。其中，活塞式膨胀机又被称为容积型膨胀机，透平式膨胀机也被称为速度型膨胀机[13-14]。
活塞式膨胀机通过有效利用工质在可变容积中进行的膨胀做功以实现其功能。工质在可变容积中的膨胀做功，一方面降低了工质本身的内能，可实现冷量制取的目的；另一方面，气缸内的工质推动活塞对外做功，可达到能量转换、输出外功的目的[15-17]。这类容积型膨胀机主要适用于高压、小流量、高膨胀比的工况。活塞式膨胀机体积相对庞大，且机械传动结构较复杂，加之机械磨损部件、操作维护复杂等问题导致了其在工程应用中相对受限。
透平式膨胀机(图 4)的工作原理则是利用工质在流道中流动时的速度变化来实现能量转换。流道中工质流动时的速度变化源于工质在透平膨胀机通流部分中的膨胀及后期扩压。其中，膨胀期间内能转换为动能，推动工作轮对外输出做功，工质速度下降。这类速度型膨胀机通常转速高，适用于中高压、大流量以及工质初温较低的工况。相对于活塞式膨胀机，透平式膨胀机具有体积小、质量轻、占地面积小，结构简单、易损件少、制造维修工作量小，气流无脉动、振动小、连续工作周期长、工质无污染、调节性能好、效率高、操作维护方便等诸多优势，在实际工程中应用广泛。
综上所述，活塞式膨胀机多适用于中、高压及小流量工况，而低、中压及相对大流量的工况则多采用透平式工况膨胀机。但两者因机理及结构差异而造就的领域应用局限也正在逐渐消失。随着透平式膨胀机自身的绝对优势以及透平技术的快速发展，适用于中、高压、小流量、高膨胀比工况的透平膨胀机也有越来越多的应用，可见，透平式膨胀机主流优势明显。
考虑到引进分厂生产装置密集，能用空地较小，引进分厂产品气流量约为200×104 m3/d的情况，透平式膨胀机能适用于大流量等条件，且相较于活塞式膨胀机，其单位时间等熵转换效率较高，故引进分厂差压发电装置膨胀机宜采用透平式。
对于透平式膨胀机，密封与轴承是主要的易损部件，又因为工质是易燃易爆的产品天然气，这就对膨胀机的密封性能提出了更高的要求。目前，在输送介质为产品气的透平式膨胀机中，常用的密封型式有3种：
(1) 碳环密封：适用于低压工况(压力一般低于1.0 MPa)，转速高，可靠性较高，密封功耗小，氮气消耗量大，成本较低。
(2) 接触式机械密封：适用于中低压工况(压力一般低于2.0 MPa)，转速低，可靠性不高，密封功耗大，需要配备专门的密封油系统，成本适中。
(3) 非接触式机械密封(即干气密封)：适合各种工况(压力可以超过3.0 MPa)，转速高，可靠性高，氮气消耗量小，成本高。
天然气降压工况中，入口压力一般较高，大部分工况下都超过1.0 MPa，所以碳环密封不合适。在中压工况下，流量在50 000 m3/h以下时，都可以采用接触式机械密封。而对于3.0 MPa以上的高压工况，必须选用干气密封。必要时还需要配置串联型干气密封，结构原理如图 5所示。
该密封结构的优点是安全性、可靠性较高，既可使工艺介质泄漏至大气中的量极少，同时也可保证密封引入的外部气源(通常为氮气)不会内漏入工艺介质中；缺点是会有少量工艺气外泄至大气中，且需要火炬条件。
引进分厂上游压力(入口压力)一般在4.5 MPa左右，下游管网压力(出口压力)一般在3.2 MPa左右，单日产品气量为200×104 m3，故差压发电装置密封系统宜选用干气密封。
引进分厂差压发电装置于2020年建成(图 6)，其设计产品气进口、出口压力分别为4.61 MPa、3.40 MPa，产品气进口温度为38 ℃，产品气量为230×104 m3/d，透平膨胀机高速轴转速为18 000 r/min，设计发电量约为每小时523 kW·h，每年约418×104 kW·h。
2021年9月9日，差压发电装置经过停车检修、调试后再次启运，截至2021年10月7日，累计运行684 h，共发电220 170 kW·h，平均发电量322 kW·h；2021年10月8日-2022年5月9日，累计运行4 508 h，共发电156×104 kW·h，平均发电量为346.1 kW·h，具体运行状态参数见表 1。
由此预计差压发电系统每年可发电量约为260×104 kW·h，按1 kW·h电0.6元可计算预估，除去装置日常维护费用(即联锁系统定期排障、干气密封管线紧固以及降噪隔音板更换等)和大修装置保养费用(即润滑油更换以及膨胀机组轴承、叶轮、喷嘴检查更换等)，每年可节约油气生产成本65万元左右。
对比设计发电量和实际发电量可知，在实际运行过程中，除了摩擦、节流和环境温差换热等外界因素的影响存在，还有工况变化对发电效率产生影响，下面将从产品气流量、出口温度、进口压力等方面对装置性能的影响进行分析。
差压发电过程本质是产品气在膨胀机内部的一个类似等熵膨胀的过程。高压产品气进入膨胀机，通过调节喷嘴开度来调控产品气进气量，从而控制高速转轴转速，根据热力学第一定律可知，等熵膨胀过程中的技术功为：
式中：Wt为天然气等熵膨胀过程的技术功，J；H1为产品气进口焓值，J；H2为产品气出口焓值，J；cp为天然气等压比热容，kJ/(kg·K)；T1为进口产品气温度，K；T2为出口产品气温度，K；p1为进口产品气压力，MPa；p2为出口产品气压力，MPa；k为产品气绝热系数。
由此可以推导出透平膨胀机的输出功率为：
式中：P为膨胀机输出功率，kW；ηT为膨胀机效率，%; ηG为发电机效率，%; Q为产品气质量流量，kg/h。
产品气的质量流量由引进分厂产品气气量230×104 m3/d换算得到约为7.871 04 kg/h，各参数值见表 2。本研究主要研究不同差压比以及不同产品气进口温度对差压发电装置发电性能的影响，故在比较过程中采用单一变量法，以确保数据结果的准确性和可靠性。
得到不同产品气进口温度下的透平膨胀机理论输出功率和出口温度的数值情况，如图 7、图 8所示。由图 7可知，在压力比(1.349)不变的情况下，透平膨胀机的输出功率随着产品气进口温度的提高而逐渐上升，并呈类似线性关系，故在进行天然气差压发电时，可考虑在产品气进口段安装预热器，对产品气进行预热从而在一定程度上有效提高发电机发电效率，最大限度上利用差压发电优势，创造更好的经济效益。由图 8可知，随着产品气进口温度的提升，产品气出口温度也呈线性上升，所以在对产品气预热的同时，也应使出口产品气进入下游管网的温度满足许可温度(即产品气在下游进行集输管道运输时应满足的工艺温度)的要求。
不同产品气进出口压力比下的透平膨胀机理论功率和出口温度数值情况如图 9、图 10所示。
由图 9可知，在产品气进口温度(311 K)不变的情况下，透平膨胀机的输出功率随着进出口压力比的增大而增加，且膨胀机输出功率在低压力比时的增长率高于高压力比时的增长率，故在进口温度一定时，可通过调整上下游管网压力比值来调节发电机发电功率。由图 10可知，在产品气进口温度(311 K)不变的情况下，产品气出口温度随着进出口压力比的增大而减小，且产品气出口温度在低压力比时的减小率高于高压力比的减小率，结合图 8，在提高发电机发电效率的同时(即提高压力比时)，应考虑到产品气出口温度满足许可温度的要求。
上述分析了对差压发电装置发电性能影响最大的参数变量(产品气进口温度和产品气进出口压力比)，但除去这两个参数变量，透平膨胀机内损失(即膨胀机等熵效率发生了比较显著的变化)也是影响差压发电装置发电效率的重要因素，见表 4。
综上所述，在差压发电装置发电效率下降时，除考虑增加预热器调节产品气进口温度、增大产品气进出口压力比外，还应分析得到透平膨胀机内损失也是影响差压发电装置发电效率的关键因素，应在发电效率降低的情况下及时停运差压发电装置并对关键性零部件(如喷嘴、叶轮以及轴承等)进行更换，并调整相应部件之间的间隙(轴承间隙、叶轮与壳体间隙、密封件间隙等)。
对天然气差压发电装置的工艺流程及整体结构设计进行了介绍，优选差压发电系统关键设备，例如：膨胀机、密封装置以及润滑设备；从产品气进口温度、进出口压力比以及透平膨胀机内损失几方面分析了引进分厂差压发电系统性能变化影响因素，通过数据对比，总结得到以下结论：
(1) 进出口压力比不变，产品气进口温度升高，透平膨胀机输出功率增大，出口温度升高，并具有类似线性关系，在满足出口许可温度的条件下，可通过在产品气进口端增设预热器以提高进口产品气温度，从而提高发电效率。
(2) 产品气进口温度不变，进出口压力比增大，透平膨胀机输出功率增大、出口温度降低，并具有一定的抛物线关系，在满足出口许可温度的条件下，可适当增大进出口压力比，从而提高发电效率。
(3) 除产品气进口温度和进出口压力比值会造成差压发电系统性能变化，透平膨胀机内损失同样会造成影响，主要可分为：喷嘴损失、工作轮损失、余速损失、轮背摩擦鼓风损失、内泄漏损失以及外泄漏损失。
综上，本研究可为天然气差压发电工艺的方案设计提供参考，也为差压发电性能优化及关键设备选型提供方向，对天然气差压发电技术的推广具有重要意义，可在实现企业效益最大化的同时，为未来绿色能源发展提供理论和实践基础。
2023, Vol. 52 Issue (3): 46-51 2023, Vol. 52 Issue (3): 46-51