管道余壓利用技術(shù)研究綜述

王世明 龔芳芳 董超 李澤宇

摘? 要：為了對(duì)目前管道余壓利用技術(shù)進(jìn)行探究，通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)以及余壓利用現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)資料，對(duì)余壓發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并通過(guò)不同應(yīng)用案例的綜合性對(duì)比分析，提出目前余壓利用技術(shù)存在的問(wèn)題，并在發(fā)展?jié)摿挖厔?shì)方面進(jìn)行了展望。研究表明：企業(yè)高爐TRT設(shè)備的管理水平有限、余壓發(fā)電系統(tǒng)傳動(dòng)損失以及利用技術(shù)的單一化是限制目前余壓利用產(chǎn)業(yè)的主要因素，未來(lái)余壓發(fā)電將成為節(jié)能減排的重要手段。

關(guān)鍵詞：余壓發(fā)電;管道;新能源;節(jié)能減排

中圖分類號(hào)：TM619? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）11-0161-04

Abstract： In order to explore the current pipeline residual pressure utilization technology， the research status of residual pressure power generation technology is summarized by consulting the relevant literature at home and abroad and the field parameter data of residual pressure utilization. Through the comprehensive comparative analysis of different application cases， the existing problems of residual pressure utilization technology are put forward， and the development potential and trend are prospected. The research shows that the limited management level of blast furnace TRT equipment， the transmission loss of residual pressure power generation system and the simplification of utilization technology are the main factors limiting the current residual pressure utilization industry， and residual pressure power generation will become an important means of energy saving and emission reduction in the future.

Keywords： residual pressure power generation; pipeline; new energy; energy saving and emission reduction

引言

化石能源消耗帶來(lái)的環(huán)境污染、能源危機(jī)等問(wèn)題日益顯著，能源是制約國(guó)家工業(yè)、科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。人民生活水平的進(jìn)步也致使了資源損耗的增加，目前資源損耗正在消減，生活的環(huán)境正在惡化。發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、余壓余熱等可再生能源利用技術(shù)將成為提高能源利用效率的重要措施。

在目前的工業(yè)、鋼鐵、冶金、化工等行業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常產(chǎn)生大量的冗余壓力能，由于傳統(tǒng)節(jié)流降壓方法為直接排放，未加利用，從而造成剩余壓力能量的浪費(fèi)，蒸汽在降溫降壓時(shí)，會(huì)損耗大量的蒸汽壓力和溫差，造成資源的極大浪費(fèi)[1]。

管道余壓利用技術(shù)是在工業(yè)過(guò)程中對(duì)高壓能量進(jìn)行回收和利用的技術(shù)[2]。高壓能量通過(guò)透平機(jī)做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，既可供管道井口本身使用，也可與市級(jí)電網(wǎng)連接。該技術(shù)既高效又節(jié)能，節(jié)省開(kāi)支，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何形式的污染[3-4]。“十三五“節(jié)能減排綜合工作計(jì)劃明確指出，管道余壓利用技術(shù)的應(yīng)用是未來(lái)節(jié)能減排領(lǐng)域的重要舉措。因此，研究管道余壓利用技術(shù)在這一社會(huì)環(huán)境中的應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)[5]。

本文對(duì)管道余壓發(fā)電的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并介紹了相關(guān)技術(shù)原理，指出目前研究中存在的問(wèn)題，提出下一步余壓發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

1 管道余壓發(fā)電研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

1969年，蘇聯(lián)初次成功實(shí)驗(yàn)了余壓發(fā)電。日本川崎鋼鐵公司已經(jīng)在21座高爐上安置了這類發(fā)電機(jī)，每個(gè)月能產(chǎn)生1.2億度的發(fā)電量。據(jù)析，鋼鐵廠的高爐在完全安裝了頂壓發(fā)電機(jī)后，可提供該廠5%的電力消耗。

2003年頭，日本東京電力公司動(dòng)手制作一座天然氣壓能發(fā)電站，該電站采用高壓天然氣在減壓工程中的膨脹過(guò)程發(fā)電，設(shè)計(jì)發(fā)電能力為7700kW，是世界上為數(shù)不多的天然氣發(fā)電站[6]之一。美國(guó)已研制出多級(jí)膨脹式機(jī)械能設(shè)備，并已申請(qǐng)專利。圖1為此多級(jí)膨脹機(jī)械能裝備的流程圖。

日本最近幾年提出了操縱現(xiàn)存可用水路的“微水電“發(fā)電的遍及線路，道理是在已有的輸水管道上安置微水電裝配，對(duì)管路中的過(guò)剩水壓力能舉行收受接管操縱。采取的具體方法是：搜集水力數(shù)據(jù)并做成數(shù)值計(jì)算模型;經(jīng)由過(guò)程計(jì)算討論微水力發(fā)電的可能性;將模型一般化的模型尋找適合于輸水道設(shè)置微水力發(fā)電城市，探討和解決規(guī)劃建設(shè)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。

2008年，美國(guó)羅崗市利用沿峽谷鋪設(shè)的8350m的管道，用小型的水輪機(jī)來(lái)替換減壓閥，不但可以起到減壓作用，還可以將多余的壓能轉(zhuǎn)化為可用電能[8]。除此之外，英國(guó)將在倫敦的天然氣輸氣管網(wǎng)上安設(shè)了與生物燃料結(jié)合的發(fā)電量為20MW的機(jī)組。美國(guó)蘭斯能源有限公司依據(jù)螺桿膨脹機(jī)技術(shù)發(fā)明了壓降的燃?xì)獍l(fā)電裝置，該技術(shù)與傳統(tǒng)渦輪相比膨脹機(jī)可靠、穩(wěn)定、耐用、投資少、維護(hù)費(fèi)用低，對(duì)各種工況適應(yīng)性強(qiáng)，并隨著液體體積的增加，膨脹機(jī)間隙降低，泄漏減少，絕熱效率提高。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

19世紀(jì)60年代、70年代，四川石油勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院[9]曾展開(kāi)天然氣壓能發(fā)電機(jī)研制事情，并取得了功效。他們研發(fā)的裝置在天然氣進(jìn)口壓力4MPa，出口壓力2MPa，日通過(guò)氣量7至10萬(wàn)m3時(shí)，可發(fā)出3.5kW的電能。發(fā)電效果相當(dāng)于一臺(tái)TQ-4-1/230型汽油發(fā)電機(jī)。發(fā)出的電能可供給本井或集氣站用于生產(chǎn)及生活照明等[10]。但該裝置受當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，裝置存在發(fā)電電壓不穩(wěn)，密封易壞等問(wèn)題[11]。

1987年，四川石油管理局川南礦區(qū)科研所研發(fā)了井口天然氣壓降膨脹發(fā)電機(jī)[12]。此發(fā)電機(jī)透平系統(tǒng)采用沖動(dòng)式復(fù)速結(jié)構(gòu)，調(diào)速系統(tǒng)由液壓調(diào)速器和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)閥組成，密封系統(tǒng)由機(jī)械凈化器、密封環(huán)和冷卻油泵組成[13]，此裝置改善、優(yōu)化了之前余壓發(fā)電系統(tǒng)中電壓不穩(wěn)、密封易壞等問(wèn)題。

2005年，王松嶺等人提出了天然氣管網(wǎng)壓力能回收的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的觀點(diǎn)，如圖2所示，此循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)由過(guò)程收受接管天然氣輸送管網(wǎng)壓力能、天然氣降壓冷能和天然氣燃燒熱能進(jìn)步能源的綜合利用率[14]。

2012年，林牧等人提出采用氣液旋流膨脹機(jī)的井口天然氣余壓發(fā)電系統(tǒng)[15]。如圖3所示，該系統(tǒng)的發(fā)電單元為一臺(tái)氣液旋流膨脹機(jī)與一臺(tái)發(fā)電機(jī)通過(guò)將多個(gè)發(fā)電單元串、并聯(lián)混合排布的方式，靈活調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)壓能利用效率，提高天然氣壓力能的利用率。

2013年，刁安娜等學(xué)者提出利用螺桿膨脹機(jī)將高壓天然氣的壓差能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行發(fā)電的天然氣壓差發(fā)電方案[16]。裝置的核心部件使用螺桿膨脹機(jī)，能夠很好地解決氣流帶液的問(wèn)題，對(duì)各種工況的適應(yīng)性較強(qiáng)。裝置最高轉(zhuǎn)速為相同氣量的透平膨脹機(jī)的1/8至1/10，轉(zhuǎn)速較低，裝置運(yùn)行可靠。

2015年，胡睿等提出了一種天然氣壓力發(fā)電裝置[18]。如圖4所示，該裝置將轉(zhuǎn)軸沿著管體軸向方向放置，且可在管體內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鐵套接固定在轉(zhuǎn)軸上，葉輪套接固定在轉(zhuǎn)軸上，導(dǎo)電線圈安裝在磁鐵周徑的管體的外壁上，導(dǎo)電線圈的兩端部連接有電纜。此裝置將天然氣膨脹機(jī)與發(fā)電機(jī)結(jié)合起來(lái)，不僅可以縮小系統(tǒng)的體積，而且節(jié)約成本。

國(guó)內(nèi)關(guān)于井口天然氣余壓發(fā)電技術(shù)的研究發(fā)展迅速，相關(guān)專利越來(lái)越多，具有代表性的還有：（1）一種低壓氮?dú)庥鄩喊l(fā)電系統(tǒng)（CN201820101041）;（2）一種輪回水余壓發(fā)電裝置（CN201810319032）;（3）天然氣余壓與燃?xì)廨啓C(jī)耦合聯(lián)供體系、管網(wǎng)體系及方式（CN201810210008）;（4）一種輸油管道自激勵(lì)余壓發(fā)電裝配（CN201721863031）;（5）輪回水冷卻塔專用余壓發(fā)電機(jī)組（CN201720681449）;（6）一種TRT余壓發(fā)電保高爐頂壓安全控制裝置（CN201610753872）;（7）一種基于單螺桿膨脹機(jī)的天然氣輸送管線余壓發(fā)電系統(tǒng)（CN201520711201）;（8）一種新型高壓液體余壓發(fā)電體系（CN201420447159）等。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管道余壓發(fā)電的研究過(guò)程不僅表明了管道余壓發(fā)電方案的可行性，而且根據(jù)數(shù)據(jù)表明管道余壓發(fā)電技術(shù)是一種綠色環(huán)保技術(shù)，它通過(guò)循環(huán)利用中產(chǎn)生的高壓能量來(lái)產(chǎn)生電能，全過(guò)程零排放、零污染。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，余壓發(fā)電技術(shù)的規(guī)模、潛力和市場(chǎng)需求將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，余壓發(fā)電技術(shù)將成為一種更具有價(jià)值的新技術(shù)。

2 余壓發(fā)電原理

2.1 余壓發(fā)電基本原理

管道余壓發(fā)電系統(tǒng)采用超壓流體介質(zhì)在膨脹機(jī)中進(jìn)行絕熱膨脹，內(nèi)部能量減少而外部發(fā)電機(jī)由膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)，將能量轉(zhuǎn)化為電能，回收利用。過(guò)程當(dāng)中，能量轉(zhuǎn)化效力和發(fā)電性能受體積介質(zhì)參數(shù)、膨脹機(jī)性能、潤(rùn)滑油體系等多種因素的影響。

如圖5所示，余壓發(fā)電體系根據(jù)高壓氣體降壓膨脹降壓轉(zhuǎn)化氣體的流動(dòng)功轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的原理，實(shí)現(xiàn)回收余壓能并將其轉(zhuǎn)化為電能，余壓流體介質(zhì)經(jīng)儲(chǔ)氣罐進(jìn)入膨脹機(jī)降壓降溫，降壓降溫過(guò)程中，利用膨脹機(jī)把余壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，然后經(jīng)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，剩余氣體在儲(chǔ)氣罐穩(wěn)壓處置后供后續(xù)工藝?yán)没蛑苯优欧臶20]。

余壓流體介質(zhì)在膨脹機(jī)中時(shí)，其熱力過(guò)程會(huì)使氣體溫度下降[20]。為解決低溫對(duì)裝備的影

響，通常采取如下兩種解決措施：

（1）在降壓前操縱電加熱器、內(nèi)燃機(jī)余熱和其他可用余熱等預(yù)加熱。

（2）設(shè)計(jì)耐低溫膨脹機(jī)，保留氣體冷能。這樣可以利用降壓后的復(fù)熱過(guò)程，充分利用壓能、冷能實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

2.2 余壓發(fā)電實(shí)例/余壓利用技術(shù)

（1）TRT高爐煤氣余壓發(fā)電技術(shù)

圖6是高爐煤氣爐頂余壓透平發(fā)電系統(tǒng)（TRT），此系統(tǒng)利用高爐爐頂壓力能和熱能，利用透平膨脹進(jìn)行二次能量收裝置和驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，煤氣是高爐冶煉的副產(chǎn)品[21]。也就是說(shuō)，高爐煤氣的殘存壓力經(jīng)由過(guò)程燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，能量通過(guò)發(fā)電機(jī)組;TRT體系與減壓閥組并聯(lián)（已安置了高爐），即高爐煤氣主動(dòng)調(diào)節(jié)，通過(guò)透平靜葉控制，TRT后將氣體從煤氣主網(wǎng)絡(luò)中取出，當(dāng)渦輪封閉或空載工作時(shí)，操縱減壓閥組控制爐頂壓力。TRT裝置由透平主機(jī)、大型閥門系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)、高＼低發(fā)配電系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)八大系統(tǒng)部分組成[21]。

（2）天然氣余壓發(fā)電系統(tǒng)

天然氣降壓系統(tǒng)主要由膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、熱換器、穩(wěn)壓閥等部件組成，系統(tǒng)主要布置在高壓管線與低壓管線之間[22]。機(jī)械能的來(lái)源是膨脹機(jī)轉(zhuǎn)換余壓能發(fā)生的，機(jī)械能再傳遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。設(shè)備可能會(huì)需要配備燃料電池，防止因膨脹機(jī)內(nèi)溫度驟降造成霜凍損壞設(shè)備。穩(wěn)壓閥起穩(wěn)定管道內(nèi)氣流作用，確保膨脹機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）余壓直接利用

減少能源轉(zhuǎn)換次數(shù)對(duì)節(jié)能減排具有重要的意義。反滲透海水淡化采取的正位移式能量回收裝置，整個(gè)能源轉(zhuǎn)換過(guò)程僅為“壓力能-壓力能”的轉(zhuǎn)換，即直接把高濃度鹽水的余壓傳遞給進(jìn)料海水，整個(gè)工作過(guò)程的能源傳遞效率可達(dá)91%至96%[21]。輪胎企業(yè)用壓縮空氣余壓清潔管道內(nèi)灰塵及炭黑的方法也是余壓直接利用的一種典型應(yīng)用。

（4）余壓制冷技術(shù)

介質(zhì)壓力能釋放過(guò)程降溫已經(jīng)應(yīng)用于空調(diào)、天然氣脫水、空分等領(lǐng)域。對(duì)比常見(jiàn)的余壓只能裝備有膨脹機(jī)、渦流管、節(jié)流閥和氣波制冷機(jī)等。膨脹機(jī)制冷具有氣體溫降大、復(fù)熱時(shí)制冷量大等特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。節(jié)流閥在通過(guò)高壓介質(zhì)時(shí)氣體的溫降小、制冷量小，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且便于氣體流量調(diào)理。渦流管主要應(yīng)用在高速氣流中，裝置可以產(chǎn)生渦流把氣流分離成冷、熱兩股氣流，并分別利用。氣波制冷機(jī)可將氣流的壓力能轉(zhuǎn)換成速率并做壓縮功，經(jīng)激波和膨脹波運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)冷熱分離。

3 目前尚存在的問(wèn)題

目前，我國(guó)高爐TRT裝備發(fā)展不平衡，現(xiàn)有裝備技術(shù)有待提高。依然有一些高爐需要增添TRT裝備?，F(xiàn)有TRT設(shè)備的整體運(yùn)行狀況不理想，也是當(dāng)前需要注意的問(wèn)題。大部分高爐仍配備濕式除塵裝備，發(fā)電潛力較大。某些企業(yè)的TRT設(shè)備管理不到位，導(dǎo)致TRT設(shè)備無(wú)法達(dá)到額定工作能力。

余壓發(fā)電設(shè)備在工作時(shí)會(huì)因節(jié)流、導(dǎo)熱、摩擦等因素造成能量損失。余壓發(fā)電作為一個(gè)有機(jī)整體，影響其裝備整體發(fā)電量的往往是體系的各個(gè)部件，對(duì)裝備的各個(gè)部件的優(yōu)化影響著系統(tǒng)的發(fā)電效率，同時(shí)也影響著余壓發(fā)電裝備的制冷，對(duì)余壓發(fā)電設(shè)備從各部件到整體的優(yōu)化對(duì)提高能源轉(zhuǎn)換率具有重要的意義[20]。

雖然余熱壓力發(fā)電有許多明顯的優(yōu)勢(shì)，得到了政府的鼓勵(lì)和支持，但余熱壓力發(fā)電很難實(shí)現(xiàn)。要連接到電網(wǎng)，國(guó)家優(yōu)惠政策難以落實(shí)，有關(guān)部門收費(fèi)不合理的突出問(wèn)題還沒(méi)有得到很好的解決。由于一些政策規(guī)定不明確，行政和管理部門從各自部門的角度來(lái)看，有不同的理解。特別是個(gè)人電網(wǎng)機(jī)組從地方利益出發(fā)，被動(dòng)或故意設(shè)置殘余熱壓機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行障礙，收取系統(tǒng)備用費(fèi)等費(fèi)用。收費(fèi)，電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)管理，這就增加了余壓發(fā)電的成本也挫傷了工業(yè)企業(yè)的積極性，制約了正常運(yùn)行余壓發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。希望這些問(wèn)題能夠盡快得到妥善解決。

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)是一個(gè)人均資源稀缺的國(guó)家，資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)和低效利用加深了供需矛盾。資源欠缺和資源的低利用率已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。余壓發(fā)電是提高資源利用率的有效途徑。它可以減輕資源短缺問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題。這也是減緩資源和環(huán)境制約的有效措施。余熱余壓發(fā)電有很大的潛力確保資源高效合理利用，促進(jìn)“高消費(fèi)、高排放、低效率”粗放型發(fā)展模式轉(zhuǎn)變的優(yōu)勢(shì)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，在大規(guī)模實(shí)施中，余壓發(fā)電一定會(huì)成為一條將廢物轉(zhuǎn)化為財(cái)富，將危害轉(zhuǎn)化為利益的有效途徑，成為節(jié)能減排的重要手段，在建材、冶金、煉油、化工等大多數(shù)大中型能源企業(yè)，一定會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

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