中央紀(jì)委國家監(jiān)委網(wǎng)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(chǔ)氣庫——中國石油華北油田蘇橋儲(chǔ)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(fù)著保障京津冀地區(qū)城市用氣和季節(jié)調(diào)峰重任。如今，正值儲(chǔ)氣庫注氣的關(guān)鍵階段。與往年不同，在今年的注氣周期，蘇橋儲(chǔ)氣庫不僅可以為今冬明春天然氣調(diào)峰保供“儲(chǔ)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(jī)功率最大的天然氣壓差發(fā)電項(xiàng)目在這里成功投運(yùn)，這也是我國首個(gè)在儲(chǔ)氣庫項(xiàng)目上應(yīng)用壓差發(fā)電技術(shù)的項(xiàng)目，標(biāo)志著國內(nèi)天然氣余壓、余熱資源化利用開啟新模式，為天然氣存儲(chǔ)、輸運(yùn)等環(huán)節(jié)的壓力能利用和生產(chǎn)過程節(jié)能降碳起到了重要示范作用。
利用天然氣壓差進(jìn)行發(fā)電有何現(xiàn)實(shí)意義？如何讓天然氣壓力變化轉(zhuǎn)化為澎湃電力？項(xiàng)目在設(shè)計(jì)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(chǔ)氣庫天然氣壓差發(fā)電項(xiàng)目。
一種新型綠色的能源回收利用方式
廣泛適用于氣田、儲(chǔ)氣庫、集注站等
儲(chǔ)氣庫，顧名思義，就是一個(gè)裝天然氣的“儲(chǔ)存器”。因儲(chǔ)存量大、調(diào)峰能力強(qiáng)，儲(chǔ)氣庫在季節(jié)調(diào)峰、事故應(yīng)急供氣、國家能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備等方面，發(fā)揮著舉足輕重的作用。
通常情況下，儲(chǔ)氣庫運(yùn)作以年為周期。冬春用氣高峰時(shí)，從儲(chǔ)氣庫采氣輸往下游用戶端；夏秋用氣低谷時(shí)，則將上游輸配管網(wǎng)來氣注入儲(chǔ)氣庫儲(chǔ)存起來。
“注氣時(shí)，為保障天然氣遠(yuǎn)距離輸送，上游輸配管網(wǎng)來氣壓力通常較高，抵達(dá)場站需要借助調(diào)壓閥進(jìn)行適當(dāng)降壓，滿足儲(chǔ)氣庫注氣要求后，再通過壓縮機(jī)注入儲(chǔ)氣庫。”中國東方電氣集團(tuán)有限公司下屬東方汽輪機(jī)新能源工程事業(yè)部蘇橋儲(chǔ)氣庫壓差發(fā)電項(xiàng)目經(jīng)理鄭顯彬告訴記者，蘇橋儲(chǔ)氣庫上游輸配管網(wǎng)來氣壓力最高至8兆帕，注氣壓縮機(jī)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(huì)產(chǎn)生較大重力勢能一樣，降壓的過程也會(huì)釋放大量能量。如不加以利用，會(huì)造成壓力能的白白浪費(fèi)。
如何解決壓力能浪費(fèi)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(wǎng)來氣不再進(jìn)入調(diào)壓設(shè)備，而是進(jìn)入膨脹設(shè)備，通過膨脹機(jī)將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，最終實(shí)現(xiàn)壓力能到電能的轉(zhuǎn)化。而發(fā)出的電則可供注氣壓縮機(jī)將天然氣注入儲(chǔ)氣庫。
目前，該項(xiàng)目兩臺(tái)額定功率為3兆瓦的天然氣壓差發(fā)電機(jī)組，年發(fā)電量將超2000萬千瓦時(shí)，可節(jié)約標(biāo)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(huì)對環(huán)境造成影響，可實(shí)現(xiàn)全過程零碳化，且適用場景十分廣泛，“除了儲(chǔ)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。”
記者了解到，天然氣從開采到用戶大致需經(jīng)過采氣（集氣）、凈氣、輸氣、儲(chǔ)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(huì)經(jīng)歷多次增壓、降壓，產(chǎn)生的壓力能十分可觀。為破解壓力能浪費(fèi)難題，東方汽輪機(jī)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(shù)的攻關(guān)——
2023年9月，由東方汽輪機(jī)供貨的中國石油塔里木油田西氣東輸?shù)谝徽咎烊粴鈮翰畎l(fā)電工程正式投運(yùn)，裝置額定功率600千瓦，年發(fā)電約為520萬千瓦時(shí)。西氣東輸?shù)谝徽疽虼顺蔀樗锬居吞锸讉€(gè)“零碳”油氣場站。
2023年11月，東方汽輪機(jī)自主設(shè)計(jì)制造的“開拓者”原型機(jī)在中國石油西南油氣田重慶凈化總廠萬州分廠一次啟機(jī)成功，這一天然氣壓差發(fā)電項(xiàng)目機(jī)組額定功率600千瓦，運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。
2024年2月，由東方汽輪機(jī)供貨的西南油氣田四川劍閣天然氣壓差發(fā)電項(xiàng)目成功投運(yùn)。項(xiàng)目采用1臺(tái)710千瓦等級的壓差發(fā)電機(jī)組，預(yù)計(jì)年發(fā)電量約352萬千瓦時(shí)，能源替代率達(dá)42.47%。
今年5月，蘇橋儲(chǔ)氣庫天然氣壓差發(fā)電項(xiàng)目成功投運(yùn)，東方汽輪機(jī)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(chǔ)氣庫，從設(shè)備供應(yīng)方到工程總承包……東方汽輪機(jī)天然氣壓差發(fā)電項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)不斷取得技術(shù)新突破。
全面攻堅(jiān)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)創(chuàng)新突破
發(fā)電效率不斷提高
運(yùn)行溫度正常，壓力數(shù)據(jù)正常……7月17日一早，鄭顯彬與運(yùn)維工作人員一起來到蘇橋項(xiàng)目現(xiàn)場，對膨脹機(jī)、制氮撬等設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行日常巡檢。
“每天的工作以巡檢開啟。”鄭顯彬告訴記者，項(xiàng)目投運(yùn)兩個(gè)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(jī)組各設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)也十分優(yōu)良。
“從無到有，來之不易！”回憶起蘇橋項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造、施工、調(diào)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(yīng)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(chǔ)氣等高壓力、大流量、大壓降、寬負(fù)荷的應(yīng)用場景，相關(guān)裝備及其系統(tǒng)集成技術(shù)一直處于技術(shù)空白。
蘇橋項(xiàng)目使用的我國自主研制的3兆瓦天然氣壓差發(fā)電機(jī)組及相關(guān)系統(tǒng)集成技術(shù)填補(bǔ)了這一空白。
相比以前投運(yùn)的千瓦級壓差發(fā)電機(jī)組，兆瓦級壓差發(fā)電機(jī)組承壓更高、處理量更大、裝機(jī)規(guī)模更大，對設(shè)備參數(shù)、安全保障等各方面的要求也更為苛刻。“并非在原機(jī)組基礎(chǔ)上簡單地放大。”東方汽輪機(jī)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(jī)功率最大的天然氣壓差發(fā)電機(jī)組，蘇橋項(xiàng)目機(jī)組還面臨著儲(chǔ)氣庫壓差發(fā)電“壓力、流量變化范圍寬”、“有壓無熱”等問題。
據(jù)介紹，上游輸配管網(wǎng)每天來氣的流量、壓力等不是恒定的，而是在一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)不斷變化。以蘇橋項(xiàng)目為例，上游輸配管網(wǎng)注氣期來氣壓力在6至8兆帕之間變動(dòng)，每日注氣量在50%至100%之間波動(dòng)。“變化范圍很大，這對膨脹設(shè)備的靈活性要求極高。”楊佐衛(wèi)進(jìn)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(jù)行車速度不斷換擋，為確保進(jìn)氣與發(fā)電效率，膨脹機(jī)運(yùn)行也要根據(jù)上游輸配管網(wǎng)來氣壓力、流量等自動(dòng)作出相應(yīng)調(diào)整。
對此，東方汽輪機(jī)聯(lián)合上下游企業(yè)，從材料、電機(jī)、工藝等方面開展聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)。楊佐衛(wèi)和團(tuán)隊(duì)成員自主設(shè)計(jì)、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(guān)鍵。“根據(jù)上游輸配管網(wǎng)來氣流量、壓力的變化，透平葉片可自動(dòng)調(diào)整到最佳角度，確保能量在轉(zhuǎn)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(xiàng)目的一大亮點(diǎn)。
據(jù)介紹，高壓天然氣通過膨脹機(jī)降壓后，溫度也會(huì)降低。“蘇橋儲(chǔ)氣庫上游輸配管網(wǎng)來氣溫度較低，若不經(jīng)任何處理直接通過膨脹機(jī)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。”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)有關(guān)專家介紹，他們的破解之道是“注氣壓縮機(jī)級間取熱、余壓發(fā)電裝備前復(fù)熱”。
“簡單來說，就是將后續(xù)儲(chǔ)氣環(huán)節(jié)注氣壓縮機(jī)二三級增壓產(chǎn)生的余熱，通過取熱換熱器及相關(guān)管路傳給發(fā)電裝備前安裝的前置復(fù)熱器，從而將上游輸配管網(wǎng)來氣加熱至滿足工藝要求的溫度。”楊佐衛(wèi)進(jìn)一步解釋說，如此一來，有效解決了“有壓無熱”問題。蘇橋項(xiàng)目也由此成為國內(nèi)儲(chǔ)氣庫工程中首個(gè)壓差耦合余熱利用發(fā)電項(xiàng)目，其成功投運(yùn)標(biāo)志著國內(nèi)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(guān)。膨脹機(jī)撬基礎(chǔ)在軟土地基沉降、在已建壓縮機(jī)管廊受限空間內(nèi)新建管架等一系列技術(shù)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(shí)，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(shè)計(jì)集成化運(yùn)維智慧化
可實(shí)現(xiàn)“一鍵啟停、無人值守”
距離蘇橋儲(chǔ)氣庫天然氣壓差發(fā)電項(xiàng)目現(xiàn)場數(shù)百米處，有一個(gè)集控室。在這里，運(yùn)維人員可實(shí)時(shí)監(jiān)測壓差發(fā)電項(xiàng)目各環(huán)節(jié)運(yùn)行情況。
“這里就如同項(xiàng)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(shè)備運(yùn)行參數(shù)一目了然，運(yùn)維人員一旦發(fā)現(xiàn)某參數(shù)異常，可及時(shí)進(jìn)行處理。不僅如此，該項(xiàng)目機(jī)組還可以實(shí)現(xiàn)“一鍵啟停、無人值守”。
“多參數(shù)自動(dòng)匹配和隨動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)高效自動(dòng)控制，從而保障裝置平穩(wěn)運(yùn)行。”楊佐衛(wèi)說，這在運(yùn)行安全方面體現(xiàn)得尤為明顯。
據(jù)介紹，由于天然氣具有易燃易爆的特性，壓差發(fā)電項(xiàng)目對安全等方面的要求很高，技術(shù)團(tuán)隊(duì)自設(shè)計(jì)伊始便考慮到這一點(diǎn)，著力攻克高轉(zhuǎn)速復(fù)雜軸系穩(wěn)定性、機(jī)組與場站安全協(xié)調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)難題，同時(shí)借助數(shù)智化設(shè)備加強(qiáng)對項(xiàng)目運(yùn)行環(huán)境的安全監(jiān)測，提高項(xiàng)目運(yùn)維智慧化水平。“各運(yùn)行環(huán)節(jié)、各設(shè)備設(shè)施都裝有智能監(jiān)測設(shè)備，比如壓力傳感器、火焰探測器、煙感器等，一旦某參數(shù)達(dá)到設(shè)定閾值，無需人工介入，系統(tǒng)就可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)‘一鍵啟停’。”楊佐衛(wèi)說。
不僅如此，數(shù)智化支撐還體現(xiàn)在蘇橋項(xiàng)目機(jī)組的設(shè)計(jì)建造上。“項(xiàng)目設(shè)計(jì)來自于我們積累的數(shù)字化經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組的很多設(shè)備則出自我們自己的5G全連接數(shù)字化工廠。”提及東方汽輪機(jī)建成的行業(yè)首個(gè)5G全連接數(shù)字化工廠，楊佐衛(wèi)很是自豪。
記者了解到，東方汽輪機(jī)的5G全連接數(shù)字化工廠連接1500余臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備、9個(gè)數(shù)字化車間的21條數(shù)字化生產(chǎn)線，建立數(shù)字研發(fā)、數(shù)字管理、智能制造、智慧產(chǎn)品服務(wù)、智慧園區(qū)五大板塊，可實(shí)現(xiàn)人員、技術(shù)、資源、制造、產(chǎn)品全領(lǐng)域數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，使經(jīng)營效率大幅提升、生產(chǎn)成本不斷降低、產(chǎn)品質(zhì)量持續(xù)改善。
在5G全連接數(shù)字化工廠助力下，蘇橋項(xiàng)目3兆瓦壓差發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)高度集成化設(shè)計(jì)建造。“可在工廠內(nèi)成撬，現(xiàn)場安裝更加簡易，大大縮短了施工周期。”楊佐衛(wèi)表示，這為高壓力、大流量、大壓降、寬負(fù)荷壓差發(fā)電機(jī)組的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)石油行業(yè)清潔能源設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、綠色化轉(zhuǎn)型，構(gòu)建“零碳”天然氣場站提供重要支撐。
據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2030年，我國天然氣消費(fèi)規(guī)模將達(dá)到5500億至6000億立方米。按照這一消費(fèi)規(guī)模計(jì)算，天然氣壓力能每年可轉(zhuǎn)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(shù)上取得更大突破，拓寬天然氣壓差發(fā)電應(yīng)用場景。”楊佐衛(wèi)表示。
