引言天然气多采用高压力长距离运输，2020年我国天然气输送管道总长度达10.4 万km，西气东输Ⅰ线的年总输气量约1.6×1010 m3[1]。天然气直接利用具有极高的经济价值，在输送过程中同样具有可以挖掘的潜力[2]。分级调压过程中，由压力下降产生的压力能具有极大的利用潜力，如果将天然气压力从8 MPa降低至0.4 MPa，我国西气东输Ⅰ线可回收约2 430 GWh的压力能[3]。利用调节阀对压力能进行简单降压会浪费大量的压力能[4]。采取有效措施回收压力能可以提升天然气的能源利用效率及系统的整体经济效益[5]。目前已有许多学者在天然气压力能回收利用方面开展了研究。文献[6]、文献[7]验证了城市天然气调压站膨胀机发电的可能。文献[8]设计开发了一种余压发电一体化工艺技术，提升了天然气管网余压利用效率。文献[9]提出了在天然气调压站内，回收压力能涉及的关键性能指标，并根据自定预测模型计算不同指标。文献[10]、文献[11]在考虑可再生能源的情况下，设计合理的微电网储能与负荷调度方案流程并进行仿真计算。我国在压力能特性研究和回收利用方面取得了较多成果，但对压力能利用项目的评估研究较少，有必要建立余压发电项目的评估指标体系。文中介绍了天然气余压发电原理，从能量转化效率、技术成熟先进性、运行安全可靠性、经济效益可行性等方面提出了评估指标，利用层次分析法计算评估指标权重，开展天然气余压发电实际应用的算例分析，验证评估指标体系和评估方法的准确性和有效性。1余压发电原理天然气余压发电技术在原调压站工艺的基础上，利用膨胀机代替调压阀，高压天然气在膨胀机内降压产生机械能，从而驱动发电机发电。天然气余压发电技术流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.003.F001图1天然气余压发电技术流程根据热力学原理，是工质的状态参数，是其能量在理论上能够可逆地转换为功的最大数量，天然气的比焓是压力能在理论上能够可逆地转换为功的最大数量。将天然气管网视作开口系统，天然气比焓为：ex,h=ex,T+ex,P (1)式中：ex,h——气体的比焓，J/kg；ex,T——气体的比温度，J/kg；ex,P——气体的比压力，J/kg。2评估指标体系与方法2.1评估指标体系建立评估指标时应考虑科学性、指向性、结构性、系统性和及时性五大原则。余压发电系统的利益相关者包括调压站、石油公司和地方经济，参考马斯洛需求层次理论，对各利益相关者的需求进行层次划分。余压发电系统利益需求层次如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.003.F002图2余压发电系统利益需求层次综合考虑天然气余压发电的生产条件和工艺流程，将经济效益纳入考核范围，从能量转化效率、技术成熟先进性、运行安全可靠性和经济效益可行性共4个方面建立评估指标体系。余压发电系统评估指标体系如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.003.F003图3评估指标体系（1）能量转化效率。膨胀机（含发电机）能量转化效率ηSE为：ηSE=PelecE1 (2)式中：Pelec——膨胀机发电功率，kW；E1——进入膨胀机的高压天然气的。（2）技术成熟先进性。通过评估设备的技术成熟先进性，可以了解设备的技术发展阶段，明确设备已达到的技术水平。采用《装备技术成熟度等级划分及定义》(GJB 7688—2012)对设备的成熟度进行定级评估，技术成熟度从低到高共划分9级。（3）运行安全可靠性。连续稳定运行时长是余压发电系统开机运行后持续稳定运行的时间，故障停机时，指标值清零，重新开始计算时长。非计划停运系数FUO为：FUO=HUOHP×100% (3)式中：HUO——非计划停运时长，h；HP——统计期时长，h。出力系数FO为：FO=WGAGHS×WGMC×100%=HUTHS×100% (4)式中：WGAG——余压发电机组毛实际发电量，kWh；HS——机组运行时长，h；WGMC——余压发电机组毛最大容量，kW；HUT——机组利用时长，h。运行系数FH为：FH=HSHP×100% (5)电能质量是电力系统中电能的质量。通过该指标可以分析哪些因素会导致余压发电的电能质量问题，找到消除问题的方法，最大限度地使电能接近正弦波。负荷率为实际功率与设计额定功率的比值，用于评估余压发电系统对容量设计水平的完成度。（4）经济效益可行性。单位容量投资成本是每千瓦装机功率需要投入的资金量，可以直接反映余压发电系统的建设成本在膨胀机购买方面的情况。静态投资回收期ηT为：ηT=CTEa (6)式中：ηT——余压发电项目的投资回收期，年；CT——余压发电项目的投资费用（含设备运维费用），万元；Ea——年经济收益，万元。动态投资回收期Pt为：Pt=(N-1)+A/B (7)式中：N——累计净现金流量现值出现正值的年数；A——上一年累计净现金流量现值的绝对值；B——出现正值年份净现金流量的现值。Pt≤基准投资回收期时，项目具备可行性，可以在规定时间收回投资；Pt基准投资回收期时，项目不具备可行性。2.2评估方法利用层次分析法将决策问题分解为不同的层次结构，遵循的顺序为总目标→各层子目标→评价准则→备投方案，对矩阵特征向量进行计算和判断，得到对应的优先权重，采用加权和计算各备择方案对总目标的权重。（1）第一步：建立层次结构模型。根据决策设定的目标、考虑的各项因素以及决策涉及的对象之间的关系，将层次结构分成高、中、低层，绘制层次结构图。其中，最高层对应决策目的，最低层对应备选方案，中间层对应考虑因素及决策准则。相邻的两个层次之间，高层代表目标，低层代表因素。（2）第二步：构造判断（成对比较）矩阵。采用相对法对所有因素进行相互比较，aij为要素i与要素j重要性比较结果。9个重要性等级以及量化值如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.003.T001表19个重要性等级以及量化值因素i比因素j量化值同等重要1稍微重要3较强重要5强烈重要7极端重要9两相邻判断的中间值2、4、6、8根据比较结果形成判断矩阵，具有如下性质：aij=1aji (8)（3）第三步：层次单排序及其一致性检验。将判断矩阵最大特征根(λmax)的特征向量归一化，记为W。确定W的元素，通过一致性检验后，进行层次单排序。其中，n阶一致阵的唯一非零特征根为n；n阶正互反阵A的最大特征根λ≥n，当且仅当λ=n时，A为一致矩阵。因为λ与aij的相关性较大，λ大于n，A的不一致性越大，利用CI表示一致性指标，其数值越小时，一致性越大。CI=λ-nn-1 (9)CI等于0时，具备完全一致性；CI接近0时，具备满意一致性；CI越大，指标越不一致。引入随机一致性指标RI：RI=CI1+CI2+⋯CINn (10)判断矩阵阶数为1~10时，RI分别为0、0、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45、1.49。为了排除可能导致一致性偏离的随机原因，较好地判断CI是否接近0，还需计算检验系数CR。CR=CIRI (11)如果CR低于0.1，通过一致性检验，否则认为指标不具备满意一致性。（4）第四步：层次总排序及其一致性检验。由高到低依次计算某一层次全部因素对最高层（总目标）的相对重要权值，得到层次总排序。3算例分析为了验证模型的可行性与有效性，以某调压站余压发电项目为例，分别从能量转化效率、技术成熟先进性、运行安全可靠性、经济效益可行性等4个方面对项目进行效果评估。3.1能量转化效率调压站余压发电项目运行期间，受下游用户负荷需求的影响，19：00~24：00时下游负荷需求最高，发电量最大；凌晨时段，下游用户负荷需求最小，发电量最小；中午时段，发电量处于平均水平，因此选择3种典型工况进行计算。余压发电项目典型工况下的系统效率如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.003.T002表2余压发电项目典型工况下的系统㶲效率典型工况天然气流量/(m³/h)进口压力/MPa出口压力/MPa进口温度/K出口温度/K实际发电量/kW理论发电量/kW系统效率/%最小工况58 316.84.63.6313.7298.9205.8455.645.2平均工况63 385.64.53.1317.1292.6423.3806.152.5最大工况67 538.54.43.1317.1294.4443.3752.458.9设计值95 833.34.53.3311.2292.6565.0937.560.3调压站膨胀机发电机系统实际运行效率为45.2%~58.9%，实际运行效率与设计值存在一定差异，原因为机组出力受下游用户对天然气负荷需求的影响，且余压发电系统设备未满载运行。3.2技术成熟先进性根据《装备技术成熟度等级划分及定义》，调压站使用的透平膨胀发电装置成熟度为9级，达到了以实际系统为载体完成使用任务的水平。3.3运行安全可靠性（1）连续稳定运行时长。该项目余压发电装置最后一次开车起点为2021年12月10日，截至目前连续稳定运行682 h，连续稳定运行时长较长，稳定性较高。统计时间为2021年9月9日至2022年1月17日（共计2 842 h），项目余压发电装置的非计划停运时间为226 h。调压站余压发电项目非计划停运系数为0.08，数值较低，正式投运后停运时间较短，装置运行较稳定。（3）出力系数。项目余压发电装置机组额定容量为710 kW，实际发电量为898 853 kWh。调压站余压发电项目出力系数为0.49，具有较大裕度。项目装置在实际运行过程中，获得的发电量未达到设计目标，主要原因为上游天然气产能波动，余压发电装置于2020年降压运行；余压发电装置负荷率不高，未达到设计值。（4）运行系数。项目余压发电装置的实际运行时长为2 593 h，运行系数为0.91，运行系数高，正式投运后项目运行良好。（5）电能质量。调压站发电项目在正式投运后的2 593 h内，电压和频率均未出现超上限和超下限的情况，异常时间值为0，电压合格率100%，频率合格率100%，余压发电电能质量高。（6）负荷率。该项目余压发电装置机组运行期间的平均功率为346.6 kWh，负荷率为48.8%，为设计容量的一半左右，原因主要为上游气源不稳定和下游管网压力变化，且振动较高，机组未满负荷运行。3.4经济效益可行性调压站余压发电设备用于厂内生产用电，电价为 0.56元/kWh，年运行时间为7 200 h。实际工况下的项目经济效益如表3所示。调压站余压发电项目的投资成本为0.85万元/kW，年经济效益为139.8万元，内部投资收益率为19.7%，静态投资回收期为5.1 a，动态投资回收期为6 a。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.003.T003表3实际工况下的项目经济效益项目数值项目总投资/万元603.89总装机容量/kW710投资成本/(万元/kW)0.85平均功率/kW346.6年发电量/×104 kWh249.6设备运维成本/(万元/a)20.6年经济效益/万元139.8贴现率/%6.83内部投资收益率/%19.7静态投资回收期/a5.1动态投资回收期/a64结语基于余压发电的系统结构，结合实际工程项目需要，建立了综合考虑效率、质量、经济的评价指标体系。评估指标体系可对实际的余压发电利用项目进行全面综合的评估，指标涵盖范围广，指标指向明确，能够准确反映项目的运行情况。通过算例分析，验证了评价方法在反映系统运行情况和经济效益时的有效性，可为余压发电系统的改进提供建议，为系统的下一步优化升级提供参考。