输气管道放空天然气回收技术

摘 要：长输管道场站和阀室放空主要包括紧急抢险放空和计划性放空，前者具有随机性，不具备回收的技术条件，后者主要是管道整改或定期检修放空，具有良好的回收条件和回收价值。输气管道整改或检修情况下，通常采取利用下游分输或压缩机抽吸，将干线压力降至一定压力后点火放空。这种放空方式不仅造成了比较严重的环境污染，也导致了巨大的资源浪费。为了保护环境同时减少经济损失，放空天然气的回收工作迫在眉睫，也具有十分重要的意义。为此，设计了一套以燃气发电机和电解水制氢为中心的放空天然气回收技术，可对计划性放空天然气进行回收制为高压氢气，达到节能减排的目的。

关键词：天然气;放空;回收;燃气发电机;电解水制氢

0 前言

天然气是一种不可再生资源，管道输送天然气是一种基本方式，但在输气管道整改和计划检修情况下，经常需要对一段管线进行放空，通常采取先对管线存量天然气进行部分抽吸，然后点火放空的方式。經济合理地回收利用输气管道放空天然气，用最简洁、快速、有效的方法使之转化为可用资源，具有十分重要的意义[1]。目前，放空天然气回收利用技术主要包括以下几个方面：压缩天然气（CNG）、液化天然气（LNG）、 吸附天然气（ANG）、水合物（NGH）、天然气发电 （GTW）、溴化锂直燃机、信息化技术等[2]。由于这些回收技术存在很多技术难题并未得到广泛采用，文章采用一套创新技术，以放空天然气发电，再通过电解水产出高压氢气储存和运输，实现了长输管道放空天然气的高效回收。

1 工艺流程（见图1）

启动四辆分别载有压缩机增压撬、燃气发电机撬、电解水制氢撬、压缩机增压回收撬的可移动板车驶入规划好的放空区附近，压缩机增压撬与燃气发电机撬用高压软管连接，燃气发电机撬与电解水制氢撬用电缆连接，电解水制氢撬与压缩机增压回收撬用高压软管连接，燃气发电机与两台增压撬装用电缆连接。打开4个球阀，启动燃气发电机开始发电，发出的电能为前后两台增压压缩机和电解水制氢装置供电。

压缩机增压 放空区通过高压软管引出天然气至一个装置在板车上的缓冲罐，缓冲管与增压压缩机撬装直接连通，通过压缩机反向增压抽取需要放空管段中的天然气[3，4]。

燃气发电 天然气通过第二个缓冲罐后，直接进入燃气发电机进行发电，根据放空量的.大小和时间要求来设置燃气发电机的发电功率。

电解水制氢 发电机所产生的电能直接通往电解水制氢撬装，根据放空量的大小和时间要求来设置电解水制氢的制氢功率[5-8]，电解水制氢采用质子交换膜电解水制氢技术[9]。

压缩机增压电解水制出的氢气通过增压压缩机撬装充入高压气瓶，根据放空量的大小计算可制氢气的标准体积，提前准备合适容积和压力的氢气气瓶。

结束 放空回收任务完成后依次关闭第一台压缩机增压撬、球阀1、球阀2、燃气发电机、球阀3、电解水制氢机、球阀4、第二台压缩机增压撬，拆除设备间连接的高压软管和电缆，装载撬装的车辆驶离放空现场。

2 经济性研究

以靖西一线某分输站放空为例，每年有1到3次计划性放空，单次放空量1万Nm³左右，这里模拟放空量为1万Nm³的情况。

功率为37Kw的增压压缩机撬单价约10万元，两台20万元，1000Kw燃气发电机撬约246万元，电解水制氢装置单价约200万元，装载货车单价30万元，4量约120万元，DN110高压软管280米单价65元，4个球阀单价500元，高压软管和球阀约2万元，7m³缓冲罐单价1万元，3个约3万元，合计约692万元。1Nm³天然气可放出8500大卡热量，经燃气发电机能发出7.5度左右电量，1度电经电解水制氢机能生产约0.28Nm³氢气，故1万Nm³天然气可生产2.1万Nm³氢气。1Nm³纯度为99.99%的氢气价格为100元，2.1万Nm³氢气总价格约210万元。

整套放空回收设备成本692万元，而单次回收生产氢气价值210万元，需要30到40次回收作业方可回收成本。1000Kw的燃气发电机1小时消耗420Nm³天然气，消耗1万Nm³天然气需要23.8小时[10]。对于一般的计划性放空作业23.8小时的回收时间是可行的。

3 安全性、可靠性研究

管道放空天然气回收生产的氢气是易燃、易爆气体，一旦发生爆炸后果不堪设想，所以整套回收工艺系统必须提前做好安全实施方案，由专职安全员做好现场监护工作。四辆板车只要留有足够的安全距离且装上防火帽，在有专人监护的情况下可将安全风险降到最低。

由于这套放空回收工艺是针对计划性放空，放空前根据放空量和放空时间选用合适功率的增压压缩机和燃气发电机，所有装置均为可移动撬装，装载在板车上，可非常高效的移动和装卸，生产出的氢气第一时间运送到需要高压氢气的中间商，也将安全风险以最快的时间消除。

4 结论和建议

该放空回收技术均采用现有成熟的压缩、发电、制氢技术，工艺流程简单。当放空量在1万Nm³左右时比较适合实施，放空量太大时整个工艺流程耗时太长，影响下游正常供气，放空量太小时经济性不强，安全性也需要格外注意，必须由专业人员操作回收。但由于这种回收工艺尚未投入现场实施，需要经过多次实验使得各项工艺参数得到进一步优化并符合相应的安全规范。

参考文献：

[1]李晶，杨建明，贾勇，等.输气管道放空天然气回收方案探讨[J].四川环境，2012.12：73-75

[2]张丰足，王静，等.放空天然气回收利用方法探讨[J].辽宁化工，2013.2：154-155

[3]赵京艳，葛凯，等.国产天然气压缩机应用现状及展望[J].安全与管理，2015.10：151-156

[4]姜志国.天然气压缩机的自动控制技术研究[J].石油和化工设备，2021.5：53-55

[5]俞红梅，邵志刚，侯明，等.电解水制氢技术研究进展与发展建议[J].中国工程科学，2021.2：146-152

[6]杜迎晨，雷浩，钱余海.电解水制氢技术概述及发展现状[J].上海节能，2021.8：824-830

[7]邓甜音，何广利，缪平.不同应用场景的电解水制氢成本分析[J].能源化工，2020.12：1-5

[8]张从容.能源转型中的电解水制氢技术发展方向与进展[J].石油石化绿色低碳，2021.8：1-4

[9]何泽兴，史成香，陈志超，等.质子交换膜电解水制氢技术的发展现状及展望[J].化工进展，2021.9：4762-4771

[10]张彦，陶易刚，张韬，等.氢能与电力系统融合发展研究[J].中外能源，2021.9：19-28

作者简介：范锦涛，1984-11，男，汉，山东临沂，本科，高级工程师，输气管道输送。