中央紀委國家監(jiān)委網站 王珍
北京正南，河北霸州。全國埋藏最深、壓力等級最高的儲氣庫——中國石油華北油田蘇橋儲氣庫便位于此。烈日之下，黃紅交織的天然氣管道熠熠奪目。
這里肩負著保障京津冀地區(qū)城市用氣和季節(jié)調峰重任。如今，正值儲氣庫注氣的關鍵階段。與往年不同，在今年的注氣周期，蘇橋儲氣庫不僅可以為今冬明春天然氣調峰保供“儲糧”“蓄勢”，還能利用天然氣的壓差發(fā)電。
今年5月，我國規(guī)模最大、單機功率最大的天然氣壓差發(fā)電項目在這里成功投運，這也是我國首個在儲氣庫項目上應用壓差發(fā)電技術的項目，標志著國內天然氣余壓、余熱資源化利用開啟新模式，為天然氣存儲、輸運等環(huán)節(jié)的壓力能利用和生產過程節(jié)能降碳起到了重要示范作用。
利用天然氣壓差進行發(fā)電有何現(xiàn)實意義？如何讓天然氣壓力變化轉化為澎湃電力？項目在設計研發(fā)、建造施工過程中，遇到了哪些難題，又是如何破解的？記者與您一起探訪蘇橋儲氣庫天然氣壓差發(fā)電項目。
一種新型綠色的能源回收利用方式
廣泛適用于氣田、儲氣庫、集注站等
儲氣庫，顧名思義，就是一個裝天然氣的“儲存器”。因儲存量大、調峰能力強，儲氣庫在季節(jié)調峰、事故應急供氣、國家能源戰(zhàn)略儲備等方面，發(fā)揮著舉足輕重的作用。
通常情況下，儲氣庫運作以年為周期。冬春用氣高峰時，從儲氣庫采氣輸往下游用戶端；夏秋用氣低谷時，則將上游輸配管網來氣注入儲氣庫儲存起來。
“注氣時，為保障天然氣遠距離輸送，上游輸配管網來氣壓力通常較高，抵達場站需要借助調壓閥進行適當降壓，滿足儲氣庫注氣要求后，再通過壓縮機注入儲氣庫?！敝袊鴸|方電氣集團有限公司下屬東方汽輪機新能源工程事業(yè)部蘇橋儲氣庫壓差發(fā)電項目經理鄭顯彬告訴記者，蘇橋儲氣庫上游輸配管網來氣壓力最高至8兆帕，注氣壓縮機入口處壓力約為4.5兆帕，這就形成了較大壓差。如同水電站上水庫的水釋放會產生較大重力勢能一樣，降壓的過程也會釋放大量能量。如不加以利用，會造成壓力能的白白浪費。
如何解決壓力能浪費問題？鄭顯彬和同事們的解決方案是，將這些能量全部回收發(fā)電，變廢為寶。
如此一來，上游輸配管網來氣不再進入調壓設備，而是進入膨脹設備，通過膨脹機將壓力能轉化為機械能，進而驅動發(fā)電機發(fā)電，最終實現(xiàn)壓力能到電能的轉化。而發(fā)出的電則可供注氣壓縮機將天然氣注入儲氣庫。
目前，該項目兩臺額定功率為3兆瓦的天然氣壓差發(fā)電機組，年發(fā)電量將超2000萬千瓦時，可節(jié)約標煤6000多噸，減少二氧化碳排放近2萬噸。
“這是一種新型綠色的能源回收利用方式。”鄭顯彬介紹，這一過程不消耗天然氣、不會對環(huán)境造成影響，可實現(xiàn)全過程零碳化，且適用場景十分廣泛，“除了儲氣庫之外，天然氣氣田、集注站、分輸站、天然氣用戶等場景均適用?！?/p>
記者了解到，天然氣從開采到用戶大致需經過采氣（集氣）、凈氣、輸氣、儲氣、配氣等環(huán)節(jié)。在不同環(huán)節(jié)，所需壓力不同。因此，在天然氣采集及輸配過程中會經歷多次增壓、降壓，產生的壓力能十分可觀。為破解壓力能浪費難題，東方汽輪機近年來始終致力于天然氣壓差發(fā)電這一低碳能源創(chuàng)新技術的攻關——
2023年9月，由東方汽輪機供貨的中國石油塔里木油田西氣東輸第一站天然氣壓差發(fā)電工程正式投運，裝置額定功率600千瓦，年發(fā)電約為520萬千瓦時。西氣東輸第一站因此成為塔里木油田首個“零碳”油氣場站。
2023年11月，東方汽輪機自主設計制造的“開拓者”原型機在中國石油西南油氣田重慶凈化總廠萬州分廠一次啟機成功，這一天然氣壓差發(fā)電項目機組額定功率600千瓦，運行平穩(wěn)，各項數據均優(yōu)于設計指標。
2024年2月，由東方汽輪機供貨的西南油氣田四川劍閣天然氣壓差發(fā)電項目成功投運。項目采用1臺710千瓦等級的壓差發(fā)電機組，預計年發(fā)電量約352萬千瓦時，能源替代率達42.47%。
今年5月，蘇橋儲氣庫天然氣壓差發(fā)電項目成功投運，東方汽輪機以工程總承包模式提供全流程綜合解決方案……
從千瓦級到兆瓦級，從西到東，從油氣田到儲氣庫，從設備供應方到工程總承包……東方汽輪機天然氣壓差發(fā)電項目團隊不斷取得技術新突破。
全面攻堅實現(xiàn)多項創(chuàng)新突破
發(fā)電效率不斷提高
運行溫度正常，壓力數據正?！?月17日一早，鄭顯彬與運維工作人員一起來到蘇橋項目現(xiàn)場，對膨脹機、制氮撬等設備運行情況進行日常巡檢。
“每天的工作以巡檢開啟?！编嶏@彬告訴記者，項目投運兩個月來，現(xiàn)場巡檢成了他每天的“必修課”，讓他深感欣慰的是，截至目前，壓差發(fā)電機組各設備運行穩(wěn)定，各項數據參數也十分優(yōu)良。
“從無到有，來之不易！”回憶起蘇橋項目的設計、建造、施工、調試過程，鄭顯彬感慨道。
記者了解到，對于凈氣、配氣等低壓力、小壓降的應用場景，我國此前已有比較成熟的壓差發(fā)電裝備和系統(tǒng)方案，但對于采氣（集氣）、儲氣等高壓力、大流量、大壓降、寬負荷的應用場景，相關裝備及其系統(tǒng)集成技術一直處于技術空白。
蘇橋項目使用的我國自主研制的3兆瓦天然氣壓差發(fā)電機組及相關系統(tǒng)集成技術填補了這一空白。
相比以前投運的千瓦級壓差發(fā)電機組，兆瓦級壓差發(fā)電機組承壓更高、處理量更大、裝機規(guī)模更大，對設備參數、安全保障等各方面的要求也更為苛刻?！安⒎窃谠瓩C組基礎上簡單地放大?！睎|方汽輪機工業(yè)透平事業(yè)部高級工程師楊佐衛(wèi)告訴記者，作為我國單機功率最大的天然氣壓差發(fā)電機組，蘇橋項目機組還面臨著儲氣庫壓差發(fā)電“壓力、流量變化范圍寬”、“有壓無熱”等問題。
據介紹，上游輸配管網每天來氣的流量、壓力等不是恒定的，而是在一個區(qū)間范圍內不斷變化。以蘇橋項目為例，上游輸配管網注氣期來氣壓力在6至8兆帕之間變動，每日注氣量在50%至100%之間波動?！白兓秶艽?，這對膨脹設備的靈活性要求極高?！睏钭粜l(wèi)進一步解釋道，如同一輛汽車在道路上行駛，車流量影響著行車速度，汽車要根據行車速度不斷換擋，為確保進氣與發(fā)電效率，膨脹機運行也要根據上游輸配管網來氣壓力、流量等自動作出相應調整。
對此，東方汽輪機聯(lián)合上下游企業(yè)，從材料、電機、工藝等方面開展聯(lián)合技術攻關。楊佐衛(wèi)和團隊成員自主設計、研發(fā)、制造的“帶可變靜葉的徑流式透平”成為解決這一問題的關鍵?！案鶕嫌屋斉涔芫W來氣流量、壓力的變化，透平葉片可自動調整到最佳角度，確保能量在轉換過程中更低耗、更高效。”楊佐衛(wèi)告訴記者。
創(chuàng)新突破不止于此。壓差耦合余熱利用也是蘇橋項目的一大亮點。
據介紹，高壓天然氣通過膨脹機降壓后，溫度也會降低?！疤K橋儲氣庫上游輸配管網來氣溫度較低，若不經任何處理直接通過膨脹機降壓到4.5兆帕，天然氣溫度將降至零下幾十度，極易造成天然氣冰堵?！表椖繄F隊有關專家介紹，他們的破解之道是“注氣壓縮機級間取熱、余壓發(fā)電裝備前復熱”。
“簡單來說，就是將后續(xù)儲氣環(huán)節(jié)注氣壓縮機二三級增壓產生的余熱，通過取熱換熱器及相關管路傳給發(fā)電裝備前安裝的前置復熱器，從而將上游輸配管網來氣加熱至滿足工藝要求的溫度。”楊佐衛(wèi)進一步解釋說，如此一來，有效解決了“有壓無熱”問題。蘇橋項目也由此成為國內儲氣庫工程中首個壓差耦合余熱利用發(fā)電項目，其成功投運標志著國內天然氣余壓、余熱資源化利用開啟新模式。
不斷探索，持續(xù)攻關。膨脹機撬基礎在軟土地基沉降、在已建壓縮機管廊受限空間內新建管架等一系列技術難題也不斷取得創(chuàng)新突破，在降低對已有系統(tǒng)影響的同時，使得壓力能利用效率、系統(tǒng)發(fā)電效率等得到有效提高。
設計集成化運維智慧化
可實現(xiàn)“一鍵啟停、無人值守”
距離蘇橋儲氣庫天然氣壓差發(fā)電項目現(xiàn)場數百米處，有一個集控室。在這里，運維人員可實時監(jiān)測壓差發(fā)電項目各環(huán)節(jié)運行情況。
“這里就如同項目的‘智慧大腦’。”楊佐衛(wèi)告訴記者，在集控室的大型電子屏上，各設備運行參數一目了然，運維人員一旦發(fā)現(xiàn)某參數異常，可及時進行處理。不僅如此，該項目機組還可以實現(xiàn)“一鍵啟停、無人值守”。
“多參數自動匹配和隨動調節(jié)，系統(tǒng)高效自動控制，從而保障裝置平穩(wěn)運行。”楊佐衛(wèi)說，這在運行安全方面體現(xiàn)得尤為明顯。
據介紹，由于天然氣具有易燃易爆的特性，壓差發(fā)電項目對安全等方面的要求很高，技術團隊自設計伊始便考慮到這一點，著力攻克高轉速復雜軸系穩(wěn)定性、機組與場站安全協(xié)調等關鍵技術難題，同時借助數智化設備加強對項目運行環(huán)境的安全監(jiān)測，提高項目運維智慧化水平?！案鬟\行環(huán)節(jié)、各設備設施都裝有智能監(jiān)測設備，比如壓力傳感器、火焰探測器、煙感器等，一旦某參數達到設定閾值，無需人工介入，系統(tǒng)就可自動實現(xiàn)‘一鍵啟?！！睏钭粜l(wèi)說。
不僅如此，數智化支撐還體現(xiàn)在蘇橋項目機組的設計建造上。“項目設計來自于我們積累的數字化經驗，機組的很多設備則出自我們自己的5G全連接數字化工廠?！碧峒皷|方汽輪機建成的行業(yè)首個5G全連接數字化工廠，楊佐衛(wèi)很是自豪。
記者了解到，東方汽輪機的5G全連接數字化工廠連接1500余臺生產設備、9個數字化車間的21條數字化生產線，建立數字研發(fā)、數字管理、智能制造、智慧產品服務、智慧園區(qū)五大板塊，可實現(xiàn)人員、技術、資源、制造、產品全領域數據互聯(lián)互通，使經營效率大幅提升、生產成本不斷降低、產品質量持續(xù)改善。
在5G全連接數字化工廠助力下，蘇橋項目3兆瓦壓差發(fā)電機組實現(xiàn)高度集成化設計建造?！翱稍诠S內成撬，現(xiàn)場安裝更加簡易，大大縮短了施工周期?！睏钭粜l(wèi)表示，這為高壓力、大流量、大壓降、寬負荷壓差發(fā)電機組的產業(yè)化應用，推動石油行業(yè)清潔能源設備實現(xiàn)數字化、智能化、綠色化轉型，構建“零碳”天然氣場站提供重要支撐。
據權威機構預測，到2030年，我國天然氣消費規(guī)模將達到5500億至6000億立方米。按照這一消費規(guī)模計算，天然氣壓力能每年可轉化為近200億度清潔電能，超過成都市全年居民生活用電需求，未來天然氣壓差發(fā)電潛力很大。“我們也將繼續(xù)拓展研究的范圍與深度，在天然氣壓差發(fā)電裝備及其系統(tǒng)集成技術上取得更大突破，拓寬天然氣壓差發(fā)電應用場景?！睏钭粜l(wèi)表示。
