摘要：為了節(jié)省天然氣輸送過程中的管線投資，一般長距離輸氣管線的天然氣輸送壓力很高。但高壓天然氣在進入城市燃氣輸配管網前，需要進行降壓處理，降壓過程中的壓力損失，實際上是能量損失，這一過程會導致天然氣的溫度顯著下降，產生大量高品質的冷能。本文通過對于采用透平膨脹機進行降壓的過程建立數(shù)學分析模型，論述了通過膨脹進行降壓時高壓天然氣產生的冷能的計算方法，并對不同降壓梯度的冷能大小進行了評估。同時，對經過透平膨脹機膨脹降壓后天然氣的溫度的計算方法也進行了分析和改進，為充分利用天然氣降壓過程產生的冷能提供了量的計算基礎。

關鍵詞：高壓天然氣；冷能；分析；熱力學計算；焓熵圖

High-pressure Natural Gas

Abstract：Generally speaking，the pressure of long-distant natural gas pipeline are very high for the purpose of saving the pipeline investment in the process of natural gas transportation. But the high-pressure natural gas has to experience pressure reduction before entering into the city gas transmission and distribution network，the pressure loss is actually the energy loss，in this process，the temperature of natural gas would be significantly dropped，and produced a large number of high-quality cold energy. The calculation method of cold energy from high-pressure natural gas that produced in the process of depressurization is discussed and the cold energy among different depressurization gradients are evaluated by establishing a exergy mathematical model for the process of adopting the turbo-expander to reduce the pressure. Meanwhile，the calculation method of the temperature of natural gas after depressurization by the turbo-expander expansion is also be analyzed and improved，it provides a quantity basis for taking full advantage of cold energy.

Key words：high-pressure natural gas：cold energy；exergy analysis；thermodynamic calculation；enthalpy-entropy diagram

　天然氣是一種高效的清潔能源，近年來，它在一次能源消費中的比例不斷提高，并成為繼煤和石油之后的第三大能源形式。同時，我國也加快了天然氣輸氣管網的建設。由于采2用高壓輸氣可以減小輸送管道的管徑，從而節(jié)省管材和施工費用，故當前世界上天然氣的長輸管道均采用高壓輸送，國外長輸管道的輸送壓力多數(shù)都在10MPa以上。目前，我國管道天然氣的長途輸送，也大多采用高壓管輸?shù)姆绞?，如已經投入使用的西氣東輸一線管道的輸氣壓力就達到了10MPa^[1～4]。

　通過高壓管線將天然氣輸送到用氣地區(qū)的城市門站后，需用調壓裝置調壓后才能進入城市輸氣管網供給用戶使用^[5、6]。且由于降壓過程引起的天然氣低溫使其對后續(xù)的管道系統(tǒng)構成了潛在的運行風險^[7]。

　降壓過程中天然氣的低溫效應實際上已經使其成為了一種低溫介質，這對于需要冷能的工藝或者系統(tǒng)提供了利用的可能。如果要充分有效的利用冷能，在用調壓器進行降壓的工藝過程中是很難實現(xiàn)的，因為傳統(tǒng)的降壓方法是利用節(jié)流原理進行降壓的，這導致降壓過程中傭損較大，造成了巨大的能量損失^[8、9]。

　有效回收冷能的設備可以采用透平膨脹機^[8～10]。透平膨脹機是一種膨脹降壓、回收能量的關鍵設備，它是利用工質流動時速度的變化來進行能量轉換的。如果采用透平膨脹機來實現(xiàn)降壓過程，高壓天然氣經膨脹降壓后溫度顯著下降，可產生大量高品質的冷能，而冷能的大小便是其是否具有利用價值的關鍵參數(shù)。如果能準確地分析此過程中天然氣冷能的變化情況，那么這將為合理回收和利用天然氣冷能提供可靠的科學依據。

　是某種能量在理論上能夠可逆地轉換為功的最大數(shù)量，稱為該能量中具有的可用能^[11]。下面利用分析法建立數(shù)學模型對其進行分析。

　從熱力學角度看，天然氣管道可以看成一種開口系統(tǒng)。天然氣經節(jié)流或作等熵膨脹過程中的可表示為某壓力條件下熱不平衡引起的溫度與某溫度條件下力不平衡引起的壓力之和^[11]，即

e_s,h=e_x,T+e_x,p    (1)

式中e_s,h——天然氣的比焓，kJ/kg

    e_x,T——天然氣的比溫度，kJ/kg

    e_x,p——天然氣的比壓力，kJ/kg

　天然氣在從環(huán)境溫度降低到溫度T的過程中，其比溫度為^[11]：

 

式中T₀——環(huán)境溫度，K

       T——狀態(tài)變化后的天然氣溫度，K

        P₁——狀態(tài)變化前的天然氣絕對壓力，MPa

        C_p——天然氣的比定壓熱容，kJ/(kg·k)

比壓力相當于天然氣等溫流動時由于膨脹所作的技術功^[11]，即

 

式中P₂——狀態(tài)變化后的天然氣絕對壓力，MPa

       v——天然氣的比體積，m³/kg

        R_g——甲烷摩爾氣體常數(shù)，一般取0.518kJ/(kg·k)

　由式(2)可知，要想求出高壓天然氣膨脹降壓過程中產生的冷能的大小，就必須求出經透平膨脹機膨脹降壓后天然氣的溫度，下面來具體分析它的確定方法。

　2.2.1 熱力學計算法

　從工程熱力學可知，對于理想氣體在絕熱等熵膨脹時，它的膨脹過程可以用下述簡單的指數(shù)方程來表示^[12]：

　pv^k=常數(shù)    (4)

　但是在實際的透平膨脹機中，膨脹工質偏離了理想氣體，因此上式就不再適用了。由于式(4)非常簡便，所以在實際的膨脹過程中常常仍采用上述指數(shù)方程的形式，但同時又考慮實際氣體和流動損失的影響。對于實際氣體的絕熱非等熵膨脹過程，這個過程可以利用與多變過程相似的過程方程式，即^[13]：

pvⁿ=常數(shù)    (5)

其中

式中n——絕熱非等熵過程的指數(shù)

    k——比熱容比，甲烷一般取1.29^[12]

    φ——透平膨脹機的速度系數(shù)

由式(6)求出絕熱非等熵過程的指數(shù)n后，便可由下式算出膨脹降壓后天然氣的溫度^[12]：

 

    式中T₁——透平膨脹機進口氣體溫度，K

        T₂——透平膨脹機出口氣體溫度，K

　2.2.2 焓熵圖法

　在透平膨脹機中，標志能量轉換過程完善程度的指標就是效率。從理論上來說，膨脹工質在給定的進、出口條件下可能實現(xiàn)的最大比焓降應為等熵比焓降△hs，因此等熵比焓降是一個比較的標準。透平膨脹機進、出口實際比焓降△h與等熵比焓降之比稱為等熵效率^[14]：

 

　式中η_s——透平膨脹機等熵效率

        h₁——透平膨脹機進口天然氣的比焓，kJ/kg

        h₂——透平膨脹機出口天然氣的比焓，kJ/kg

        h₃——天然氣在透平膨脹機中作等熵膨脹后的比焓，kJ/kg

　根據天然氣進入透平膨脹機前的狀態(tài)參數(shù)T₁、P₁，可以從甲烷的焓熵圖^[15]中讀出h₁、h_s的值，若給定透平膨脹機的等熵效率，則由式(8)可求出透平膨脹機出口天然氣的比焓h₂，而透平膨脹機出口天然氣的壓力P₂是確定的，由h₂和P₂的值就可以在焓熵圖上確定透平膨脹機出口氣體溫度T₂的值。

　用熱力學計算法計算膨脹降壓后天然氣的溫度以及膨脹降壓產生的冷能。

　為了簡化計算，假定天然氣全部由甲烷構成，取環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境壓力(絕對壓力)為0.1MPa，天然氣輸送溫度為20℃，天然氣的比定壓熱容c_p取為2.223kJ/(kg·k)，透平膨脹機的速度系數(shù)為O.96。則此時絕熱非等熵過程的指數(shù)n為：

 

　如果輸氣管道壓力(相對壓力)P₁為10MPa，此壓力與西氣東輸管道設計輸氣壓力相同，用戶端壓力(相對壓力P₂為0.4MPa，由式(5)計算得知天然氣(甲烷)經透平膨脹機膨脹降壓后的溫度降為

 

　則膨脹后天然氣比溫度可由式(2)計算出

　在不同的輸氣管道壓力下，當用戶端壓力相同時，膨脹降壓后的溫度不同，冷能也會不同。同理可計算出環(huán)境溫度為25℃，輸氣管道壓力(相對壓力)P₁分別為8MPa、6MPa、4MPa、2MPa時，天然氣(甲烷)經透平膨脹機膨脹降壓后的溫度以及比溫度，具體計算結果見表1。

　資料顯示，西氣東輸一線管道每年供氣120.0×10⁸m³，如果取O.1MPa，25℃時甲烷的密度為O.7192kg/m³，則管路中甲烷的質量流量為86.3×10⁸kg，以此為例，則每年可回收的冷能為1.07×10¹²kJ。取同樣的參數(shù)條件，則可以計算出國內部分陸上天然氣管道可回收的冷能。國內部分陸上天然氣管道情況及可回收的冷能見表2。

　若高壓天然氣膨脹降壓過程中產生的冷能能以100%的效率轉化為電能，則由表2可知，在文中所取的參數(shù)條件下，忠武線、陜呼線、陜京一線、澀寧蘭線、西氣東輸線可回收的冷能分別相當于7.94×10⁷、2.52×10⁷、3.5×10⁷、5.31×10⁷、2.97×10⁸kW·h的電能。

　本文建立數(shù)學模型對高壓天然氣在透平膨脹機中的膨脹降壓過程進行了分析，經計算得知降壓梯度越大，降壓后的溫度越低，所能回收利用的冷能就越大。隨著我國天然氣輸氣管網的不斷完善，越來越多的天然氣將通過高壓管網輸送給用戶，由此可知我國高壓天然氣降壓后產生的冷能的總量是非常大的，若能合理地回收利用這部分能量，將會收到可觀的經濟利益，對提高能源利用率以及節(jié)能環(huán)保都具有重大的現(xiàn)實意義。

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(本文作者：李靜靜 彭世尼 重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院)