蔡波【论文精选】基于天然气压力能与冷能发电系统的理论分析-煤气与热力杂志
【论文精选】基于天然气压力能与冷能发电系统的理论分析-煤气与热力杂志
作者：严斌，沈立龙，庞燕梅，马鸿敬
第一作者单位：马鞍山港华燃气有限公司
摘自《煤气与热力》2016年10月刊
1概述
天然气需求量的急剧增长推动了天然气行业的发展mztkn，截至2014年底，我国已经建成天然气输送管道8.5×104km贾舒涵。我国西气东输二线的设计压力达12 MPa。高压天然气输送至城市天然气门站后，需要根据下游用户的供气压力要求，通过调压器调压后再供给用户使用。传统的调压器调压方式造成大量的压力能损失，并且调压后天然气温度过低，一般需要调压前预热。
本文运用压力能发电技术和有机朗肯循环发电技术，通过螺杆膨胀机替代调压器，回收天然气膨胀过程中产生的压力能和衍生的冷能进行发电，从而达到提高能源利用率的目的，同时改善天然气管道运行的经济性。
2 天然气压力能与衍生冷能发电技术
2.1 天然气压力能发电技术
天然气管网压力能发电技术的基本原理是利用膨胀机替代调压器回收高压天然气膨胀时释放的压力能，将其用于驱动发电机发电。天然气压力能发电技术主要包括直接膨胀发电、二次媒体发电、联合发电等方式。
Shen D M等人［1］设计了一种天然气管网压力能直接膨胀发电的工艺，天然气直接膨胀发电流程见图1。管网中的高压天然气通过透平膨胀机膨胀，温度、压力降低，透平膨胀机带动发电机将机械能转化为电能。膨胀后的天然气温度较低，需经加热器加热升温后进入中压天然气管网。热源可采用空气或海水，也可以采用其他热源地心毁灭。
图1 天然气直接膨胀发电流程
另一种方法是预热天然气以保证膨胀后的天然气温度达0 ℃以上，避免水蒸气凝结现象出现。姜小敏等人［2］设计用内燃机的余热将天然气加热到40～200 ℃星星舰队，加热后的天然气膨胀带动发电机发电，同时燃烧部分膨胀后的天然气进行发电。
王松岭等人［3］提出回收天然气管网压力能的燃气-蒸汽联合循环系统，该系统高压天然气膨胀做功带动压气机工作，膨胀后的低温天然气冷却压气机进气和汽轮机排气，最后低温天然气在余热回收器回收排烟余热。这个系统不仅充分回收天然气的压力能和冷能，还提高了蒸汽联合循环的循环效率，提升了能源的综合利用效率。
2.2有机朗肯循环低温发电技术
有机朗肯循环低温发电技术利用低沸点有机工质在低温热源加热下能产生较高压力的蒸气进入膨胀机膨胀做功，相比于水蒸气余热发电技术，有机朗肯循环技术能够取得较高的能量利用效率，在低温余热或者更广泛意义上的低品位热能发电方面有显著的优点和广阔的应用前景。
王补宣等人［4-5］从理论推导方面对低温余热动力回收进行了研究。顾伟等人［6］针对低于100 ℃的低温驱动热源，分析计算了采用不同循环工质时的系统性能，得出在综合考虑环保、循环性能等因素时，R245fa是较为理想的循环工质。天津大学热能研究所在1987年成功研制出了我国第一台汽液两相地热发电双螺杆膨胀机小型试验装置。此后，天津大学继续对双螺杆膨胀机的性能、调节方法、设计、加工及组装技术进行了系统的理论和试验研究，并于20世纪90年代初，进行了相当于400 kW机型的汽液两相双螺杆膨胀机工业性试验研究并获得成功［7］。陈信鑫［8］对低温螺杆双循环发电系统进行了实验研究及优化设计，分析了蒸发温度、冷凝温度、膨胀比、螺杆转速等因素对发电系统的影响。
3 天然气压力能发电系统分析
3.1 天然气压力能发电系统热力学分析
天然气压力能发电系统是基于高压流体等熵膨胀对外做功的原理，利用高压天然气进入膨胀机膨胀做功，驱动发电机发电。发电系统的核心设备为膨胀机阳彩臂金龟，膨胀机膨胀过程p-v图见图2，膨胀机膨胀过程h-s图见图3（图2、3中p1、p2分别为膨胀前、后的压力）。天然气压力能发电系统可视为理想气体稳态稳流开口系统［9］，过程为绝热过程。
图2 膨胀机膨胀过程p-v图
图3 膨胀机膨胀过程h-s图
3.2 系统发电量及发电效率的影响因素
影响系统发电量及发电效率的因素主要有天然气组成、质量流量、进口温度、进出口压力、膨胀机的性能、润滑系统以及系统各设备之间的匹配情况。
①天然气的组成
天然气是多组分混合物，主要成分是烷烃，其中甲烷占多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般有硫化氢、二氧化碳、氮气、水蒸气和少量一氧化碳及微量的稀有气体，如氦和氩等。天然气在送到最终用户之前，为检测是否泄漏，还需要添加硫醇、四氢噻吩等。天然气的组成不同，会引起相应的焓?不同，从而在同一初始热力状态下，工质膨胀焓降不同，最终系统发电量也会相应变化。
②质量流量
工质焓?与质量流量成正比，工质质量流量越大，焓?越大，表示可利用功越多。对于某一特定组成的天然气而言，当其他参数一定时，系统整体发电量随着质量流量的增大而线性增长。因此，在实际工程条件允许的情况下，加大天然气质量流量对提升系统发电量有显著效果。
③进口温度
天然气进口温度越高，焓?也越大，膨胀过程焓降随着进口温度的升高而变大，从而膨胀机输出功率增加，发电量与输出功率成线性关系，随之相应变化。
④进出口压力
天然气进口压力越高、出口压力越低，工质膨胀比越大，焓降越大，可利用能越大七煌五狼黑。由此可知，在发电系统承压范围内，应尽可能提升天然气进口压力。而膨胀机实际出口压力多取决于出口背压。容积型膨胀机设计进排气口时需要考虑内容积比，而内容积比决定了运行过程中是否存在欠膨胀或过膨胀现象［10］。欠膨胀是指膨胀机膨胀终了压力高于出口背压，过膨胀是指膨胀机膨胀终了压力低于出口背压。不论是欠膨胀或过膨胀都会削弱膨胀机的做功能力。
⑤膨胀机性能
膨胀机是压力能发电系统的核心，其性能的优劣直接影响发电系统的整体发电效率。其影响因素主要有膨胀机类型、结构膨胀比、等熵效率、转速等。
a. 膨胀机类型
按照能量转换方式不同，膨胀机可分为速度型和容积型。速度型膨胀机主要有向心透平、轴流透平等，其基本原理是利用喷嘴和叶轮将高压气体工质转化成高速流体，然后再将高速流体的动能转变为旋转机械的轴功输出，适用于流量大、负荷稳定的场合。容积型膨胀机主要有活塞式膨胀机、涡旋式膨胀机、螺杆膨胀机等，工作原理是利用膨胀腔容积的变化实现气体的膨胀，对外做功。适用于流量小、负荷变化大的场合。
b. 结构膨胀比
结构膨胀比是由膨胀机结构决定的，不受外界环境影响，不同类型及型号的膨胀机，结构膨胀比不同。对于同一工质而言，在一定的进口压力和出口背压及质量流量下，工质膨胀过程的理论焓降随着结构膨胀比的增大呈现先增大后减小的趋势，即对于某一特定工况，存在最佳结构膨胀比，使膨胀机回收功最大。在实际工艺中东方康派，根据管网压差要求，选取合适的膨胀机，其结构膨胀比尽可能靠近最佳值，避免欠膨胀或过膨胀造成的能量损失林天龙。
c. 等熵效率
等熵膨胀过程的输出功最大，但实际膨胀过程中往往由于摩擦、泄漏、传热温差等不可逆因素，无法实现等熵膨胀。不同类型的膨胀机等熵效率不同，系统发电量及发电效率与膨胀机的等熵效率成线性关系，选择等熵效率较高的膨胀机对系统发电效率提升有很大帮助。
d.转速
膨胀机转速对系统的发电量具有双重作用。一方面，膨胀机转速影响膨胀机的工质质量流量，从而间接影响系统发电量。提高转速后，工质质量流量变大，系统发电量随之增大。而另一方面，膨胀机自身转动需要消耗一部分能量，转速越高，消耗量越大。力学哥两方面因素综合作用，使膨胀机工作时存在最佳转速，此时整体发电量最大。在实际运行中，结合工艺要求，尽可能实现最佳转速运行［11-13］书本里的蚂蚁。
4 有机朗肯循环冷能发电系统分析
4.1 天然气降压后产生冷能的影响因素分析
①降压设备
高压天然气输送至终端用户，需要经过多级降压，在降压的同时天然气温度也会降低，使天然气成为一种低温介质，为需要冷能的工艺或系统提供利用的可能性。传统工艺采用节流阀（调压器可以看作节流阀的一种）节流降压，其结构简单，便于调节，缺点是降压过程?损大。用膨胀机代替节流阀，可以回收天然气的压力能，在此对比节流阀和膨胀机降压后的温度变化。
设定相同的天然气进口参数、出口压力及环境温度，节流阀和膨胀机的膨胀热力过程见图4。高压天然气由状态1点膨胀，1-2s为理想等熵膨胀过程，1-2a为膨胀机膨胀过程，1-2b为节流阀节流过程。
图4 节流阀和膨胀机的热力过程
节流过程中，流体快速流过狭窄断面，来不及与外界换热也没有功量的传递，可以近似认为绝热节流。若忽略流体进出口界面的动能、位能变化，则节流前后焓相等。因此，高压天然气经节流阀的膨胀降压过程可近似视为绝热等焓过程。需注意的是，在节流过程中，焓并不是处处相等，仅是进出口焓相等。
②环境温度
设定环境绝对压力为0.1 MPa，高压天然气从10 MPa降至0.4 MPa，输送温度为20 ℃，天然气压力降产生的冷?受环境温度影响，其变化规律与温度相关，随着环境温度的升高题谷网，天然气压力降产生的冷?增大。
③膨胀比
天然气膨胀后温度与膨胀比相关。设定环境温度为25 ℃，天然气输送温度为20 ℃，用户压力为0.4 MPa，不同膨胀比对冷?的影响呈线性相关。当其他参数一定时，膨胀比越大，膨胀后的天然气温度越低，产生的冷能也越多。
4.2 有机朗肯循环冷能发电系统理论分析
①有机朗肯循环冷能发电系统原理
有机朗肯循环冷能发电系统工作原理见图5。与低温发电系统不同之处在于，低温发电系统以回收低品位余热为主，冷源采用自然冷源；而冷能发电系统以回收冷能为主，热源采用自然热源。
图5 有机朗肯循环冷能发电系统工作原理
低沸点有机工质由状态点2（2s）进入蒸发器中吸热蒸发，变为饱和或过热蒸气的状态点5郭贤花，高压有机工质进入膨胀机膨胀做功老鸹撒，驱动发电机发电，膨胀后的乏气6（6s）进入冷凝器中，吸收天然气冷能冷凝为液态状态点1，再由工质循环泵加压到蒸发压力下的过冷液体状态点2（2s），进入蒸发器中吸热，完成一个循环蔡波。整个循环过程可简单概括为工质增压、工质吸热、膨胀做功、工质冷凝4个过程。有机朗肯循环冷能发电系统温熵图见图6。
图6 有机朗肯循环冷能发电系统温熵图
图6中，流程1-2s-3-4-5-6s-1表示的是有机朗肯循环的理想循环过程，路径1-2-3-4-5-6-1表示的是有机朗肯循环的理论循环过程。理想循环过程包括两个等压过程和两个等熵过程，而由于传热温差、摩擦作用等不可逆因素的存在，理论循环中将1-2s及5-6s等熵过程变成了1-2及5-6的熵增过程。
②有机朗肯循环发电系统的影响因素分析
a.蒸发压力
根据T-s图及热力学分析可知，吸热量及膨胀机输出功随着蒸发压力的升高而增加，但是吸热量增加幅度低于输出功的增加幅度。传统水蒸气朗肯循环中，循环泵所做的功远小于蒸汽轮机输出功灌南房产网，一般可忽略不计。但在有机朗肯循环中，循环泵消耗功率占系统输出功率比例远大于水蒸气朗肯循环，不可忽略三代鬼彻。循环泵消耗功率随着蒸发压力的升高呈线性增加，且其所占比例也随着蒸发压力的升高而增加。此外，从热力学第一定律分析，蒸发压力越高，热力学第一定律效率越大，当蒸发压力超过某压力时，热力学第一定律效率增加的速度逐渐放缓，这主要是由于循环泵的耗功量的不断增加，从这一角度说明，应尽可能采用较高的蒸发压力，提高系统的效率。然而，需要注意的是，蒸发压力的提升受到一些因素的限制，包括热源温度、工质临界参数、泵消耗功率、设备的承压力能力等。
b.冷凝压力
冷凝压力的高低直接决定膨胀机出口的背压，冷凝压力越低，膨胀机出口的背压越低，膨胀机的膨胀比越大，有机工质在膨胀机内膨胀越充分，焓降越大，输出功越多。另一方面，冷凝压力降低使蒸发器入口的有机工质温度降低，系统吸热量增加。此外，冷凝温度与冷凝压力成正相关，冷凝温度降低晶壁国度，使得系统对热源温度的要求有所降低，从而拓宽了发电系统热源的选择范围。
冷凝压力的确定还需要考虑冷源形式及流量、冷凝器类型等因素，应尽可能使冷凝压力大于环境压力，否则负压会使系统的密封难以实现。本文中冷源是高压天然气膨胀后的冷能，系统设计时需要根据产生冷量及天然气输送温度确定冷凝压力。
c.膨胀机性能
膨胀机性能对有机朗肯循环发电系统的影响与压力能发电系统相近，在系统设计时应尽可能选择等熵效率高、结构膨胀比匹配的膨胀机，以便提升系统发电效率。
d. 有机工质
有机工质作为做功介质，对系统发电效率有着直接的影响。选择工质时，一方面需要考虑冷热源温度范围惊世情仇，即工质的饱和性质须符合热源温度及冷源温度的要求。另一方面，工质的干湿性不同，影响发电系统的热力过程不同，从而对系统发电效率产生不同的结果。
依据工质在温熵图上饱和蒸气线的斜率不同，有机工质可分为干性工质、湿性工质和绝热工质。干性工质主要有R245fa、R123、R113、R114、R600a等，湿性工质有R134a、R22、NH3、H2O等。
5 结论
①通过对压力能与衍生冷能发电系统进行热力学分析，指出系统发电量及发电效率的影响因素。压力能发电系统中，在一定环境状态下，进口压力及温度影响工质的焓?，且呈正相关，增大进口压力或温度，膨胀机完全膨胀输出功率变大，有利于提升系统发电量。速度型膨胀机适合大流量稳定工况，容积型膨胀机适合小流量变工况。在尽可能选择高等熵效率的膨胀机的同时，进出口膨胀比应接近膨胀机自身结构膨胀比，否则会出现欠膨胀或过膨胀现象。
②对有机朗肯循环冷能发电系统，分析天然气降压后产生冷能的影响因素，工质质量流量与系统发电量呈线性关系，工质组成不同影响系统发电效率。对节流阀和膨胀机进行了热力学分析及比较，结果显示，膨胀机的?损朝阳爱房网小，温降幅度大。环境温度及膨胀比影响膨胀后天然气冷?，环境温度越高，膨胀比越大，天然气的冷?越多。有机朗肯循环应用于冷能发电，需要考虑蒸发压力及温度、冷凝压力及温度，选择合适的有机工质及膨胀机。
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