天 然 气 工 业Natural Gas Industry 第41卷第3期2021年 3月
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天然气压差发电技术在地下储气库的应用
朱力洋1 熊波2 王志军2 邹银2 钟明朗3
1.中国石油西南油气田公司
2.中国石油西南油气田公司市场开发部
3.中国石油西南油气田公司输气管理处
摘要：地下储气库（以下简称储气库）在采气过程中拥有着较大的流量和压差，目前设计的调压工艺存在着较大的压损且噪音较大。为了充分利用储气库的压差、提高天然气能量利用率，将国内应用广泛的天然气压差发电技术应用到中国石油西南油气田公司相国寺储气库项目，论证了该储气库采用透平膨胀机发电的可行性，探讨了富余电量的出路，建立了气、电双储机制。研究结果表明：①根据热力学计算，相国寺储气库安装1台1 800 kW透平发电机，每小时净发电量可达1 747 kWh，每年可发电611×104 kWh、节省电费301万元；②由于储气库在采气期自身的用电量少，将产生大量的富余电力，可以与国
花痕家电网合作解决储气库发电富余电力的销售问题；③在实际应用过程中，压差发电技术仍然存在着一些需要解决的问题，如膨胀机的密封问题和在透平膨胀机高转速运行的条件下存在着较大的噪音等。结论认为，相国寺储气库压差发电项目具有投资少、经济效益较好的特点，是天然气行业实现节能降耗、绿色发展、提质增效的重要技术手段；该项目具有较好的示范效应和较好的推广价值。
关键词：相国寺地下储气库；天然气压差发电；压损；透平膨胀机发电；能效；气、电双储；电力销售
DOI: 10.3787/j.issn.1000-0976.2021.03.017
Application of natural gas pressure differential power generation technology in
srds是什么意思啊
underground gas storages
ZHU Liyang1, XIONG Bo2, WANG Zhijun2, ZOU Yin2, ZHONG Minglang3
(1. PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu, Sichuan 610051, China;2. Market Development Department, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company Chengdu, Sichuan 610051, China;3. Gas Transmission Division, PetroChina Southwest Oil & Gas-field Company, Chengdu, Sichuan 610051, China)
Natural Gas Industry, Vol.41, No.3, p.142-146, 3/25/2021. (ISSN 1000-0976; In Chine)
Abstract:During the gas production of underground gas storage (hereinafter referred to as "gas storage"), flow rate and pressure differ-ence are larger. The currently designed pressure regulating process caus larger pressure loss and noi. In order to make full u of the pressure difference of gas storages and improve the energy utilization efficiency of natural gas, this paper applies the natural gas pressure differential power generation technology which is widely ud in China to Xiangguosi gas storage project of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company. Then, the feasibility of applying turbo expander to power generation in Xiangguosi gas storage is demonstrated. Finally, the way out of surplus electricity is discusd and the gas-electricity dual storage mechanism is established. And the following re-arch results were obtained. First, thermodynamic calculation results show that the net power generation capacity per hour will be 1 747 kWh, the annual power generation will be 611×104 kWh and the electricity cost will be saved by 301×104 yuan if one 1800 kW turbo gen-erator is installed at Xiangguosi gas storage. Second, the electricity consumption of gas storage during gas production is less, so there is a large amount of surplus electricity, who sales problem can be solved by cooperating with the State Grid. Third, in the process of practi-cal application, the pressure differential power generation technology still has s
ome problems to solve, such as the aling problem of the expander. The noi is larger when the turbo expander runs at high speed. In conclusion, the pressure differential power generation project of Xiangguosi gas storage has the advantages of less investment and better economic benefits, which is an important technical means to achieve energy saving, consumption reduction, green development, quality and efficiency improvement in the natural gas industry. What’s more, this project has a better demonstration effect and is of better popularization value.
Keywords: Xiangguosi underground gas storage; Natural gas pressure differential power generation; Pressure loss; Power generation by turbo expander; Energy efficiency; Gas-electricity dual storage; Power sales
作者简介：朱力洋，1972年生，高级经济师，博士；主要从事成品油及天然气销售方面的研究工作。地址：（610051）四川省成都市成华区府青路一段3号。ORCID: 0000-0002-0825-6495。E-mail:*************************
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朱力洋等：天然气压差发电技术在地下储气库的应用
0 引言
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压差发电技术是利用工业生产中所产生的压力差能量，将其回收转化为机械能，驱动发电机发电的技术。天然气压差发电技术充分利用天然气的压力能来发电[1]，该技术可有效解决天然气调压过程中产生的管道振动、噪音和急速降温产生冰堵等问题，充分利用天然气内能且不产生污染，满足零排放标准[2-4]。
国内外关于天然气管网压力能利用技术理论研究较多，主要包括将电能及冷能用于发电、调峰、制冷和天然气管网调压等[5-9]。近些年，我国天然气消费量呈两位数快速增长，天然气消费的季节性、区域性差异更加明显，地下储气库（以下简称储气库）用于天然气应急调峰和战略储备的意义也愈加凸显[10-11]。较之于常规天然气管网调压，储气库有更大的、周期性的压差及流量[12]，如果能将这部分能量回收，将极大地提高天然气能量利用率和天然气管网运行的安全性[13]。为此，以国内某储气库为案例，探讨了如何将国内应用广泛的天然气压差发电技术应用到储气库项目。1 天然气压差发电技术
1.1 工作原理
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膨胀机按能量转换方式的不同，可分为速度式膨胀机和容量式膨胀机两大类[14]。透平膨胀机压差发电是指利用天然气压力能驱动透平膨胀机转子，通过齿轮箱、联轴器，把机械能传递给发电机，使发电机工作发电[15-17]。为了综合利用能源，同时避免天然气加热消耗电能，可以利用冷能制冰或给冷库供冷。因此，透平膨胀机的主要特点是既可降低输气压力做功，又可获得制冷效果。
1.2 膨胀机性能对比
膨胀机的性能直接影响到发电系统的整体发电效率[18-22]。几种常见膨胀机的性能对比分析如表1所示。
综上如述，按照不同的进出口压力等级、流量和气质组成，建议在天然气储气项目中可采用透平膨胀机或螺杆膨胀机。
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表1 几种常见膨胀机性能对比分析表
类型优 点缺 点
透平膨胀机结构简单，重量轻，体积小，易损件少，耐高温、耐高压，
适用于大流量及大功率场所
转速高，需要配置减速箱，要求气源洁净
螺杆膨胀机转速低，无易损件，维护简单，对介质质量要求高适用于中压、低压场所，功率低，造价高
活塞膨胀机适用于小流量、高压力场所体积大，结构复杂，易损件多，操作维护复杂
2 实例应用分析
中国石油西南油气田公司相国寺储气库（以下简称相国寺储气库）位于重庆市渝北区、北碚区境内，于2013年6月注气投运，2014年12月调峰采气。设计运行压力介于13.2～28.0 MPa，库容量为42.6×108 m3，垫底气量为19.8×108 m3，工作气量为22.8×108 m3，最大日注气量为1253×104 m3，同时考虑季节调峰和应急情况需要，最大日采气量为2855×104 m3。2019年采气量为16.76×108 m3，用电量为5663×104 kWh，电价为0.599元/kWh。2.1 采气工艺流程
储气井采气工艺流程如图1所示。采出的高压天然气（13.5～25.5 MPa，20～40℃）经计量、井口节流到外输压力（小于13.5 MPa）后，再通过采气干线输往集注站。井口设置有高、低压安全截止阀，进、出站管线上设置有紧急截止阀，可在紧急、事故工况下及时截断气源。
2.2 注气工艺流程
与采气相比，注气可视为采气的逆过程，由于入口压力一般为次高压天然气（压力小于13.5 MPa，温度介于－5～26℃），低于储气库压力。因此，实际工作过程中需要额外增加增压设施以提高天然气压力。
2.3 透平膨胀机装机规模
储气井工艺参数如表2所示。
参考表2参数，在350000～430000 m3/h时，根据设备特点，拟采用1套透平膨胀发电机组用于减压发电，电力输出额定功率为1800 kW，项目在各工况下的输出功率如表3所示。
通过调研，暂定在相国寺储气库5号注采站井口采气调节阀上设置旁通，安装透平膨胀机（图2、3）。
天 然 气 工 业2021年第41卷
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东莞培训表2 储气井工艺参数表
项 目
数值备注储气井入口压力/MPa 13.5～25.5
－储气井出口压力/MPa 13.5－天然气入口温度/℃20～40随环境变化瞬时流量/(m 3·h －1)350 000～
430 000
根据需求变化年运行时间/h
3 000
按照采气需求时间估算
表3 项目各工况下的分析计算表
项 目
设计值工况一工况二工况三工况四工况五比热容/[kJ ·(kg ·K)－1]2.22.22.22.22.22.2天然气入口温度/K 298.15298.15298.15298.15298.15298.15天然气入口压力/MPa 20.525.520.525.520.520.5天然气出口压力/MPa 14.515.515.515.515.514.5天然气质量流量/(kg ·s －1)68.1 68.1 68.1 83.6 83.6 83.6 机组输出功率/kW 1 783 2 519 1 450 3 095 1 782 2 190 自耗电功率/kW 36 50 29 62 36 44 机组净输出功率/kW
1 747
2 469
1 421
3 033
老师用英语怎么读1 746
2 146
图2
天然气透平膨胀发电机组原理图
2.4 项目经济性分析
根据上述热力学计算，在相国寺储气库安装1台1 800 kW 透平发电机，每小时净发电量1 747 kWh ，每年发电611×104 kWh （按采气3 500 h 计算），每年节省电费301万元。项目技术经济性分析见表4。
根据项目投资估算，项目总投资为1 526万元（项目建筑工程投资约400万元，设备购置费600万元，安装工程200万元，工程建设其他费用276万元，预备费50万元），项目利润约301万元，税后内部收益率为13.08%，动态投资回收期为7.84年（含建设期）。
图1 储气井采气工艺流程图
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3 结论
1）相国寺储气库压差发电项目投资较少，经济效益较好，是天然气行业实现节能降耗、绿色发展、提质增效的重要技术手段。如果项目试点成功，可在全国新建储气库全面应用，将产生良好的示范作
用。天然气净化厂、LNG 工厂和干线输配气站等单位的天然气流量和压差较大，有大量的压能可以回收。
2）由于储气库采气期自身用电量少，将产生大量富余电力，有关单位可以和国家电网协调，交纳
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朱力洋等：天然气压差发电技术在地下储气库的应用
一定过网费，向油田内部用电大户（如天然气增压站、天然气净化厂等）定向供电，解决储气库发电富余电力的销售问题。
3）在实际应用中，压差发电技术仍存在一些需要解决的问题，如膨胀机的密封问题，在透平膨胀机高转速运行条件下，存在较大的噪音等，在天然气压差发电系统商业化运行前，必须经过多次中试实验，以解决系统运行过程中可能存在的问题。
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表4 项目经济性分析表项目数值备注收入
w hotel年发电量/104 kWh
611.48－电价/[元·(kWh)－1
]
0.599－发电收入/万元366 －成本
自来水成本/万元10.5－
雅思培训武汉哪个强
人工成本/万元
30
按照3人，每人10万元考虑维护成本/万元15按照0.025元/kWh 的成本考虑
其他成本/万元
10－利润
利润/万元
301
－
图3
天然气透平膨胀发电机在输气站场的安装示意图
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（修改回稿日期 2021-01-14 编辑 何 明）
本
文
互
动
