目前已实施的天然气压差利用项目中多采用单级膨胀工艺，可能存在运行效率低、发电量小、设备耐低温性能要求高等问题。针对上述问题，利用压力-体积图描述单级和多级膨胀工艺中天然气的热力学变化过程，通过HYSYS软件建立了单级和多级膨胀工艺模型，从膨胀机输出轴功率、加热功率、冷能利用等方面分析和对比了工艺间的差异性。结果显示，对于单级膨胀工艺而言，先加热后膨胀工艺的膨胀机输出轴功率较大，但不具备冷能回收利用条件；当多级膨胀工艺的中间压力取值符合等膨胀工况时，工艺性能较优，此时膨胀机的输出轴功率接近，有利于选择相同装机容量的发电机组，便于设备后续的维护和保养；在上游天然气供应压力4 MPa、温度20℃、流量15 000 m³/h，下游天然气需求压力1.5 MPa、温度5℃的条件下，两级膨胀工艺在发电量、加热功率和热源选择上相对较优，日发电量为7 124 kW·h，加热功率为284 kW，热源可选择循环水，且只比单级膨胀工艺增加了一台膨胀机。研究结果可为天然气压差能的利用提供理论依据。