管道余压利用技术研究综述

管道余压利用技术研究综述

关键词：余压发电;管道;新能源;节能减排

Keywords：

residualpressurepowergeneration;pipeline;newenergy;energysavinga ndemissionreduction

引言

化石能源消耗帶来的环境污染、能源危机等问题日益显著，能源是制

约国家工业、科技、经济发展的重要因素之一。人民生活水平的进步也致

使了资源损耗的增加，目前资源损耗正在消减，生活的环境正在恶化。发

展风能、太阳能、地热能、生物质能、余压余热等可再生能源利用技术将

成为提高能源利用效率的重要措施。

在目前的工业、钢铁、冶金、化工等行业中，生产过程中经常产生大

量的冗余压力能，由于传统节流降压方法为直接排放，未加利用，从而造

成剩余压力能量的浪费，蒸汽在降温降压时，会损耗大量的蒸汽压力和温差，造成资源的极大浪费[1]。

管道余压利用技术是在工业过程中对高压能量进行回收和利用的技术[2]。高压能量通过透平机做功，驱动发电机进行发电，既可供管道井口

本身使用，也可与市级电网连接。该技术既高效又节能，节省开支，也不

会对环境造成任何形式的污染[3-4]。“十三五“节能减排综合明确指出，管道余压利用技术的是未来节能减排领域的重要举措。因此，研究管道余

压利用技术在这一社会环境中的应用已成为必然趋势[5]。

本文对管道余压发电的国内外研究现状进行了总结，并介绍了相关技

术原理，指出目前研究中存在的问题，提出下一步余压发电领域的发展趋势。

1管道余压发电研究现状

1.1国外研究现状

1969年，苏联初次成功实验了余压发电。日本川崎钢铁公司已经在

21座高炉上安置了这类发电机，每个月能产生 1.2亿度的发电量。据析，钢铁厂的高炉在完全安装了顶压发电机后，可提供该厂5%的电力消耗。

2003年头，日本东京电力公司动手制作一座天然气压能发电站，该

电站采用高压天然气在减压工程中的膨胀过程发电，设计发电能力为

7700kW，是世界上为数不多的天然气发电站[6]之一。美国已研制出多级

膨胀式机械能设备，并已申请专利。图1为此多级膨胀机械能装备的流程图。

日本最近几年提出了操纵现存可用水路的“微水电“发电的遍及线路，道理是在已有的输水管道上安置微水电装配，对管路中的过剩水压力能举

行收受接管操纵。采取的具体方法是：搜集水力数据并做成数值计算模型;经由过程计算讨论微水力发电的可能性;将模型一般化的模型寻找适合于

输水道设置微水力发电城市，探讨和解决规划建设时应注意的问题。

2022年，美国罗岗市利用沿峡谷铺设的8350m的管道，用小型的水

轮机来替换减压阀，不但可以起到减压作用，还可以将多余的压能转化为

可用电能[8]。除此之外，英国将在伦敦的天然气输气管网上安设了与生

物燃料结合的发电量为20MW的机组。美国兰斯能源有限公司依据螺杆膨

胀机技术发明了压降的燃气发电装置，该技术与传统涡轮相比膨胀机可靠、

稳定、耐用、投资少、维护费用低，对各种工况适应性强，并随着液体体

积的增加，膨胀机间隙降低，泄漏减少，绝热效率提高。

1.2国内研究现状

19世纪60年代、70年代，四川石油勘察规划设计院[9]曾展开天然

气压能发电机研制事情，并取得了功效。他们研发的装置在天然气进口压

力4MPa，出口压力2MPa，日通过气量7至10万m3时，可发出3.5kW的

电能。发电效果相当于一台TQ-4-1/230型汽油发电机。发出的电能可供

给本井或集气站用于生产及生活照明等[10]。但该装置受当时技术的限制，装置存在发电电压不稳，密封易坏等问题[11]。

1987年，四川石油管理局川南矿区科研所研发了井口天然气压降膨

胀发电机[12]。此发电机透平系统采用冲动式复速结构，调速系统由液压

调速器和调节转阀组成，密封系统由机械净化器、密封环和冷却油泵组成[13]，此装置改善、优化了之前余压发电系统中电压不稳、密封易坏等问题。

2022年，王松岭等人提出了天然气管网压力能回收的燃气-蒸汽联合

循环的观点，如图2所示，此循环系统经由过程收受接管天然气输送管网

压力能、天然气降压冷能和天然气燃烧热能进步能源的综合利用率[14]。

2022年，林牧等人提出采用气液旋流膨胀机的井口天然气余压发电

系统[15]。如图3所示，该系统的发电单元为一台气液旋流膨胀机与一台

发电机通过将多个发电单元串、并联混合排布的方式，灵活调整发电系统

压能利用效率，提高天然气压力能的利用率。

2022年，刁安娜等学者提出利用螺杆膨胀机将高压天然气的压差能

转化为机械能进行发电的天然气压差发电方案[16]。装置的核心部件使用

螺杆膨胀机，能够很好地解决气流带液的问题，对各种工况的适应性较强。装置最高转速为相同气量的透平膨胀机的1/8至1/10，转速较低，装置

运行可靠。

2022年，胡睿等提出了一种天然气压力发电装置[18]。如图4所示，该装置将转轴沿着管体轴向方向放置，且可在管体内部转动，磁铁套接固

定在转轴上，叶轮套接固定在转轴上，导电线圈安装在磁铁周径的管体的

外壁上，导电线圈的两端部连接有电缆。此装置将天然气膨胀机与发电机

结合起来，不仅可以缩小系统的体积，而且节约成本。

国内关于井口天然气余压发电技术的研究发展迅速，相关专利越来越多，具有代表性的还有：（1）一种低压氮气余压发电系统

（CN202220221041）;（2）一种轮回水余压发电装置（CN202210319032）;（3）天然气余压与燃气轮机耦合联供体系、管网体系及方式

（CN202210210008）;（4）一种输油管道自激励余压发电装配

（CN202221863031）;（5）輪回水冷却塔专用余压发电机组

（CN202220681449）;（6）一种TRT余压发电保高炉顶压安全控制装置（CN202210753872）;（7）一种基于单螺杆膨胀机的天然气输送管线余压

发电系统（CN202220711201）;（8）一种新型高压液体余压发电体系

（CN202220447159）等。

国内外学者对管道余压发电的研究过程不仅表明了管道余压发电方案

的可行性，而且根据数据表明管道余压发电技术是一种绿色环保技术，它

通过循环利用中产生的高压能量来产生电能，全过程零排放、零污染。从

长远来看，余压发电技术的规模、潜力和市场需求将保持稳定增长，余压

发电技术将成为一种更具有价值的新技术。

2余压发电原理