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空分設(shè)備在天然氣輸送工藝中余壓和冷量的回收利用

文檔作者：王曉東，王承陽(yáng)。楊東紅，王澤鑫，高佳兵，趙悅文檔來(lái)源：東北大學(xué)制冷與低溫工程研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月16日
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．——24．．——
節(jié)能
ENERGY CoNSERVATION
2011年第9期
(總第349期)
空分設(shè)備在天然氣輸送工藝中余壓和
冷量的回收利用
王曉東，王承陽(yáng)。楊東紅，王澤鑫，高佳兵，趙悅
(東北大學(xué)制冷與低溫工程研究所，遼寧沈陽(yáng)110819)
摘要：介紹在天然氣輸送過(guò)程中的管道余壓和LNG的冷量在空分上的利用，用熱力學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行
可行性研究，同時(shí)介紹利用余壓和冷量的空分流程：讓高壓天然氣逐級(jí)膨脹將壓力降到中壓后，產(chǎn)生
的冷量再通過(guò)空分的主換熱器，中壓再進(jìn)一步膨脹到低壓范圍后，產(chǎn)生的冷量補(bǔ)入空分的循環(huán)氮?dú)猓?
分析對(duì)比已有的利用LNG冷能的空分流程，指出由LNG冷能冷卻的氮外循環(huán)和主挾熱器制冷系統(tǒng)，
用來(lái)補(bǔ)充空分系統(tǒng)工藝中所需的冷量，以及由乙二醇為載冷劑把LNG殘余冷量帶入空分的空氣冷卻
系統(tǒng)較為合理。討論天然氣余壓和冷能回收實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：天然氣；余壓；LNG冷量；空分；利用
中圖分類號(hào)：TE832文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004—7948(2011)09—0024—05
doi：103969／j．issn．1004—7948．2011．09．00r7
引言
近年來(lái)全球天然氣的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，天
然氣已成為稀缺清潔資源，正在成為世界油氣工業(yè)
新的熱點(diǎn)。為保證能源供應(yīng)多元化和改善能源消
費(fèi)結(jié)構(gòu)，一些能源消費(fèi)大國(guó)越來(lái)越重視天然氣特別
是液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)的引
進(jìn)。
中國(guó)在“十二五”期間，工業(yè)化、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)
能減排等重大舉措，構(gòu)成了中國(guó)大規(guī)模利用天然氣
的歷史機(jī)遇。但在利用的同時(shí)，也要注重天然氣輸
送中的潛在的能源回收再利用。國(guó)外已有成功投
入到實(shí)際應(yīng)用中的案例，國(guó)內(nèi)對(duì)于天然氣在輸送終
端能量的回收利用不論是學(xué)術(shù)研究還是實(shí)際應(yīng)用
才剛剛起步。
1天然氣余壓在空分上的利用
在天然氣輸送工藝中，天然氣的輸送基本分為
兩種途徑：一是管道輸送，一是液化輸送。而當(dāng)前
世界上天然氣在內(nèi)陸地區(qū)采用長(zhǎng)途管道高壓運(yùn)輸，
西歐和北美地區(qū)的天然氣管道壓力普遍都在
10ma以上。我國(guó)西氣東輸、川氣東輸管道壓力
也都在10MPa左右。輸送的高壓天然氣經(jīng)調(diào)壓站
降至中壓后進(jìn)人城市燃?xì)夤艿?，再借助調(diào)壓站將壓
力降低至低壓后供用戶使用，通過(guò)降壓和節(jié)流裝置
后配氣站壓力在4MPa左右，而市政(如家用天然
氣)管道輸送出的天然氣壓力為0．23MPa左右，顯
然這么大的壓差靠節(jié)流是巨大的能源浪費(fèi)。如果
能回收天然氣氣管里的壓力能，對(duì)能源的回收利用
又是一大舉措【I西J。
1．1回收余壓基本原理和熱力學(xué)分析
由能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律可知，天然氣
管道是一個(gè)開(kāi)口系統(tǒng)，在理想情況下可把膨脹機(jī)看
作等熵膨脹的過(guò)程，膨脹過(guò)程熵增的關(guān)系式可表示
為：
’
ASl一2=qlnFl 2-RlnP_。L (1)
‘l rl
式中：AS。一2—?dú)怏w膨脹過(guò)程的熵增，J／(mol·K)；
e—?dú)怏w比定壓熱容，J／(mol·L)；
疋一膨脹后的氣體溫度，K；
L一膨脹前的氣體溫度，K；
R一摩爾氣體常數(shù)，J／(tool·K)；
尸：—?dú)怏w膨脹后的絕對(duì)壓力，MPa；
P，—?dú)怏w膨脹前的絕對(duì)壓力，MPa。
當(dāng)?shù)褥嘏蛎涍^(guò)程中△墨一：為零時(shí)，則式(1)變
形為：
瓦州爺(2)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2011年第9期
(總第349期)
節(jié)能
ENBRGY CoNSERVATION
由式(2)知當(dāng)中壓管網(wǎng)壓力P2一定時(shí)，高壓天
然氣膨脹的制冷溫度r主要受高壓管網(wǎng)壓力P。和
進(jìn)氣溫度瓦影響。由于在可逆情況下做功能力為
最大，此時(shí)的絕熱過(guò)程為等熵膨脹過(guò)程。因此火用差
即是等熵膨脹至出口壓力時(shí)的進(jìn)出口的焓之差，
即：
H，Ⅱ。=(hl—h2t)一To(sl—J2t)=h1一|}12t(3)
式中：^：。一等熵膨脹至出口壓力P：時(shí)的焓。
如果把天然氣看作理想氣體，則：
w一=h1一h2。=c，(L一瓦。)=cPL[1一
(絲)牛] (4)
’pl’
。
式中：瓦一透平進(jìn)口天然氣的熱力學(xué)溫度，K；
P．一透平進(jìn)口氣體的絕對(duì)壓力，MPa；
P2一透平出1：3氣體的絕對(duì)壓力，MPa；
c，一天然氣的定壓比熱容，kJ／(m3·K)； 盹體定熵指數(shù)，可取k=1．384。
由式(3)可見(jiàn)，透平膨脹機(jī)的天然氣進(jìn)口壓力
P，越大，它具有的做功能力越大。具體關(guān)系如圖
1、圖2所示。
7
的
一
●
：
霹
·R
邕
娶
回
IF
0．2 0．6 1．0 l，4 1．8 2．2 2．6 3．0
用戶入口壓力／MPa
圖1不同壓力下的最大可回收利用壓力能
T
柚
一
●
：
緊R
幽
瓔
旺
卿
瞧
趟
廿
圖2不同壓力下單位質(zhì)量天然氣的蜩
顯然，從圖l和圖2可以看出，當(dāng)主管網(wǎng)壓力
和用戶壓力的壓差越大，則膨脹機(jī)獲得的冷量就越
多。對(duì)于天然氣實(shí)際的絕熱膨脹過(guò)程，對(duì)外做的比
功仍可以根據(jù)進(jìn)、出口氣體的實(shí)際焓差計(jì)算。因
此，每lm3管道天然氣實(shí)際做出的功可表示為：
W=(hl—h2)=r／h，T(h1一h2t)=叩。．TCpTI[1一
(絲)警] (5)
‘pl’
‘
當(dāng)流進(jìn)透平膨脹機(jī)的天然氣流量為％時(shí)，則
透平膨脹機(jī)能發(fā)出的功率為：
P=71n,-rVBct,Ti[1一(絲)警] (6)rl
r1
式中：y。一天然氣流量，m3／s。
由式(6)可知，透平膨脹機(jī)回收的功率與管道
天然氣的流量成正比，因此，對(duì)于大量天然氣集中
的回收余壓的透平膨脹機(jī)，其經(jīng)濟(jì)效益將越高。
在同一輸氣管網(wǎng)壓力下，當(dāng)不同用戶需求壓力
不同時(shí)，回收的壓力能也不同。以西氣東輸管路為
例，管網(wǎng)壓力為10MPa，管道設(shè)計(jì)輸氣量120×108
m3／a，管路質(zhì)量流量為80×108kg／a。如用戶采用
中壓供氣方式，壓力取0．3MPa，則可回收的最大
壓力能為534．2kJ／kg。
1．2回收余壓應(yīng)用在空分設(shè)備
關(guān)于余壓回收的用途，眾多學(xué)者提出了各種各
樣的利用方式071，本文主要注重在空分裝置的應(yīng)
用。在高壓天然氣通過(guò)膨脹機(jī)將壓力降到用戶所
需中壓和低壓范圍，而天然氣的溫度降低到深冷范
圍內(nèi)，可用在空分設(shè)備的冷量供給上，具體流程簡(jiǎn)
圖如圖3所示。
圖3在空分裝置上對(duì)天然氣余壓回收利用的流程簡(jiǎn)圖
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
節(jié)能
ENERGY CONSERVATION
2011年第9期
(總第349期)
原料空氣在過(guò)濾掉灰塵和機(jī)械雜質(zhì)后，進(jìn)入空
壓機(jī)加壓后再經(jīng)過(guò)與污氮換熱冷預(yù)后溫度降低，進(jìn)
入分子篩吸附器后，原料空氣中的水分、二氧化碳、
乙炔等雜質(zhì)被分子篩吸附掉，凈化后的空氣在主換
熱器中進(jìn)一步降溫，在主換熱器中的冷量主要是由
高壓天然氣在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹，并向外做功發(fā)電后的
中壓天然氣帶人的，其次還有產(chǎn)品氧氣和氮?dú)鈳?
入?？諝庠谥鲹Q熱器內(nèi)被冷卻至飽和溫度后進(jìn)人
下塔，空氣經(jīng)下塔初步精餾后，在下塔底部獲得液
態(tài)空氣，在下塔頂部獲得純氮，從上塔頂部獲得氮
氣，經(jīng)主換熱器復(fù)熱后作為產(chǎn)品輸出。另抽取一部
分液氮直接進(jìn)入液氮儲(chǔ)槽，經(jīng)上塔進(jìn)一步精餾后，
在上塔底部獲得氧氣，氧氣經(jīng)主換熱器復(fù)熱，然后
再并入氧氣管網(wǎng)。從上塔適當(dāng)位置抽取一定量氬
氣，經(jīng)凈化器凈化，在氬塔除去氮成分，低濃度的氮
氣并入污氮管道去換熱器預(yù)冷壓縮后的空氣，而氬
塔精餾后得到精液氬再輸入液氬槽，有一股氮?dú)獠?
參與精餾，只是作為循環(huán)氮?dú)馕沼芍袎禾烊粴馀?
脹到低壓天然氣放出的冷量，從而不斷地為精餾塔
和主換熱器補(bǔ)入一定的冷量。
1．3余壓回收存在的問(wèn)題和應(yīng)對(duì)措施
由于城市中用氣壓力的不同，使調(diào)壓站布置分
散。大型電力回收系統(tǒng)僅能設(shè)在城市門站，使中小
調(diào)壓站余能回收利用難度增大；同時(shí)居民生活及商
業(yè)用氣的不均勻性很大，季節(jié)性用氣量相差過(guò)大，
不利于余壓穩(wěn)定的回收利用。氣壓的波峰、波谷都
會(huì)影響到利用的效果。
但是可以構(gòu)建一個(gè)工業(yè)生態(tài)園，設(shè)置如圖4所
示的能量逐級(jí)利用流程，讓膨脹后的低溫天然氣依
次通過(guò)各級(jí)換熱器。其中，空分設(shè)備來(lái)生產(chǎn)氧氣和
氮?dú)?，氧氣可以提供給眾多用戶，氮?dú)夤┙o下游產(chǎn)
業(yè)，目前我國(guó)橡膠工業(yè)的高速發(fā)展，同時(shí)產(chǎn)生了大
量的廢舊橡膠，將廢舊橡膠直接利用氮?dú)馐蛊涞蜏?
再粉碎制成膠粉而加以回收利用。通過(guò)空分裝置、
干冰制造裝置、低溫粉碎裝置的換熱設(shè)備后的天然
氣，還有一定的冷量，恰好用在冷庫(kù)、冷藏、果蔬保
鮮等裝置中。最后流程末端的天然氣供給居民和
調(diào)峰發(fā)電的工業(yè)用戶，其中工業(yè)發(fā)電用戶產(chǎn)生的二
氧化碳經(jīng)過(guò)脫硫脫氮等凈化后再回收供給上游的
干冰制造裝置。同時(shí)在空分裝置中，應(yīng)考慮到應(yīng)有
備用的透平膨脹機(jī)，來(lái)調(diào)節(jié)天然氣余壓的波動(dòng)造成
的影響。同時(shí)流程的線路中，設(shè)置有蓄冷裝置，在
高峰時(shí)放出冷量，低峰時(shí)儲(chǔ)存冷量。依次構(gòu)成一批
相關(guān)的工廠，組合在一起共生共存，相互依賴，使資
源的利用率達(dá)到最高，最大限度地充分利用資源，
最終達(dá)到工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的園區(qū)。
高壓天然氣
圖4利用余壓生成冷■后逐級(jí)利用的工業(yè)生態(tài)園流程圖
2回收LNG冷量利用在空分上的可行性研究
當(dāng)LNG由液態(tài)一162℃經(jīng)常溫常壓下氣化時(shí)，
將釋放出巨大的冷量，國(guó)外已有數(shù)據(jù)表明：平均每
噸LNG氣化過(guò)程相當(dāng)于釋放830—860MJ的冷
能，所以這能量是相當(dāng)可觀的。我國(guó)目前LNG冷
能應(yīng)用尚處于起步階段，冷能回收利用率不到
7％。所以，天然氣輸送過(guò)程中不論在LNG冷量回
收還是管道余壓回收上都有著巨大的能量回收。
LNG汽化時(shí)釋放大量冷能，回收這部分可用
冷能，不僅有效利用了能源，而且減少了機(jī)械制冷
大量的電能消耗。一般情況下，lkg LNG可以生
產(chǎn)2kg多的液態(tài)氮，而生產(chǎn)lkg液態(tài)氮需耗電
lkWh，即是說(shuō)lkg LNG可以轉(zhuǎn)換成2kWh電的能
量。LNG項(xiàng)目的設(shè)計(jì)年接收量為1000萬(wàn)t，若其
冷能全部回收，換算成電量相當(dāng)于200億kWh，除
去20％的損耗，每年仍可以回收的冷能相當(dāng)于160
億kWh，因此具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
2．1回收LNG的熱力學(xué)分析
能量系統(tǒng)中重要的分析方法有斕、熵、焓等。
炯不但能從數(shù)量上反映能量種類的轉(zhuǎn)換，更重要的
是能清楚地揭示內(nèi)部不可逆性造成的能量品質(zhì)的
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2011年第9期
(總第349期)
節(jié)能
ENERGY CONSERVAllON 一27一
貶值情況，以及造成熱力學(xué)損失的原因和部位，為
合理利用冷能提供重要理論指導(dǎo)哺。9】。即使換熱
設(shè)備沒(méi)有熱損失，熱量(或冷量)在數(shù)量上完全回
收，仍然有炯損失，而傳熱溫差的大小直接影響過(guò)
程的火甩損失。與其他利用方法相比，空分裝置中循
環(huán)氮?dú)獾臏囟容^低，在150K到200K之間，與
LNG的溫差不大，因此冷能回收過(guò)程中的炯損失
相對(duì)其他利用裝置較少。
LNG冷量的利用是通過(guò)換熱過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，
即將LNG的冷量傳遞給需要冷卻的工質(zhì)，達(dá)到冷
量回收的目的。由于LNG是高壓低溫液體，所以
包含著壓炯和溫度火甩。由系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程
可得LNG完成的最大有用功。
溫度炯為：
，r o—
exr=Cp(T一瓦)+瓦I o，rq=Cp(T—To)+
7功1
7’
％Toln(iA 0) (9)
壓力炯為：
％=ToR厶等=ToRln(羔) (10)
其中，T，P為其實(shí)狀態(tài)參數(shù)，7"0，P。與環(huán)境平
衡時(shí)的狀態(tài)，LNG從110K汽化成常溫氣體時(shí)，吸
收860—883kJ／kg的熱量，如果再進(jìn)行一定的加壓
處理，依據(jù)以上LNG冷能火用的分析，對(duì)于大型的
LNG接受站來(lái)說(shuō)，其蘊(yùn)含的冷能相當(dāng)大。
2．2在空分上的應(yīng)用
利用LNG進(jìn)行空氣分離，生產(chǎn)液氮和液氧，是
非常好的LNG冷能利用方案，因?yàn)榭辗炙铚囟?
與LNG的汽化溫度最接近，在能量利用上火用損失
最小。傳統(tǒng)方式生產(chǎn)lm3的液化空氣大約需要
650kcal的冷能，而如果考慮利用空分裝置回收的
LING冷能，電能消耗可減少50％，水耗減少30％，
這樣就會(huì)大大降低生產(chǎn)成本，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效
益。
文獻(xiàn)[10]吖11]中指出，當(dāng)空氣用LNG預(yù)冷
時(shí)，在空氣與LNG的摩爾流量比為1：0．37時(shí)，空
氣被冷卻達(dá)到最低，但是當(dāng)LNG的流量再增大時(shí)，
小于此比例時(shí)，就會(huì)使LNG的冷量形成浪費(fèi)(見(jiàn)
圖5)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了各種利用流程和觀
點(diǎn)，美國(guó)學(xué)者提出了采用內(nèi)部?jī)?chǔ)存的惰性氣體的液
體汽化補(bǔ)充冷量，以解決在使用冷源的空氣分離裝
置因需求波動(dòng)而造成的冷量供應(yīng)不足。日本學(xué)者
提出不用常規(guī)高壓分餾塔而只用高壓分餾塔冷凝
段和低壓分餾塔，把低壓分餾塔生產(chǎn)的氮?dú)庠賶?
縮，采用氟利昂作為壓縮氮?dú)饧皦嚎s空氣的載冷劑
等方法，原料空氣只壓縮到低壓分餾塔操作壓力，
生產(chǎn)液氧、液氮和液氫。
_m／tool
圖5空氣預(yù)冷溫度隨LNG的流量的變化
國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的具有有代表性的LNG工藝的
流程(見(jiàn)圖6)，在該流程圖中，提出了具有建設(shè)性
的的觀點(diǎn)：在該工藝流程系統(tǒng)中設(shè)置了由LNG冷
能冷卻的氮外循環(huán)和氮內(nèi)循環(huán)制冷系統(tǒng)，用來(lái)補(bǔ)充
系統(tǒng)工藝中所需的冷量，以及由LNG冷能冷卻的
氟利昂為載冷劑的空氣冷卻系統(tǒng)，這就節(jié)約了大量
的水資源，氮循環(huán)系統(tǒng)均用氮?dú)獾蜏貕嚎s。在主熱
交換器中增加了循環(huán)氮換熱通道，與氮?dú)獾臒峤黄?
分為上下兩段，即熱交換器和低一高壓循環(huán)氮?dú)鉄?
交換器；-／．At計(jì)了內(nèi)循環(huán)氮節(jié)流閥、外循環(huán)氮節(jié)流閥
和取消了循環(huán)氮?dú)馀蛎洐C(jī)，使設(shè)備簡(jiǎn)化，并增設(shè)了
單向閥，能自積累高純內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)氮?dú)?#168;引。
圖6 由LNG冷能冷卻的氮外循環(huán)和氮內(nèi)循環(huán)的空分系統(tǒng)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
一28一
節(jié)能
ENERGY CONSERVATIoN
2011年第9期
(總第349期)
但是系統(tǒng)中將節(jié)流后循環(huán)氮?dú)獾囊徊糠种苯?
通人主換熱器，從炯的觀點(diǎn)看能量利用是不合理
的。因?yàn)楣?jié)流后的循環(huán)氮?dú)饫淠芷焚|(zhì)最高¨31，與
塔內(nèi)的溫度端差最小，所以燜損失最小。應(yīng)將這部
分冷量在更低的溫度下利用，所以考慮應(yīng)將全部循
環(huán)氮?dú)馔ㄟ^(guò)低溫和主換熱器。同時(shí)預(yù)冷空氣的載
冷劑氟利昂可以考慮用乙二醇代替。
文獻(xiàn)[14]中給出了新的流程圖，在該流程中
是用低溫?fù)Q熱器而不是冷凝蒸發(fā)器來(lái)液化氧氣，這
樣的好處是對(duì)原有的傳統(tǒng)的冷凝蒸發(fā)器做改動(dòng)。
同時(shí)LNG不經(jīng)過(guò)低溫?fù)Q熱器，避免了與氧氣的管
路的接觸，安全性有所提高。取消了氮?dú)鈨?nèi)循環(huán)，
省掉了氮壓機(jī)，在很大程度上節(jié)省了電能。
但是該流程還在使用水冷卻塔來(lái)冷卻通過(guò)空
壓機(jī)的空氣，這就需要消耗大量的水，如果用天然
氣的殘余冷量去冷卻空氣，相比之下具有明顯的節(jié)
水效果；同時(shí)取消了氮?dú)鈨?nèi)循環(huán)，塔內(nèi)冷量的補(bǔ)給
只能靠過(guò)冷空氣的代入，這就給主換熱器的設(shè)計(jì)尺
寸提出了較高的要求，因?yàn)長(zhǎng)NG要較好的與空氣
的各流股換熱，換熱器的端差溫度和換熱效果就要
很好地考慮在內(nèi)。
空分裝置利用LNG冷能的流程可以有多種方
式，但基本都是在用LNG冷卻循環(huán)氮?dú)夂屠鋮s壓
縮機(jī)出口空氣的方式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。具體哪
種流程更合理，需視實(shí)際的具體情況而定。
2．3 LNG冷能回收存在的問(wèn)題
LNG冷能綜合集成利用產(chǎn)業(yè)鏈，涉及下游眾
多的行業(yè)、部門和企業(yè)。LNG汽化操作和下游用
戶對(duì)冷能的利用在時(shí)間和空間上不同步。主要是
LNG接收站氣化負(fù)荷必須根據(jù)下游用氣需求而
變，有季節(jié)性和晝夜性波動(dòng)和由于LNG接收站只
需考慮碼頭、儲(chǔ)罐、氣化設(shè)施等，占地面積并不大；而
冷能利用項(xiàng)目占地面積都較大，這就會(huì)產(chǎn)生冷能輸
送距離較遠(yuǎn)、運(yùn)送成本較高、經(jīng)濟(jì)效益減少的問(wèn)題。
3結(jié)論
對(duì)天然氣輸送工藝中余壓和冷量在空分上的
回收利用進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，天然氣余壓經(jīng)過(guò)高壓
和中壓膨脹獲得冷量分別供給空分系統(tǒng)，對(duì)于回收
過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出構(gòu)造工業(yè)生態(tài)園的觀點(diǎn)來(lái)
逐級(jí)利用余壓膨脹后的冷能。對(duì)已有的利用LNG
冷能的空分流程，進(jìn)行了對(duì)比分析，并指出有效合
理利用LNG能的路徑，使LNG冷能更經(jīng)濟(jì)合理回
收在空分裝置中。
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作者簡(jiǎn)介：王曉東(1983一)，男，內(nèi)蒙古卓資縣人，碩士，研
究方向：空分系統(tǒng)、LNG的冷量回收利用、低沸點(diǎn)工質(zhì)的運(yùn)
用。
收稿日期：2011—07—05；修回日期：201l—08一08

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