雙管換熱器在天然氣調(diào)壓站中的應(yīng)用研究

金向陽，潘華引，潛紀(jì)儒，李碩平，許 平

（1.華電江東熱電有限公司，杭州 310018；2.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012）

雙管換熱器在天然氣調(diào)壓站中的應(yīng)用研究

金向陽1，潘華引2，潛紀(jì)儒2，李碩平2，許 平2

（1.華電江東熱電有限公司，杭州 310018；2.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012）

以沿海某燃?xì)廨啓C(jī)電廠油改氣工程實(shí)施為契機(jī)，對調(diào)壓站天然氣露點(diǎn)加熱系統(tǒng)進(jìn)行比選，通過工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)和新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用，采用了蒸汽直接加熱系統(tǒng)的技術(shù)方案。該方案采用雙管式熱交換器，以廠內(nèi)輔汽系統(tǒng)蒸汽對過濾后的天然氣直接加熱，在保證加熱后天然氣溫度滿足露點(diǎn)過熱度要求的前提下，比起蒸汽間接加熱，簡化了系統(tǒng)，減少了場地占用，降低了后期設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用。工程竣工投產(chǎn)后，該系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對于同類型電廠改造甚至新建具有一定的借鑒推廣價值。

燃?xì)廨啓C(jī)；天然氣調(diào)壓站；蒸汽直接加熱；雙管換熱器

隨著環(huán)境壓力的越來越大，近年來燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組以其整體循環(huán)效率高、污染小、占地少、建設(shè)周期短，運(yùn)行靈活等優(yōu)點(diǎn)在我國得到迅速發(fā)展，特別是電價承受能力較高的沿海長三角以及珠三角地區(qū)。在相關(guān)地方審批政策的進(jìn)一步支持下，許多大型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠已經(jīng)建成投產(chǎn)，還有相當(dāng)部分正在規(guī)劃和建設(shè)中。

天然氣調(diào)壓站是燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠的重要組成部分之一，它是天然氣的主要處理系統(tǒng)，主要有降壓、穩(wěn)壓，清除天然氣中的雜質(zhì)以及保護(hù)下游管道和燃燒設(shè)備安全的作用，直接影響到燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。一般來說，考慮到上游天然氣管路的溫降以及天然氣調(diào)壓后在焦耳-湯普森效應(yīng)作用下的溫降，為避免因天然氣溫度過低引發(fā)結(jié)露并損傷燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)入口天然氣溫度應(yīng)滿足一定要求［1］。因此，調(diào)壓站通常需要配置天然氣露點(diǎn)加熱系統(tǒng)，以保證在冬季上游來氣溫度過低時下游燃?xì)廨啓C(jī)入口處天然氣溫度高于烴露點(diǎn)和水露點(diǎn)，并有一定的過熱度而不發(fā)生結(jié)露。

在沿海某燃?xì)廨啓C(jī)電廠油改氣工程實(shí)施中，采用蒸汽直接加熱用于天然氣調(diào)壓站露點(diǎn)加熱系統(tǒng)，本文現(xiàn)就其實(shí)施過程加熱系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行分析討論，并介紹投運(yùn)后的運(yùn)行情況。

1 天然氣加熱系統(tǒng)簡述

對于天然氣的預(yù)熱，按有無加熱介質(zhì)需求可分為直接加熱和間接加熱，直接加熱主要利用電能直接對天然氣進(jìn)行加熱，間接加熱主要利用高溫介質(zhì)對天然氣進(jìn)行加熱，一般采用水浴爐加熱器或者管殼式換熱器。水浴爐加熱器利用除鹽水作為中間加熱介質(zhì)，需要少量增加全廠制水系統(tǒng)出力。管殼式換熱器的理想加熱介質(zhì)為高壓熱水，可防止天然氣串到加熱介質(zhì)輸送系統(tǒng)內(nèi)而引起安全隱患，通常電廠內(nèi)沒有合適的高壓熱水源，而若采用電廠內(nèi)相對容易獲取的輔助蒸汽（低壓過熱蒸汽）作為加熱介質(zhì)，由于天然氣側(cè)的壓力通常高于輔助蒸汽的壓力，則存在天然氣泄漏到輔助蒸汽系統(tǒng)的風(fēng)險，部分電廠以高壓熱水作為輔助蒸汽和天然氣的中間換熱介質(zhì)，需要配置高壓水泵并增加一個換熱回路。

根據(jù)國內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)電廠的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以上幾種天然氣預(yù)熱方案詳述如下［2－3］：

（1）水浴爐加熱器

水浴爐是集熱水鍋爐和換熱器為一體的設(shè)備，由爐本體及燃燒器等組成。它利用除鹽水為中間熱質(zhì)傳熱，吸收火筒中燃燒天然氣產(chǎn)生的熱量，傳遞給盤管內(nèi)的天然氣，達(dá)到加熱天然氣的目的。不同型號的燃?xì)廨啓C(jī)需要的天然氣壓力一般在2.0～3.5 MPa左右，而水浴爐燃燒器需要的天然氣壓力一般在0.2 MPa左右，因此還需要配置一套天然氣減壓單元以滿足水浴爐的需求。由于天然氣降壓幅度大，當(dāng)天然氣溫度過低時，無法達(dá)到水浴爐燃燒的要求，還需要配置一臺電加熱器，使天然氣溫度達(dá)到點(diǎn)燃水浴爐和穩(wěn)定燃燒所需的溫度。

（2）電加熱器

電加熱器內(nèi)部主要采用集束式管狀加熱元件，利用電能直接加熱天然氣。天然氣在有電加熱管的環(huán)形空間內(nèi)流動一定時間后流出加熱器，在流動過程中吸收電加熱管放出的熱量而使溫度升高，從而達(dá)到介質(zhì)加熱升溫的目的。加熱方式簡單，熱響應(yīng)快，控溫精度高，可將天然氣加熱到極高溫度。但由于天然氣調(diào)壓站屬于防爆區(qū)域，電加熱器需要選用防爆型的，造價較高，通常較少作為調(diào)壓站天然氣露點(diǎn)加熱器使用。

（3）管殼式換熱器

以燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中產(chǎn)生的過熱水或蒸汽為熱源，通過管殼式換熱器對天然氣加熱，按照換熱器數(shù)量的不同可分為間接加熱和直接加熱兩種方式。間接加熱即考慮到天然氣側(cè)的運(yùn)行壓力一般高于熱源介質(zhì)的運(yùn)行壓力，為防止一定運(yùn)行時間后，如因應(yīng)力或者腐蝕而造成管壁或者管板焊接處的破損而導(dǎo)致天然氣會在壓差下進(jìn)入熱源介質(zhì)，引起易燃易爆的天然氣發(fā)生泄漏，采用一種安全介質(zhì)作為中間回路來實(shí)現(xiàn)介質(zhì)分離。安全介質(zhì)通常采用高壓水，主要系統(tǒng)流程見圖1，低壓蒸汽在蒸汽／熱水換熱器中加熱高壓循環(huán)水，加熱后的高壓熱水再在熱水／天然氣換熱器對天然氣進(jìn)行加熱，顯然，間接加熱通常需要配置兩個換熱器。直接加熱即不引入安全介質(zhì)和中間回路，簡化系統(tǒng)配置，主要系統(tǒng)流程見圖2。為解決天然氣加熱過程中的安全問題，本文在直接加熱方案中擬選用某公司雙管換熱器，低壓蒸汽通過雙管換熱器對天然氣直接進(jìn)行加熱。

2 雙管換熱器結(jié)構(gòu)特性

天然氣雙管換熱器內(nèi)管一般采用光滑平管，減小主流流阻，外管采用不同幾何形狀的翅片管，加強(qiáng)換熱，具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示。與單層管壁的普通熱交換器的管束不同，雙管安全性換熱器設(shè)計(jì)雙層管壁，每一端都有兩個管板，兩層管路各固定在不同的管板上，當(dāng)兩管脹接時，兩層管壁之間會形成極細(xì)小的通路，用于收集和導(dǎo)出泄漏介質(zhì)。不難發(fā)現(xiàn)，若安裝一個壓力檢測裝置用于測量雙層管壁之間的通路的壓力，可以實(shí)現(xiàn)對管壁破損泄漏進(jìn)行報警。

由于采用了這種雙層管壁結(jié)構(gòu)，即使加熱介質(zhì)側(cè)管殼出現(xiàn)了破損，天然氣一側(cè)的完整管壁仍然可以使天然氣與加熱介質(zhì)保持隔離，系統(tǒng)仍然可以繼續(xù)正常運(yùn)行直到下一個例行檢修周期的到來，通常換熱面積設(shè)計(jì)留有一定余量，屆時現(xiàn)場對發(fā)生泄漏的單元管束兩端采取封堵措施，換熱器便可繼續(xù)運(yùn)行。比起普通的管殼式換熱器，避免了因設(shè)備故障停機(jī)檢修而造成的經(jīng)濟(jì)損失。

3 換熱方案比較

適加熱熱源的前提下，采用雙管換熱器對天然氣進(jìn)行直接加熱具有技術(shù)可靠、運(yùn)行維護(hù)成本低、占地面積小等特點(diǎn)，由于本工程在油改氣過程中將對輔助鍋爐進(jìn)行同步改造，解決天然氣加熱熱源問題，且廠區(qū)本身布置緊湊，新增加的調(diào)壓站需要盡量壓縮布置，因此天然氣加熱將采用雙管換熱器直接加熱方案。

上述幾種加熱方案優(yōu)缺點(diǎn)匯總?cè)绫?，在有合

4 雙管換熱器工程實(shí)例

本工程機(jī)組配置為2臺100 MW級燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組、2臺余熱鍋爐和1臺100 MW級蒸汽輪機(jī)的S209E“二拖一”方式。正常工況機(jī)組燃用重油，啟動用輕油。由于近年油價高企，發(fā)電成本迅速攀升，污染亦比較嚴(yán)重（尤其是SO2和NOx），因此考慮將原來燃用重油的燃?xì)廨啓C(jī)改造為燃用天然氣，原燃油輔助鍋爐同步改造，并為調(diào)壓站提供加熱蒸汽，輔助蒸汽額定參數(shù)：1.25 MPa，194℃，天然氣最大流量90 000 m3／h（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），設(shè)計(jì)溫升30℃。所采用的雙管換熱器在調(diào)壓站中作為天然氣露點(diǎn)加熱器使用，外管采用不同形狀的翅片管，內(nèi)管采用光滑平管，配合專用檢漏開關(guān)，可以快速識別故障。整個調(diào)壓站設(shè)計(jì)兩臺100%出力換熱器，一用一備，換熱面積23.99 m2，單套換熱裝置最大處理能力約為90 000 m3／h（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），具體參數(shù)見表2。

5 結(jié)論

綜上所述，考慮到上游天然氣管路的溫降以及天然氣調(diào)壓后在焦耳-湯普森效應(yīng)作用下的溫降，燃?xì)廨啓C(jī)電廠中的天然氣調(diào)壓站通常需要設(shè)置露點(diǎn)加熱器。通常燃?xì)廨啓C(jī)電廠生產(chǎn)過程中無合適的高壓熱水源作為加熱介質(zhì)用于加熱天然氣，而直接采用易于獲得的低壓蒸汽加熱天然氣存在天然氣泄漏的安全隱患。雙管換熱器特殊的雙層管壁結(jié)構(gòu)，有效排除了隱患，配合專用檢漏開關(guān)，可以快速識別故障，同時簡化了系統(tǒng)，節(jié)省了占地和投資。

目前雙管換熱器已在沿海某燃?xì)廨啓C(jī)電廠油改氣工程中投運(yùn)，運(yùn)行情況良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，今后在同類型改造工程或者新建燃機(jī)電廠中具有一定的推廣價值。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳仁貴，陶月.燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)霜分析及對策［J］.熱能動力工程，2005，6：647-649.

［2］ 呂小蘭.燃機(jī)電廠天然氣調(diào)壓站配置探討［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2007（3）：6- 9.

［3］ 馬國喜.燃?xì)廨啓C(jī)電廠天然氣調(diào)壓站裝置與功能分析［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2011（4）：12-16.

Application Study of Double-Tube Heat Exchanger in A Natural Gas Pressure Regulating Station

JIN Xiang-yang1，PAN Hua-yin2，QIAN Ji-ru2，LIShuo-ping2，XU Ping2
（1.Huadian Jiangdong Thermal Power Co.Ltd，Hangzhou 310018，China；2.Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

Based on the case study of a coastal gas turbine power plant's oil-to-gas fuel transformation，various natural gas dew point heating systems for pressure regulating station were compared，in addition，the steam directheating system was recommend as the solution via process design optimization and the application of new technologies and equipment.Compared with indirect steam heating system，this solution uses the auxiliary steam to heat the filtered natural gas with a double-tube heat exchanger，and，on the premise that the temperature of the heated natural gasmeets the dew point superheat requirements，simplifies the system，reduces occupied space and cuts operational costs.After the project is completed and put into operation，the system proves towellmeet the design requirement and run in good condition.It is believed to bear reference value for similar power plant transformation or even construction projects.

gas turbine；natural gas pressure regulating station；steam direct heating；double-tube heat exchanger

V231.3

B

1009-2889（2014）03-0069-04