高压天然气降压过程中冷能的计算方法研究-.pdf

0 4 天 然 号 与 石 油 N AT U RA L GA S AN D OI L 2 0 1 1年 4月 高压天然气降压过程中冷能的 计算方法研究 李静静彭世尼 重庆大学城市建设与环境工程学院， 重庆 4 0 0 0 4 5 摘要 为 了节省天然气输送过程中的管线投资 ， 一般长 距离输 气管线 的天然气输送压力都很高。 但高 压天然气在进入城 市燃气输配管 网前 ， 需要进行 降压处理 ， 降压过程 中的压力损 失， 实际上是能量 损失， 这 一过程会导致天然气的温度显著下降 ， 产生大量高 品质 的冷 能。通过对采用透平膨胀机进 行 降压 的过程建立炯数学分析模 型， 论述 了通过膨胀进行 降压 时高压天然 气产 生的冷 能计算方 法， 对不同降压梯度 的冷能进行 了评估。同时， 对经透平膨胀机膨胀降压 后天然 气的温度计算方法也进 行 了分析和 改进 ， 为充分利 用天然 气降压过程产生的冷 能提供 了量 的基础 。 关键词 高压天然 气； 冷能 ； 炯分析 ； 热力学计算 ； 焓熵 图 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 6 5 5 3 9 2 0 1 1 0 2 0 0 0 4 0 4 0前 言 天然气是一种高效的清洁能源 ， 近年来 ， 它在一 次能源消费中的比例不断提高 ， 并成为继煤和石油之 后 的第三大能源形式。同时， 我 国也加快 了天然气输 气管 网的建设 。由于采 用高 压输气 可 以减小输送 管道 的管 径 。 从 而节 省 管 材 和施 工 费用 ， 故 当前 世 界 上天 然气 的长 输管 道均 采用 高 压输送 ， 国外 长输 管道 的输 送压 力多数 都在 1 0 MP a以上 。目前 ， 我 国管道 天然气 的长途输 送 ． 也 大多采用 高压管输 的方式 ， 如 已经 投入使用 的西 气东输 一线管 道 的输气压 力就达 到 了 1 0MP a [ 1 1 高压 天然气 降压过程冷能的分析计算 通 过 高压 管 线 将 天然 气 输 送 到 用气 地 区 的城 市 门站后 ， 需 用调 压装 置调 压后 才 能进 入城 市输 气 管 网 供给用户使用 刮， 且由于降压过程引起 的天然气低温 使其对后续的管道系统构成了潜在的运行风险 ] 。 降压过程中天然气的低温效应实际上已经使其成 为 了一种 低温介 质 ，这 对于需要 冷能 的工艺或 者系统 提供了利用的可能。 如果要充分有效的利用冷能 ， 在用 调压器 进行降压 的工艺 过程 中是 很难 实现 的 ，因为传 统 的降压方法 是利用节 流原理 进行节 流降压 的 ，导致 降压过程 中炯损较大 ， 造成 了巨大的能量损失 ] 。 有效回收冷能的设备可以采用透平膨胀机 m ] 。 透 平膨 胀机 是一 种膨 胀 降压 、回收能 量 的关键 设 备 ， 它 是利 用工 质流动 时速度 的变 化来进 行 能量转换 的。如 果采 用透 平膨 胀机 来实 现 降压 过程 ， 高 压 天然气 经 膨 胀降压后温度显著下降，可产生大量高品质的冷能， 收稿 日期 2 01 0一l 2 2 0 基金 项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 9 0 8 2 4 4 作者简介 李静静 1 9 8 6 一 ， 女 ， 湖南常德人 ， 重庆大学供热 、 供燃气 、 通风及空调工程专业在读硕士研究生 ， 研究方 向为天然气储运 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 2期 OI L AND GAS T RANSP ORT A TI ON AND S T ORAGE 而冷能的大小便是其是否具有利用价值的关键参数 。 如果能 准确 地分 析此 过程 中天然 气冷 能 的 变化 情况 ， 那么这将 为合理 回收和利用天然气冷能提供可靠的 科 学依据 。 1 ． 1炯 分 析模型 ’ 炯是 某种 能量 在 理 论 上 能 够 可 逆 地 转 换 为 功 的 最大数 量 ， 称 为该 能量 中具有 的可用 能 ⋯ 。 下面 利用 炯分析法 建立炯数学 模型对 其进 行分 析 。 从 热力学 角 度看 ， 天 然 气管 道 可 以看成 一 种 开 口 系统 。天然气 经 节流或 作等 熵膨胀 过程 中的炯可 表示 为某 压 力 条件 下 热 不 平 衡 引 起 的 温 度炯与 某 温 度 条 件 下力 不平衡 引起 的压力炯之 和 ， 即 ex ,h e e 1 式 中e x ,h 天然气 的比焓炯 ， k J ／ k g ； ex ,T 天然气 的比温度炯， k J ／ k g ； ex ,p 天然 气 的 比压 力炯 ， k J ／ k g 。 天然气在从环境温度降低到温度 的过程中 ， 其 比温度炯为 e ，P 1 一 e ，P 。 J 1 1 一 d c T - T o 一 c p T o I n 2 』0 式 中 一环 境温 度 ， K； 卜状 态变 化后 的天然 气 温度 ， K； P l 状态 变化 前 的天然气 绝对 压力 ， MP a ； c 。 天然 气 的 比定压 热容 ， k J ／ k g K 。 比压 力炯 相 当 于 天然 气 等 温 流 动 时 由 于膨 胀 所 作的技 术功 ． 即 f Pt D ． ex ,p e x T o ， P 一 e T o ， J 。 d n 3 一 p2 式 中 P厂状 态变化 后 的天然 气绝对 压力 ， MP a ； 天然 气 的 比体 积 ， m 3 ／ k g ； 甲烷摩尔气体常数 ，一般取0 ． 5 1 8 k J ／ k g K 。 1 ． 2 膨 胀 降压后 天然气 温度 的计 算 由式 2 可知， 要想求出高压天然气膨胀降压过程 中产生 的冷能 的大小 ，就必须 求 出经 透平膨 胀机 膨胀 降压后天然气的温度 ， 下面具体分析它的确定方法。 1 ． 2 ． 1热力学 计算 法 从工程热力学可知 ，对于理想气体在绝热等熵膨 胀 时 ， 它的膨胀过 程可 以用 简单 的指 数方程来 表示 _ l 3 ] P V 常数 4 但是在实际的透平膨胀机 中， 膨胀工质偏离 了理 想气体 ，而且 由于气体流动过程中存在着壁面摩擦 、 油号储运 涡 流等 流动 损失 ， 使 得 实 际的膨 胀 过程 偏 离 了等熵 线 0 2 s ． 成 为不 可逆 的非 等 熵 过程 0 2 ， 如 图 1所 示 ， 因 此 式 4 就不 再适用 了。 图 1 绝 热 非 等熵 膨 胀 过 程 如 果认 为 由于摩 擦 而转 换成 的热量 8 q ／ 正 比于膨 胀过程 的实际 比焓降 d ， 那么实际气体 的绝热非等熵 膨 胀过 程也 可 以利 用 与多变 过程 相似 的过程 方程 式 。 根据 上述 假定 ， 即 国 d i 5 式 中 卜能量 损失 系数 。 可得 膨胀 终 了时总 的能量 损失 q ／ 6 q ／ 』 出 o _- 2 6 在 与外 界 没有 热交 换 的情 况 下 ，热 量 曲 只有 摩 擦 热量 8 q ， 一 项 ， 根 据热 力 学第 一定 律 ， 对 于稳 定 流动 系统 有 6 q d i - V d P -- - q ／ 出 7 考 虑 到 出 告Z R d T d P V ， 因 此 整 理 可 得 0 8 1 V P 式 中 等熵膨胀指数 ， 甲烷一般取 1 ． 2 9 E ] 。 设 测 却 成为 0 积分 可得 P V 常 数 9 式 9 就 是 实 际气 体 的绝 热 非 等 熵 过程 方 程 式 。 式中 1 l , 即为绝热非等熵过程的指数 ， 它不仅与等熵指 数 k有关 ， 而且 与流 动过程 中的损失 有关 。 如果设 为理论等熵 比焓降 。 一 全部都转 换 为气 流 的动 能 时所 能 获 得 的理 论 气 流 速度 ． 为 实 际 比焓降 i o - i 全部转换为动能所获得的实际气流速 度 ， 那 么两者存 在关 系 v q g V s 1 0 其 中 为 表征 速度损 失 大小 的速 度 系数 。 I S 2 _ - _12 詈 0 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 2期 o I L AND GAS TRANSPORTATI ON AND STORAGE 输气压力下天然气膨胀降压后的温度 ， 其相对误差为 一 3 ％～ 1 - 3 ％． 而 比温度炯 的相 对误差 为一 4 ％～ 5 ％； b 显然 ． 查焓熵 图 的读 数误差是误 差 的原 因之一 ； c 在 实 际计算 中 ， 用 查焓 熵 图法求 解膨 胀 温 降不 及热 力学计算 法方 便 。应用 热力 学计算 法计 算可 避免 人为 的读数 误差 ，具 有更 好 的 通用 性及 计 算连 续 性 ， 可准 确 地 预测 在 不 同 条 件下 任 意 组 成 天然 气 的膨 胀 温降及所 产生 的冷 能 。 3结 论 a 本文 建立炯数学模 型对 高压 天然气 在 透平膨 胀 机 中的膨胀 降压过 程进行 了炯分析 ，经计 算得 知 降压 梯度 越大 ， 降压后 的温度越 低 ， 所 能 回收利 用 的冷能 就 越 大。 b 基 于高压 天 然气 膨胀 降压 的热 力 学性 质 ， 建 立 了考虑 实 际 气 体经 透 平 膨 胀 机膨 胀 降 压 的 热力 学计 算模 型 。 c 经 与查 焓 熵 图法 对 比分 析 ， 验 证 了本 文 所 述求 经透 平 膨 胀机 膨 胀 降 压 后 天然 气 的 温 度 的热 力 学 计 算 法 的正确性 。 d 热力学计 算法较 查焓熵 图法具 有更好 的通 用性 及 实用 性 。 参考文献 [ 1 ]王松岭 ， 论立 勇， 谢 英柏 ， 等． 基 于天然气 管网压力 能回收 的联合循环构思[ J ] ． 热能动力工程， 2 0 0 5 ， 2 0 6 6 2 8 6 3 1 ； 苫 ； ； ； 蔷 g J油 号 储 运 I。 7 [ 2 ]陈绍凯 ， 李 自力 ， 雷思 罗， 等．高压 天然气压 力能的 回收 利 用技 术[ ．I ] ． 煤气与热力， 2 0 0 8 ， 2 8 4 B 0 1 一 B 0 5 ． [ 3 ]闻 菁 ， 徐 明仿天然气管网压 力能 的回收和利用 [ J ] ． 江苏 _y - 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