第1章  緒論

1.1引言/ 001

1.2天然氣管網建設與發展方向/ 001

1.2.1天然氣產業發展現狀及趨勢/ 001

1.2.2天然氣管網建設特點和預期目標/ 003

1.3天然氣壓力能應用特點與發展潛力/ 005

1.3.1天然氣管網壓力能的含量及特征/ 005

1.3.2天然氣管網壓力能的應用背景/ 006

1.3.3天然氣管網壓力能的應用方式和發展潛力/ 007

參考文獻/ 008



第2章  高壓氣體膨脹技術與設備

2.1引言/ 009

2.2高壓氣體膨脹技術/ 009

2.2.1氣體膨脹過程分析/ 009

2.2.2氣體膨脹熱力學分析/ 013

2.3高壓氣體膨脹設備/ 014

2.3.1氣體膨脹類型/ 014

2.3.2活塞式膨脹機/ 015

2.3.3螺杆膨脹機/ 017

2.3.4渦旋式膨脹機/ 020

2.3.5透平膨脹機/ 021

2.3.6氣波制冷機/ 022

參考文獻/ 025



第3章  天然氣管網壓力能利用其他相關繫統和設備

3.1引言/ 027

3.2低溫天然氣復溫換熱繫統/ 028

3.2.1空溫式換熱器/ 028

3.2.2管殼式換熱器/ 032

3.3壓力能發電繫統及設備/ 042

3.3.1磁力發電機原理/ 042

3.3.2壓力能發電設備/ 045

3.4氣體壓縮繫統及設備/ 048

3.4.1離心式壓縮機/ 048

3.4.2活塞式壓縮機/ 053

3.4.3螺杆壓縮機/ 055

3.5自動控制繫統及常用儀表/ 057

3.5.1儀表自控繫統功能/ 057

3.5.2常用儀表/ 059

參考文獻/ 063



第4章 天然氣管網壓力能利用繫統設計

4.1引言/ 064

4.2天然氣管網壓力能發電繫統/ 064

4.2.1大型天然氣壓力能發電工藝繫統/ 065

4.2.2中型天然氣壓力能發電工藝繫統/ 069

4.2.3小型天然氣壓力能發電工藝繫統/ 074

4.2.4微型天然氣壓力能發電工藝繫統/ 077

4.2.5天然氣壓力能管道內置發電工藝繫統/ 080

4.3天然氣管網壓力能制冷繫統/ 085

4.3.1天然氣壓力能制冷分類/ 085

4.3.2壓力能用於廢舊橡膠低溫粉碎/ 088

4.3.3壓力能用於天然氣液化/ 091

4.3.4壓力能用於冷庫/ 094

4.4天然氣管網壓力能綜合利用繫統/ 097

4.4.1天然氣壓力能集成發電-橡膠粉碎-冷庫工藝研究/ 098

4.4.2壓力能集成發電-CNG-冷庫-空調工藝研究/ 101

4.5天然氣管網壓力能的其他應用/ 105

4.5.1天然氣壓力能用於儲氣調峰 / 105

4.5.2天然氣壓力能用於CNG 加壓/ 106

參考文獻/ 109



第5章  壓力能利用相關支撐技術及發展趨勢

5.1引言/ 111

5.2燃氣調壓技術/ 111

5.2.1調壓器原理及分類/ 112

5.2.2調壓器工作特性及影響因素/ 114

5.2.3調壓器選型及設備/ 118

5.2.4遠程智能調壓繫統/ 124

5.3智能電網技術/ 125

5.3.1智能電網定義/ 125

5.3.2智能電網特點/ 125

5.3.3智能電網關鍵技術/ 126

5.3.4智能電網發展趨勢/ 127

5.4智能管網技術/ 131

5.4.1智能管網概述/ 131

5.4.2智能管網關鍵技術及其特點/ 133

5.4.3智能管網建設的制約因素/ 134

5.4.4智能管網發展趨勢/ 135

5.5噪聲控制技術/ 138

5.5.1噪聲危害/ 139

5.5.2噪聲根源分析/ 139

5.5.3噪聲控制技術/ 139

5.5.4噪聲控制技術發展趨勢/ 140

5.6新型發電技術/ 141

5.6.1波浪能發電技術/ 141

5.6.2熱電偶發電技術/ 147

5.6.3納米發電機/ 149

參考文獻/ 150



第6章  壓力能利用項目與相關產業銜接和發展

6.1引言/ 152

6.2冷庫行業與天然氣壓力能利用銜接/ 152

6.2.1冷庫行業發展現狀/ 152

6.2.2低溫天然氣冷能用於冷庫工藝/ 153

6.2.3制約冷庫工藝發展的主要矛盾簡述/ 154

6.2.4冷能回收利用冷庫項目市場前景與預測/ 154

6.3制冰行業與天然氣壓力能利用銜接/ 155

6.3.1制冰行業發展現狀/ 155

6.3.2國內制冰工藝/ 155

6.3.3低溫天然氣冷能用於制冰工藝/ 156

6.3.4制冰工藝對比/ 157

6.3.5冷能回收利用制冰項目市場前景與預測/ 158

6.4空調行業與天然氣壓力能利用銜接/ 158

6.4.1空調蓄冷方式/ 158

6.4.2空調蓄冷發展現狀/ 160

6.4.3低溫天然氣冷能用於空調制冷工藝/ 161

6.5干冰行業與天然氣壓力能利用銜接/ 163

6.5.1干冰行業發展現狀/ 163

6.5.2國內現有干冰制取工藝/ 165

6.5.3利用天然氣壓力能制取干冰工藝/ 165

6.5.4制約干冰項目發展的主要矛盾簡述/ 167

6.5.5冷能回收利用制取干冰項目市場前景與預測/ 167

6.6廢舊橡膠回收利用與天然氣壓力能利用銜接/ 168

6.6.1橡膠回收利用行業現狀/ 168

6.6.2天然氣壓力能用於橡膠粉碎工藝/ 170

6.6.3制約深冷粉碎項目發展的主要矛盾簡述/ 171

6.6.4冷能回收利用深冷粉碎項目市場前景與預測/ 172

6.7小型LNG 液化產業與天然氣壓力能利用銜接/ 172

6.7.1小型LNG 液化產業發展現狀/ 172

6.7.2天然氣壓力能制LNG 工藝/ 174

6.8天然氣壓力能分布式數據中心/ 176

6.8.1數據中心行業發展現狀/ 176

6.8.2分布式數據中心制冷工藝/ 177

6.8.3天然氣壓力能分布式數據中心前景預測/ 178

參考文獻/ 179



第7章  壓力能利用項目設計規範

7.1引言/ 181

7.2石油專業設計規範/ 181

7.2.1天然氣規範/ 181

7.2.2設計類相關規範/ 183

7.3化工專業設計規範/ 185

7.3.1設備設計相關規範/ 185

7.3.2維護檢修相關規範/ 186

7.4機械專業設計規範/ 187

7.4.1泵相關規範/ 187

7.4.2壓縮機相關規範/ 188

7.4.3制冷設備相關規範/ 189

7.5城鎮建設行業設計規範/ 192

7.6項目運營管理設計規範/ 194

7.6.1天然氣壓力能利用設計規範案例分析/ 194

7.6.2公用工程及輔助設施設計規範/ 195

7.6.3勞動保護、安全、消防設計規範/ 198

7.6.4環境保護設計規範/ 201



第8章  大型壓力利用工程建設管理

8.1引言/ 203

8.2現場調研及設計/ 203

8.2.1建設條件調研分析/ 203

8.2.2項目方案設計/ 204

8.3工程建設準備/ 204

8.3.1施工組織及分工/ 204

8.3.2施工準備/ 204

8.4項目設備驗收/ 205

8.4.1膨脹機驗收/ 205

8.4.2換熱器驗收/ 206

8.5工程建設說明/ 208

8.5.1土方作業/ 208

8.5.2撬裝設備弔裝/ 208

8.5.3工藝管道作業/ 209

8.5.4冷熱水繫統安裝/ 211

8.5.5電纜電線、防靜電接地安裝/ 211

8.6工程建設管理/ 211

8.6.1工程質量和安全管理/ 211

8.6.2工期管理/ 212

8.6.3成本管理/ 212

8.7環境影響評價及防治/ 212

參考文獻/ 213



第9章  大型壓力能利用項目維護和運營

9.1引言/ 215

9.2大型壓力能利用項目簡介/ 215

9.3大型壓力能利用項目運行維護/ 216

9.3.1主要設備介紹/ 216

9.3.2設備調試/ 217

9.3.3故障現像及排除措施/ 220

9.3.4安全事故與應急措施/ 224

9.3.5設備維護/ 227

9.4大型壓力能利用項目運營影響因素分析/ 228

9.4.1項目的運營瓶頸及制約因素/ 228

9.4.2項目利益相關性分析/ 229

9.4.3項目運營模式選擇/ 230

9.4.4已有項目運營方式分析/ 232

9.5大型壓力能利用項目運營案例分析/ 232

9.5.1技術方案設計/ 232

9.5.2運營關鍵因素分析/ 234

9.5.3運營方案設計/ 236

9.5.4技術經濟性分析/ 237

參考文獻/ 239

2017 年國家發改委、能源局等13 部委聯合印發《關於加快推進天然氣利用的意見》，提出逐步將天然氣培育成為我國的主體能源之一；到2020 年天然氣在一次能源中的占比將提升至10%，2030 年提升至15%。目前我國已建成西氣東輸管線，陝京繫統、澀寧蘭、川氣東送、哈瀋等多條大口徑的長輸天然氣管道，以及用於大區域資源調配的中貴聯絡線和冀寧聯絡線兩大跨省聯絡線工程，已基本建成“橫跨東西、縱貫南北、聯通境外”的全國天然氣管網格局。

根據能源發展“十三五”及“十四五”規劃，僅天然氣管道，我國在2019～2020 年和2021～2025 年分別有2.8 萬千米和5.9 萬千米的建設計劃。隨著國家管網公司的成立和運營，將建設更多長輸管線，燃氣管道在全國範圍內的覆蓋率越來越密集，所蘊含的管網壓力能也將越來越豐富。天然氣管網壓力能是一種依附於管網、能量密度較低、分布廣泛的綠色能源，可充分用於發電和制冷行業。國內外對此已開展諸多研究，隨著深燃留仙洞天然氣管網壓力能利用項目的順利調試，開啟了我國管網壓力能利用的新高潮。2010～2017 年間，開展類似研究的單位從20多家增加至60 家，專利申請數量從20 餘項增加至325 項，文章發表數量從90 篇增加至350篇，相關技術及示範逐步擴展至發電、制冷甚至冷-電集成利用等領域，未來將會有更多的單位和公司加入這個行列，從而促進天然氣產業升級和智能化發展。

筆者以科研項目為基礎，結合國內外研究現狀，繫統嚴謹地論述了天然氣管網壓力能利用技術，主要分為工藝設備、相關產業、項目管理和運營三個層面共9 章內容。第1 章主要論述天然氣發展現狀、管網建設和運營現狀、發展趨勢以及壓力能蘊涵量及特點、應用場站和發展潛力等；第2 章主要介紹氣體壓力能利用原理、幾種膨脹設備的結構特點；第3 章主要介紹相關繫統和設備，包括天然氣換熱繫統及設計、發電機、壓縮機、儀表控制繫統等；第4 章主要講述天然氣管網壓力能用於發電、制冷、調峰以及綜合利用等多個繫統的工藝，包括大型、中型、小型、微型以及管道內置發電等多個規模的利用方式；第5 章主要介紹和分析了其他相關技術對壓力能利用技術的影響，包括新型調壓技術與發電技術、智能電網和管網、噪聲控制技術等；第6 章主要介紹冷庫、制冰、空調、干冰、LNG、廢舊橡膠深冷粉碎、數據中心等行業發展現狀、特點及與壓力能利用站點結合的可能性；第7～ 9 章詳細介紹大型天然氣壓力能利用項目的規範、設計、建設施工和管理、運營等。

《天然氣管網壓力能利用技術》由北京燃氣集團高順利副總裁團隊和華南理工大學徐文東老師團隊執筆編寫，由高順利副總裁和徐文東老師審核。在編著過程中得到王青教授的大力支持和幫助，在修改過程中樊栓獅教授和高學農教授提供了專業的技術支持和咨詢服務，在此深表謝意！為保證知識的繫統性也引用了相關文獻內容，在此對被引用文獻的作者表示感謝。由於編者水平有限，書中不足之處在所難免，還望讀者不吝賜教。



編著者

2019年12月