摘要
和電力系統相似，燃氣也是高壓輸氣，低壓用氣，調壓器是城鎮燃氣輸配系統的關鍵設備。高壓門站將長輸管線的高壓燃氣通過調壓器多級減壓后將中壓燃氣輸入城區，然后由各個區域調壓站或調壓箱進一步將中壓燃氣減壓至低壓燃氣送入千家萬戶和其他燃燒設備。
高壓天然氣蘊藏著非常豐富的壓縮勢能（物理能），粗略估算，6.0MPa的高壓燃氣儲存的能量每億立方米可以釋放大約0.1739億千瓦時的能量；根據國家統計局數據顯示，2020年，中國天然氣表觀消費量為3259.1億立方米；如果全部發電蘊含著約566.8億千瓦時；單單西氣東輸Ⅰ線、Ⅱ線由8.0MPa調整至0.4MPa，每年即可回收60.5億千瓦時，相當于小浪底年發電量的1.2倍。這些高壓燃氣蘊含的能量都在千千萬萬個調壓器的減壓的過程中以制冷的方式（冷量）白白損耗。本文將介紹一種燃氣物理能透平發電技術助力碳中和——燃氣恒壓差涵道渦輪發電機，該技術目前處于全球行業領先地位。
行業背景及現狀
1963年，我國敷設了第一條長距離供氣管道，即巴縣-重慶供氣管道。2001年西氣東輸管道的建設，拉開了我國天然氣管道大規模建設的序幕。截止到2012年底，我國已建天然氣管道約5.6萬公里，形成了由西氣東輸系統、陜京線系統、川氣東送系統為骨架的橫跨東西、縱貫南北、連通海外的全國性供氣網絡，“西氣東輸、海氣登陸、就近外供”的供氣格局已基本形成，干線管網總輸氣能力超過1500億方/年。
西一線：干線起自新疆輪南，止于上海市白鶴鎮，長3839公里，管徑1016 毫米，設計壓力10MPa，設計輸量170億方/年。2003年10月東段建成投產，2004年12月西段建成投產。
西二線：包括為1干8支。干線起自新疆霍爾果斯，止于廣東廣州，長4918公里，管徑1219毫米，設計壓力12/10MPa，設計輸量300億方/年；支線長約3760公里。2009年12月干線西段及靖邊聯絡線投產；2012年底全線投產。
陜京一線：起自陜西靖邊首站，止于北京市石景山區衙門口末站，干線長約846公里，管徑660毫米，設計壓力6.3MPa，設計輸量30億方/年。1997年建成投產。
陜京二線：起自陜西省靖邊首站，止于北京市通州區通州末站，長約980公里，管徑1016毫米，設計壓力10MPa，設計輸量170億方/年。2005年建成投產。
陜京三線：起自陜西省榆林首站，止于北京市昌平區西沙屯末站，大體并行陜京二線，長約1000公里，管徑1016毫米，設計壓力10MPa，設計輸量150億方/年。2010年底建成投產。
川氣東送管道：干線西起川東北普光首站，東至上海末站，管道干線自西向東途經四川、重慶、湖北、安徽、江蘇、浙江、上海五省二市，長約1700km，管徑1016毫米，設計壓力10MPa，設計輸量120億方/年。2010年建成投產。
忠武線：干線起自重慶忠縣，止于武漢末站，長約719公里，管徑711毫米，設計壓力7.0/6.3MPa，設計輸量30億方/年。
中衛-貴陽聯絡線：起自寧夏中衛首站，止于貴州貴陽末站，長約1613公里。該管道縱貫川渝管網，有4次連接。管徑1016毫米，設計壓力10MPa，設計輸量150億方/年。于2013年9月30日全線貫通。
中緬天然氣管道：自云南瑞麗入境，止于廣西貴港，長約1727公里。該管道在貴陽與中貴線連接，在貴港與西二線南寧支干線連接。管徑1016毫米，設計壓力10MPa，設計輸量120億方/年。于2013年9月30日全線貫通。
2012年12月3日，國家發展改革委印發了《天然氣發展“十二五”規劃》，提出：按照統籌規劃兩種資源、分步實施、遠近結合、保障安全、適度超前的原則，加快天然氣管網建設。
“十二五”期間，新建天然氣管道(含支線)4.4萬公里，新增干線管輸能力約1500億方/年。到“十二五”末，初步形成以西氣東輸、川氣東送、陜京線和沿海主干道為大動脈，連接四大進口戰略通道、主要生產區、消費區和儲氣庫的全國主干管網，形成多氣源供應，多方式調峰，平穩安全的供氣格局。
近年來，主要由燃煤引起的中東部地區霧霾天氣肆虐，嚴重威脅人民群眾的身體健康，使用天然氣可有效降低PM2.5，改善大氣環境。2012年12月5日，環保部、國家發改委、財政部印發并獲國務院批復了《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》。《規劃》明確京津冀、長三角、珠三角等“三區十群”19個省份47個地級及以上城市為大氣污染防治的重點區域，要求對火電、鋼鐵、石化、水泥、有色、化工等6大行業以及燃煤鍋爐執行大氣污染物特別排放限值，這為天然氣發展帶來了新的機遇。管道天然氣作為清潔、高效的能源，需求量不斷增加，目前出現了供不應求的局面。
在石油和煤消耗逐漸減少的情況下，天然氣將成為人類向低碳能源過度時期的最重要化石能源。天然氣作為一種具有高熱值、污染小以及儲量巨大的一次能源，得到了人們的廣泛關注，并得到了迅速的發展，成為人類社會能源利用增長率最快的一種基本能源。中國作為一個能源消耗大國，以煤炭為主要能源消耗已經造成嚴重環境污染。為了扭轉這種緊迫的局面，就必須大力發展天然氣產業，推動天然氣產業上、中、下游的迅速發展起來。我國天然氣長輸管道和世界上大多數國家一樣也采用高壓輸氣，如“陜京二線”、“西氣東輸”等的輸氣壓力都達到了10MPa，從氣田開采的大量純天然氣經長輸管線送至城市，為配合城市各級輸氣管網的運行，需在門站內將燃氣由高壓（如長輸管道設計壓力為10MPa）降為較低壓力（我國城鎮燃氣管道壓力多為1.6-4.0MPa）。調壓站一般采用直接將燃氣通過節流閥降壓降溫（焦耳—湯姆遜效應），氣體通過節流閥降壓，會產生巨大冷量，甚至結冰造成冰堵，對燃氣的安全運行帶來極大隱患，特別是北方地區季節交替有時突如其來令人措手不及。對此，許多專家學者和運行管理技術人員都對此進行了大量的研究，并嘗試了各種解決方法，同時發表了百余篇的論文（百度文庫）
我們認真對近百余篇的論文進行了查閱、學習、分析，并對主要的解決措施進行了歸納總結，解決辦法主要有以下幾點：
1管道電伴熱法
2燃氣加熱器法
3指揮器加熱器法
4加裝換熱器法
5管道干燥法
6加入化學制劑抑制天然氣水合物的形成
7降低調壓撬前后壓差法
顯而易見，上述七種解決方法排除工藝和技術上不可行的，剩余的具備操作性可行的解決方法有一個共性，就是必須由外界輸入能量。其配套投入和維護以及能源消耗成本不言而喻，這里不再贅述。
壓力能國內外利用現狀
隨著天然氣產業的迅速發展，我國加快了天然氣管網的建設，長距離大口徑高壓力和網絡化并逐步形成大型的供氣系統已成為當前世界天然氣輸氣管道發展的總趨勢。國外長輸管道壓力大多在10MPa以上，我國“西氣東輸”和“陜京二線”等的輸氣壓力也達到了10MPa。當管網壓力10MPa，用戶端壓力0.8MPa時，可回收的最大壓力能達359.12kJ/kg，這其中蘊含了巨大的壓力能。例如高壓天然氣由4.0MPa降為0.4MPa時，以120×108m3/a的輸氣量計算，每年這樣的管網可回收的最大壓力能約3.5×1012kJ。如果能采用適當的方式回收利用這部分壓力能，將能在很大程度上提高能源利用率和天然氣管網運行的經濟性。
目前常用的壓力能回收方式包括壓力能發電及壓力能制冷兩大類。日本用天然氣壓差發電來回收管道的壓力能已實現并領先；歐美及俄羅斯國家利用管道壓力能為液化天然氣提供冷量的技術比較成熟。目前國內首個壓力能利用項目—深圳燃氣集團求雨嶺壓力能發電制冰項目為我國的壓力能回收利用提供了典范；在壓力能的其他利用方面，國內外均在開展相關技術的研究，但還尚未建設相應的回收裝置。
國內有關單位應用膨脹機和螺桿機進行了發電嘗試均未取得實戰效果，主要表現在技術可行性不強，經濟可行性差兩大方面：即整體裝置過于龐大、結構過于繁瑣，需要對主體燃氣管路進行改造，施工改造難道較大，發電效率低，不能連續運轉，維修不便，同時會造成供氣壓力波動、震蕩影響供氣；再就是造價成本較高幾乎無經濟收益。
燃氣恒壓差涵道渦輪發電機結構及原理簡介
我公司十七年磨一劍，發明了一項采用智能恒壓差氣體涵道渦輪電發技術，該技術能夠持續給外界輸送電力（并網發電），為門站的其他用電儀表、遠傳設施、辦公、照明等等提供電能。
恒壓涵道渦輪發電機的結構及工作原理：
恒壓涵道渦輪發電機的結構如下：主要由恒壓差控制總成、前端壓力信號管、壓力變送器、涵道渦輪發電機總成、顯示控制器引線端子、末端恒壓信號管等構成
恒壓涵道渦輪發電機的恒壓控制原理簡述如下：壓力變送器同時采集進口壓力和出口壓力信號，AD轉換器將壓力變送器的模擬信號進行數字化處理并送入電腦CPU進行運算；CPU根據出口壓力變送器信號的變化判斷是否打開或者關閉發電機的節流主閥口，并即刻發出指令，由精密數字執行器實時控制主閥口的開度，從而始終保持發電機的出口壓力與預先設定的出口目標壓力相一致，確保發電機進出口保持相對的恒壓狀態。強大的氣流推動涵道渦輪發出電力。
將渦輪直接置于管道內可以嗎？不可以。管道內部沒有壓差，渦輪不能旋轉；還有就是通常大功率渦輪在發電工況下在管道內是一個阻力元件，形成極大的管網供氣阻力!發電負荷隨機變化導致涵道渦輪的旋轉扭矩也隨機改變，即發電量越大渦輪扭矩也越大，管網阻力越大，反之亦然，從而導致供氣管網壓力隨機波動！影響正常安全供氣！這一點也是目前該技術遇到的最為棘手的技術瓶頸！
涵道渦輪恒壓智能發電機將渦輪嵌入在類似調壓器節流閥口的涵道內部，這里氣體的壓差最大、流速最快，氣體急劇膨脹推動渦輪旋轉做功。
如上所述，主動恒壓控制系統的CPU能夠確保發電機高壓氣體的壓力在毫秒級實現調節，保持出口壓力恒定，而涵道渦輪位于發電機出口的前端，節流閥口的后端這樣不會增大管網氣阻!保障管網壓力無波動，確保穩定供氣!
恒壓差涵道渦輪發電機出口壓力與燃氣流量的關系
恒壓涵道渦輪發電機無異于一臺燃氣調壓器；按照國標GB-27790-2011的描述，調壓器是自動調節燃氣出口壓力，使其穩定在某一個壓力范圍的降壓裝置。就是說無論燃氣流量負荷怎樣變化，恒壓涵道渦輪發電機出口壓力應始終保持與設定的目標值相一致，靜特性線就是調壓器出口壓力與流量之間的關系的數學描述，圖中藍色曲線就是恒壓涵道渦輪發電機的靜特性線，顯而易見恒壓涵道渦輪發電機的靜特性線遠遠優于傳統燃氣調壓器！
恒壓差涵道渦輪發電機發電存儲系統構成
下圖是涵道渦輪恒壓智能發電機智能發電存儲及控制原理；電熱帶可以給燃氣進口管道預熱以緩解冰堵的形成，確保安全運行。（改發電系統亦可以實現并網發電）
恒壓差涵道渦輪智能發電機技術應用前景展望
一、從能源構成看：天然氣作為一次性潔凈能源，消費結構的比重逐年遞增。而且，隨著我國城鎮化的快速推進和全球日益突出的環境問題，天然氣也會迎來一個發展高峰！
二、從燃氣行業特點看：全球現有燃氣調壓站、調壓箱（甚至門站）都有一個共同特點就是無人值守分散運行；各大燃氣集團由過去的粗放型朝著精細化、數字化、物聯網智能化轉型；電力是制約當前調壓場站物聯網智能化、信息化建設的根本要素，要想實現場站遠程物聯網信息化改造，解決場站的供電是當務之急，否則一切將成為空談！恒壓涵道渦輪智能發電機技術完全利用管道燃氣的內能進行發電，并且無需另外安裝其他裝備、也無需對現有管段進行改造、可行性強！能夠圓滿解決一切燃氣場站的用電需求！
三、從市場契機看：隨著新能源和電動車的普及推廣，充電樁日顯緊張，各大城市的高壓門站、高壓撬兒蘊含著十分豐富的電能！這將為燃氣企業的增值服務助力，可以想象開發充電樁項目或并網發電成為可能。
四、從經濟可行性和技術可行性看：燃氣恒壓差涵道渦輪發電機的成本僅僅相當一臺進口調壓器的價格。其施工與安裝與調壓器完全相同，無需對管路進行改造，極為便捷。
五、從長遠的社會效益和經濟效益來看：天然氣降壓過程中蘊藏著非常豐富的壓縮勢能，粗略估算，6.0MPa的高壓燃氣儲存的能量每億立方米可以釋放大約0.1739億千瓦時的能量；根據國家統計局數據顯示，2020年，中國天然氣表觀消費量為3259.1億立方米；如果全部發電蘊含著約566.8億千瓦時；單單西氣東輸Ⅰ線、Ⅱ線由8.0MPa調整至0.4MPa，每年即可回收60.5億千瓦時，相當于小浪底年發電量的1.2倍。
我們知道燃氣長輸干線通常運行壓力平均也在6.0Mpa左右，可以想象如此高壓需要消耗巨大的電能將燃氣源源不斷的由壓縮機進行幾次壓縮輸入高壓管網系統，實際上這些消耗的巨大電能，無形之中已經轉換成燃氣的壓縮勢能（內能）儲存在整個高、中、低壓管網中。在燃氣的應用中又被成千上萬個門站、調壓站、調壓箱由調壓器一級一級的進行減壓送入發電廠、熱力站、工業生產、乃至千家萬戶。同時又在無形之中被數萬個調壓器經過減壓，形成制冷效應白白浪費了！（甚至造成冰堵危害安全運行）
可以想象一下，在千千萬萬個燃氣調壓器的調壓過程中，假如將這些電能哪怕是50%進行回收利用，無論從經濟效益還是社會效益以及環境保護等方面來講，將是一件劃時代的、有著十分重大的意義的舉措！
六、從國家管網戰略安全高度來看：與我國戰略安全相關性較大。國家石油天然氣管網集團有限公司（簡稱國家管網公司）2019年12月9日在北京正式成立，標志著深化油氣體制改革邁出關鍵一步。國家石油天然氣管網集團有限公司由國務院國有資產監督管理委員會代表國務院履行出資人職責，列入國務院國有資產監督管理委員會履行出資人職責的企業名單，可見國家對能源大動脈的重視！從戰略層面講國家能源動脈安全穩定運行至關重要！那么必須具有先進技術的支撐，先進硬件設備的支撐。智能社會憑什么感知？管網大數據從何而來？必須依靠智能終端！而網絡僅僅是橋梁！目前，所有燃氣場站智能化的電力供應來源都過分依賴國家電網，電力保障對上述燃氣場站的安全運行的影響可謂線長、面廣！該技術屬于自備電力系統，在長輸管線及各個場站節點相對獨立分布，大大提升了戰略安全性和可靠性。而且，從根本上解決了偏遠場站的配電問題！
七、從國家政策層面看：碳中和碳達峰是基本國策！國家將大力扶持節能、能源二次回收、人工智能、物聯網及創新類科技項目；大力扶持社會公益類的、重大公共性、顛覆性技術的研究與開發。
參考文獻：
01《城鎮燃氣設施冰堵及改善措施的探討》 作者：黃騫，彭知軍
02《天然氣設備冰堵原因及防治措施》 作者：呂青楠
03《防止燃氣調壓器結冰的方法》 作者：易達春?蔣元杰?張建
04《探究天然氣管道發生冰堵的原因及解決方案 》 作者：唐家旭
05《天然氣管道冰堵原因分析及解堵方法研究》作者：李健，廣芮妤，馮永超
06《管線冰堵預警及防治措施探討》 作者：常鵬，李建陽，李大昕
07《基于防止燃氣調壓器結冰的方法分析》 作者：劉華芳
08《天然氣管道冰堵原因分析及解堵方法研究》 作者：王希田，張鑫
09《天然氣門站調壓器冰堵故障分析》 作者：韓斌
