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【摘要】高压天然气输配管网蕴含了大量的压力能可供回收利用。本文阐述了高压管输天然气压力能回收利用理论基础及回收方式，总结了高压天然气压力能回收利用的应用，包括利用高压管网天然气压力能发电，高压管网天然气压力能制冷用于燃气调峰，高压管网天然气压力能制冷用于直接空冷技术，以及利用高压管网天然气压力能制冷用于冷库和工业水冷。
【关键词】天然气 压力能 发电 制冷
当前世界上天然气的长输管道均采用高压输送，我国天然气的长输管道也采用高压输气。上游天然气通过高压管网送至各城市或大型用户，通过各地天然气调压站降压至中压或低压送至用户使用，管网在降压过程中产生大量压力能，压力能的回收利用是天然气输配过程中重要的环节。以西气东输工程为例，高压天然气需由10MPa降至2MPa～4MPa甚至更低，而直接用户使用的压力约为0.4MPa，据推算，天然气压力由4MPa降至0.4MPa可回收的最大压力能约为322kJ/kg，如此大的潜在能量若白白浪费势必造成巨大的经济损失。
1 高压管输天然气压力能回收利用理论基础
当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式的那部分能量，称之为火用。目前火用分析的方法来评价天然气管网可利用压力能是比较科学的。
从热力学的角度出发，可将天然气管网看作一种开口系统。单位质量的稳定物流的焓火用为：
2 高压天然气压力能回收的应用
压力能回收利用主要从两方面入手，温度火用和压力火用。
压力火用的利用可以阐述为高压流体通过压力转化装置转化为可利用的机械能，利用机械能进行发电，但是城市天然气调压站往往远离市区且布局分散，不利于建设大型电力回收系统；另外，发电时要求天然气压力和流量相对稳定，但是天然气的使用存在着严重的不均勻性。所以工程应用中考虑到操作难度，较难实现。
温度火用产生的能量可以阐述为高压流体通过膨胀机产生冷量加以利用从而达到制冷的目的。即用透平膨胀机、气波制冷机等设备实现高压天然气的降压，以冷媒回收降压后低温天然气的冷量，并将冷量供给多种冷量用户，这类工艺大都没有对透平膨胀机的输出功进行回收。
2.1 高压管网天然气压力能制冷用于燃气调峰
城市燃气用量随时段、昼夜、季节等波动非常大，因此，天然气调峰是比不可少的手段。利用膨胀后低温天然气的冷量用于液化天然气（LNG）或者生产天然气水合物（NGH）进行调峰的研究发展迅速，其中液化天然气气液比达到600/1，具有较大的储存和运输优势。目前较为共识的一种方式为基于管网压力能回收的液化调峰方案，即在高压天然气进行调压过程中同时利用高压天然气的压力能进行天然气的液化，这样不仅可以达到高压天然气调压的目的，亦可以通过液化天然气来达到天然气调峰的作用。
2.2 高压管网天然气压力能制冷用于直接空冷技术
目前我国大多数火力发电厂都采用湿冷技术，面对日益紧缺的水资源问题，火力发电行业面临前所未有的挑战，而空冷冷却与普通湿冷技术相比可节水2/3。我国内蒙古、山西等北方地区是我国的能源基地，蕴藏着丰富的煤炭资源，可为大型火力发电厂提供充足的燃料，同时又是水资源最为缺乏的地区。在这种状况下，直接空冷技术的应用在很大程度上解决了这些地区“富煤缺水”的难题。
2.3 高压管网天然气压力能制冷用于冷库和工业水冷
传统冷库制冷采用压缩氨膨胀制冷，需消耗大量的电力，将天然气压力能用于冷库可大大降低冷库的运行成本。工业水冷多以工厂为单位，自建冷却池、冷却塔等设备，这使得企业投入增加，而且冷却塔耗电量巨大。为了节约能源并节省企业投入资金，本文提出集约化管理方法，将整个工业园区的水冷系统在规划之初集中建设，并可以通过高压天然气压力能制冷提供足够的冷量给冷库和水循环冷却。如图1所示，高压天然气在通过气波制冷机后经过换热器1和换热器2将大部分冷能储存于不同冷级的冷库，另外一部分冷能通过换热器3用于工业园区水冷系统，从而可以节约大量电能和其他资金投入。
3 结论
高压天然气压力能回收利用在发电和制冷项目可以实现在增加较少的设备和运行费用下获得较大的经济效益，实现更高的经济效益。
本文在分析高压管输天然气压力能回收利用原理的基础上，从热力学的角度出发，得到了计算单位质量温度气流的焓火用的表达式，从而可以实现高压天然气压力能的量化计算。另外，本文总结了管输天然气压力能回收利用的方式方法，并详细分析了利用高压管网天然气压力能发电，高压管网天然气压力能制冷用于燃气调峰，用于电厂的直接空冷技术，以及利用高压管网天然气压力能制冷用于冷库和工业水冷系统等一系列预期应用。
参考文献
[1] 郑志，王树立，等.天然气输配过程流体压力能回收技术现状与展望[J].天然气与石油，2009，27（1）：11-15
[2] 徐文东，郑惠平，郎雪梅，等.高压管网天然气压力能回收利用技术[J].化工进展，2010，29（12）：2385-2389
[3] 温高.发电厂空冷技术[M]，北京：中国电力出版社，2008
[4] 陈绍凯，李自立，等.高压天然气压力能回收利用技术[J].煤气与热力，2008，28（4）：B01-05
作者简介
田小民，工程师，1984年出生，江苏徐州人，南京航空航天大学机械工程及自动化专业，主要从事压气站专业方向的工作。
【关键词】天然气 压力能 发电 制冷
当前世界上天然气的长输管道均采用高压输送，我国天然气的长输管道也采用高压输气。上游天然气通过高压管网送至各城市或大型用户，通过各地天然气调压站降压至中压或低压送至用户使用，管网在降压过程中产生大量压力能，压力能的回收利用是天然气输配过程中重要的环节。以西气东输工程为例，高压天然气需由10MPa降至2MPa～4MPa甚至更低，而直接用户使用的压力约为0.4MPa，据推算，天然气压力由4MPa降至0.4MPa可回收的最大压力能约为322kJ/kg，如此大的潜在能量若白白浪费势必造成巨大的经济损失。
1 高压管输天然气压力能回收利用理论基础
当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式的那部分能量，称之为火用。目前火用分析的方法来评价天然气管网可利用压力能是比较科学的。
从热力学的角度出发，可将天然气管网看作一种开口系统。单位质量的稳定物流的焓火用为：
2 高压天然气压力能回收的应用
压力能回收利用主要从两方面入手，温度火用和压力火用。
压力火用的利用可以阐述为高压流体通过压力转化装置转化为可利用的机械能，利用机械能进行发电，但是城市天然气调压站往往远离市区且布局分散，不利于建设大型电力回收系统；另外，发电时要求天然气压力和流量相对稳定，但是天然气的使用存在着严重的不均勻性。所以工程应用中考虑到操作难度，较难实现。
温度火用产生的能量可以阐述为高压流体通过膨胀机产生冷量加以利用从而达到制冷的目的。即用透平膨胀机、气波制冷机等设备实现高压天然气的降压，以冷媒回收降压后低温天然气的冷量，并将冷量供给多种冷量用户，这类工艺大都没有对透平膨胀机的输出功进行回收。
2.1 高压管网天然气压力能制冷用于燃气调峰
城市燃气用量随时段、昼夜、季节等波动非常大，因此，天然气调峰是比不可少的手段。利用膨胀后低温天然气的冷量用于液化天然气（LNG）或者生产天然气水合物（NGH）进行调峰的研究发展迅速，其中液化天然气气液比达到600/1，具有较大的储存和运输优势。目前较为共识的一种方式为基于管网压力能回收的液化调峰方案，即在高压天然气进行调压过程中同时利用高压天然气的压力能进行天然气的液化，这样不仅可以达到高压天然气调压的目的，亦可以通过液化天然气来达到天然气调峰的作用。
2.2 高压管网天然气压力能制冷用于直接空冷技术
目前我国大多数火力发电厂都采用湿冷技术，面对日益紧缺的水资源问题，火力发电行业面临前所未有的挑战，而空冷冷却与普通湿冷技术相比可节水2/3。我国内蒙古、山西等北方地区是我国的能源基地，蕴藏着丰富的煤炭资源，可为大型火力发电厂提供充足的燃料，同时又是水资源最为缺乏的地区。在这种状况下，直接空冷技术的应用在很大程度上解决了这些地区“富煤缺水”的难题。
2.3 高压管网天然气压力能制冷用于冷库和工业水冷
传统冷库制冷采用压缩氨膨胀制冷，需消耗大量的电力，将天然气压力能用于冷库可大大降低冷库的运行成本。工业水冷多以工厂为单位，自建冷却池、冷却塔等设备，这使得企业投入增加，而且冷却塔耗电量巨大。为了节约能源并节省企业投入资金，本文提出集约化管理方法，将整个工业园区的水冷系统在规划之初集中建设，并可以通过高压天然气压力能制冷提供足够的冷量给冷库和水循环冷却。如图1所示，高压天然气在通过气波制冷机后经过换热器1和换热器2将大部分冷能储存于不同冷级的冷库，另外一部分冷能通过换热器3用于工业园区水冷系统，从而可以节约大量电能和其他资金投入。
3 结论
高压天然气压力能回收利用在发电和制冷项目可以实现在增加较少的设备和运行费用下获得较大的经济效益，实现更高的经济效益。
本文在分析高压管输天然气压力能回收利用原理的基础上，从热力学的角度出发，得到了计算单位质量温度气流的焓火用的表达式，从而可以实现高压天然气压力能的量化计算。另外，本文总结了管输天然气压力能回收利用的方式方法，并详细分析了利用高压管网天然气压力能发电，高压管网天然气压力能制冷用于燃气调峰，用于电厂的直接空冷技术，以及利用高压管网天然气压力能制冷用于冷库和工业水冷系统等一系列预期应用。
参考文献
[1] 郑志，王树立，等.天然气输配过程流体压力能回收技术现状与展望[J].天然气与石油，2009，27（1）：11-15
[2] 徐文东，郑惠平，郎雪梅，等.高压管网天然气压力能回收利用技术[J].化工进展，2010，29（12）：2385-2389
[3] 温高.发电厂空冷技术[M]，北京：中国电力出版社，2008
[4] 陈绍凯，李自立，等.高压天然气压力能回收利用技术[J].煤气与热力，2008，28（4）：B01-05
作者简介
田小民，工程师，1984年出生，江苏徐州人，南京航空航天大学机械工程及自动化专业，主要从事压气站专业方向的工作。