多能互补智慧能源方案分析

刘 伟

上海航天智慧能源技术有限公司

0 引言

天然气门站调压会导致天然气压降大幅下降，大量的热被吸收［1］，出口管道及下游部分的地下管道表面会凝结大量的冰，如不及时加热，会导致管道隆起、变形，降低管道使用寿命，影响调压器、球阀、流量计等设备的使用性能。目前燃气调压器加热方式主要有管道电伴加热法、涡漩先导燃气加热器法及水浴换热器法三种［2］。管道电伴加热法属局部加热，不能保障调压器下游管道及用气设备的安全；涡漩先导燃气加热器为新产品，技术不太成熟；水浴换热器法虽技术成熟，且目前应用广泛，但其能源消耗大，为此，对水浴加热热源进行分析，挖掘出节能潜力具有十分重要的意义。

本文以上海某天然气门站调压加热过程为研究对象开展了研究，采用流程化设计思路，设计步骤如图1所示。

图1 门站调压器加热方案设计流程

1 项目概况

该门站包含30 000 Nm3/h和20 000 Nm3/h两路气源，最大供气量50 000 Nm3/h。冬季由于冷凝水结冰严重，门站地面经常被破坏，而通常的解决办法是采用人工泼淋热水的方式，该方式成本高且效果不显著，为此，项目拟建设调压管道加热系统，以提高调压前天然气温度。项目分两期建设，一期为30 000 Nm3/h管道加热系统，二期根据负荷增长情况为20 000 Nm3/h管道加热系统。一期管道参数如表1所示：

表1 项目一期冬季管道加热设计参数

2 加热量校核

调压站调压过程近似于等焓节流过程［3］，加热量等于加热器出、入口焓差乘以流量，过程中质量流量守恒，根据体积流量乘以密度（标态工况）求出。计算公式如式（1）所示。

式中：

加热过程如图2所示，根据加热前进气压力p=1.24 MPa，温度t=4℃，查询甲烷焓温特性，加热器前入口焓值h=851 kJ/kg；调压后压力po=0.25 MPa，温度to=8℃，查询甲烷焓温特性，调压后加热器出口焓值ho=870 kJ/kg；调压过程近似于等焓节流过程，加热后入口焓值hi=870 kJ/kg；入口压力pi=1.24 MPa，可查出入口温度ti=12.95℃；天然气密度（101.325 KPa，20℃）=0.67 kg/m3，流量=30 000 m3/h，将数据代入，可算出加热器换热功率Hload=108 kW。

图2 天然气加热流程图

3 配置容量优化

为优化配置，设计了多能互补供能系统，从多能耦合角度提高整体能源利用效率［4-5］。系统拓扑结构如图3所示，热负荷为调压加热过程换热功率，电负荷为门站自耗电，供热设备有微型热电联产、热泵、壁挂炉、电锅炉四种，优化的目的是对多种供热设备进行组合寻优。测算边界、设备参数、设备单价见表2～4。

图3 多能互补供能系统拓扑结构

表2 测算边界

表3 设备参数

表4 设备单价

为保障极端条件下的供热，热源设备按125%热负荷设计，表5列出了四种可行性方案。从表5可看出，22 kW微型热电联产+90 kW热泵方案初始投资较高，设备费达25.4万元，但运行费用（燃料+维护）较低，年仅6.56万元，与135 kW锅炉方案相比，年运行费用节约4.04万元，项目投运6.5年，总费用即低于其他三种方案，见图4。

表5 可行方案对比

图4 各方案总费用对比图

4 微型热电联产+空气源热泵系统流程图设计

微型热电联产+空气源热泵系统流程图如图5所示，微型热电联产与空气源热泵的热水管路采用并联形式循环加热水箱中的水。当入口水温低于38℃时加热设备启动，高于45℃时停运，循环流程为水箱下部冷水经微型热电联产和热泵加热后送入用户热水箱上部，热水从水箱上部引出，经换热器换热，换热后的冷水再返回水箱下部，水箱内的热水和冷水通过密度差自然形成温度分层，用户可根据实际需求调整热水量，该方案保障了热水供应的安全性与灵活性。

图5 微型热电联产+空气源热泵系统流程图

微型热电联产+空气源热泵系统主要设备包括：微型热电联产装置、空气源热泵、2x3x2 m3容积水箱、阀门、能量计等。微型热电联产装置气源来自用户调压柜，进气压力1.8～2.5 kPa。微型热电联产、空气源热泵、水泵信号接入配电控制柜，配电控制柜引出一路电源至用户侧开关。

5 项目投运情况

根据2021年运行记录，微型热电联产装置累计运行时间3 164 h，系统综合效率：（mCHP累计发电量-热泵用电量+供热量）/天然气输入热量=（（6.96-6.05）+32.94）/（2.37 x 35.5/3.6）=145%，节约天然气费用：（2.37+1.29）x 3-2.37 x 2.7=4.58万元，阶段性累计数据如表6所示，达到了设计结果，见表7。

表6 项目运行数据

表7 设计与运行数据对比表

6 结论

本文以上海某天然气门站调压加热过程为研究对象开展了供热系统研究，通过总结得出以下结论：

1）基于等焓节流模型测算出调压过程加热量为108 kW，在此基础上，对门站供能系统进行配置优化，结果表明，1台22 kW微型热电联产+90 kW热泵方案在4种方案中为最优，该方案初始投资虽高，但以后的运行费用低，6.5年后总费用即可低于其他三种方案。

2）微型热电联产与空气源热泵的热水管路采用并联形式循环加热水箱中的水，水温低于38℃时加热设备启动，高于45℃时停运，用户可根据实际需求调整热水量，该模式保障了热水供应的安全性与灵活性。

3）项目运行数据验证了该系统具有经济性高与效能高的特点，社会效益和经济效益显著，具有推广和应用价值。