電廠增壓式天然氣供應(yīng)系統(tǒng)配置及功能分析

耿海濤

(湖北華電武昌熱電有限公司，湖北 武漢 430062)

電廠增壓式天然氣供應(yīng)系統(tǒng)配置及功能分析

耿海濤

(湖北華電武昌熱電有限公司，湖北 武漢 430062)

天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的配置及功能直接關(guān)系到燃?xì)怆姀S機(jī)組和設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。以S109E型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣供應(yīng)系統(tǒng)為例，介紹和分析該系統(tǒng)設(shè)備的配置情況、系統(tǒng)特點(diǎn)，并對(duì)其安全功能進(jìn)行分析，為同類項(xiàng)目的建設(shè)提供參考。

燃?xì)廨啓C(jī)；聯(lián)合循環(huán)機(jī)組；增壓式天然氣供應(yīng)系統(tǒng)；燃料熱值

0 引言

某燃?xì)怆姀S共裝設(shè)2臺(tái)S109E型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，總?cè)萘?70 MW、對(duì)外供熱能力320 t/h(930 GJ/h)。由于S109E型燃?xì)廨啓C(jī)入口天然氣壓力要求為2.5—2.8 MPa，而天然氣管網(wǎng)輸入的壓力僅0.4—1.6 MPa，所以該電廠天然氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為增壓系統(tǒng)，即需在燃?xì)廨啓C(jī)的上游設(shè)置天然氣增壓站。下面就該增壓式天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的配置及安全功能進(jìn)行分析。

1 燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)天然氣的要求

天然氣作為能源具有一定的優(yōu)越性，其中最突出的優(yōu)點(diǎn)是：天然氣是清潔能源，其燃燒排放量遠(yuǎn)低于石油和煤的燃燒排放量，所以用天然氣做燃料可大幅度減少環(huán)境污染；天然氣是高效能源，天然氣在燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電利用中，熱效率最高已突破60 %；天然氣還是優(yōu)質(zhì)能源，由于天然氣組分不含CO，這就減少了泄漏對(duì)人畜生命安全造成的危害。

為使燃?xì)廨啓C(jī)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)所燃用的天然氣品質(zhì)作了嚴(yán)格的要求，即清潔、干凈，不含液態(tài)烴；燃?xì)鉁囟却笥谄渎饵c(diǎn)溫度，燃?xì)鈮毫Ψ€(wěn)定。由于天然氣產(chǎn)地不同，其品質(zhì)差異很大，故燃?xì)廨啓C(jī)制造廠規(guī)定天然氣品質(zhì)要符合燃?xì)廨啓C(jī)的用氣規(guī)范。

1.1 天然氣壓力

對(duì)于S109E型燃?xì)廨啓C(jī)而言，天然氣進(jìn)氣壓力應(yīng)保持在2.5—2.8 MPa。嚴(yán)格控制天然氣壓力波動(dòng)：壓力變化范圍不大于1 %，變化速率不大于0.25 %/s，瞬時(shí)最大變化值不大于0.25 %/s。

1.2 天然氣過熱度

氣體燃料含有液滴會(huì)引起燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室噴嘴損壞，還會(huì)導(dǎo)致DLN(Dry Low NOX，干式低氮燃燒器)燃燒系統(tǒng)預(yù)混合火焰逆燃或預(yù)混合區(qū)著火。因此，要求進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣要有一定的過熱度，以確保進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獠缓后w。過熱度是氣體燃料的溫度與碳?xì)浠衔锛皾駳飧髯月饵c(diǎn)溫度之差。通常燃?xì)庠谒偷饺細(xì)廨啓C(jī)前的溫度大于烴露點(diǎn)溫度(28 ℃)，燃?xì)廨啓C(jī)制造廠要求燃?xì)鉁囟瓤刂圃?5.5—61 ℃范圍內(nèi)。

1.3 修正的WObbe指數(shù)(MWI)

燃?xì)廨啓C(jī)可以燃用熱值變化范圍很廣的氣體燃料，但是具體的燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)所能適應(yīng)的燃料熱值變化范圍卻是有限的。設(shè)計(jì)的燃料噴嘴只能在一定的比壓范圍內(nèi)使用，可通過增加或減少燃料噴嘴面積或氣體燃料溫度來適應(yīng)熱值變化。對(duì)于特定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的氣體燃料互換性(即只要WObbe指數(shù)相近，其所用的燃具就可以通用)度量標(biāo)準(zhǔn)，稱為修正的WObbe指數(shù)，即MWI。當(dāng)由于熱值或燃料溫度的變化導(dǎo)致MWI超過5 %時(shí)，就需要改變?nèi)剂舷到y(tǒng)，故MWI的變化范圍應(yīng)控制在±5 %以內(nèi)；正常運(yùn)行時(shí)，變化值應(yīng)低于0.3 %/s，且溫升率小于1 ℃/s。

1.4 天然氣中的雜質(zhì)

天然氣中的雜質(zhì)主要是固體微粒、液滴、S、微量元素等?？刂铺烊粴庵械姆蹓m等微粒，是避免高溫燃?xì)馔ǖ澜Y(jié)垢和過度腐蝕，以及燃料噴嘴堵塞、氣體燃料系統(tǒng)中的控制閥磨損腐蝕的重要方法。不允許天然氣中攜帶液滴，是為了防止液體進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)通流部分而引起故障和部件損壞。

因此，燃?xì)廨啓C(jī)制造廠的規(guī)范中規(guī)定：天然氣經(jīng)過濾后，直徑0.3 μm以上的固體微粒含量不超過0.01 %，直徑0.3 μm以上的液滴含量小于0.5 %，且雜質(zhì)總量控制在0.003 5 %以下。此外，對(duì)于裝有天然氣增壓機(jī)的系統(tǒng)，其燃?xì)庵胁辉试S有油分。

2 增壓式天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的配置及功能

該廠天然氣由某市天然氣高中壓環(huán)形管網(wǎng)引至電廠增壓站，管網(wǎng)供氣壓力為0.4—1.6 MPa。天然氣先進(jìn)入增壓站進(jìn)行過濾、穩(wěn)壓、增壓、冷卻和計(jì)量后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)DLN閥站，最后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室，完成天然氣輸送和處理，使其符合燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)天然氣的進(jìn)氣要求。增壓式天然氣供應(yīng)系統(tǒng)由天然氣支線、增壓站、前置模塊、DLN閥站及其管路4個(gè)部分組成。

2.1 天然氣支線

天然氣從天然氣管網(wǎng)公司所轄的輸氣干線上接入1條支線進(jìn)入分輸站(末站)，然后送至電廠設(shè)置的天然氣增壓站進(jìn)行處理。支線長17 km，管徑DN 500，最大輸送能力為9 700 m3/h，可滿足2臺(tái)S109E型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組最大出力用氣量。

2.2 天然氣增壓站

天然氣增壓站主要由入口緊急切斷單元(包括絕緣接頭、緊急切斷閥ESD(Emergency Shutdown Device)、隔離球閥等管件)、過濾單元(包括粗過濾器、精過濾器及冷凝儲(chǔ)罐等)、計(jì)量單元(包括超聲波流量計(jì)和色譜分析儀等)、增壓和冷卻單元(包括增壓機(jī)、低壓冷卻器、高壓冷卻器等)、出口單元(包括緩沖罐、絕緣接頭、電磁隔離球閥等)、放散單元(包括放散管、安全閥、手動(dòng)排氣閥等)等6部分組成。

其主要功能如下。

(1) 清除天然氣中的雜質(zhì)，使進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)中的氣體燃料符合規(guī)范要求。

(2) 增壓、穩(wěn)壓。天然氣輸氣干線中的天然氣壓力為0.4—1.6 MPa，為滿足燃?xì)廨啓C(jī)所要求的壓力范圍，通過增壓站所配置的壓縮機(jī)將其升高到規(guī)定值(該電廠S109E型燃?xì)廨啓C(jī)為2.5—2.8 MPa)，并經(jīng)調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 對(duì)下游的管道和設(shè)備提供安全保護(hù)。當(dāng)機(jī)組或系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生故障時(shí)，增壓站中所設(shè)置的安全裝置，如緊急切斷閥ESD等動(dòng)作，快速切斷向下游的供氣，避免故障擴(kuò)大和防止上游的天然氣危害到下游的管道和設(shè)備。

2.3 前置模塊

前置模塊主要由雙聯(lián)過濾器、快速切斷閥、排放閥和流量計(jì)組成，起到對(duì)天然氣再次過濾、計(jì)量及安全保護(hù)的作用。

該模塊配置雙聯(lián)過濾器2臺(tái)，1用1備，是保證天然氣清潔度的最后一道屏障。該過濾器對(duì)天然氣中直徑在0.3 μm以上的顆粒和液滴的清除效率在99.99 %左右。前置模塊中的快速截止閥和放空閥，用于切斷進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的用氣和減壓，以及排除快速截止閥后的管段和設(shè)備中殘存的天然氣，保證機(jī)組和系統(tǒng)的安全。流量計(jì)配備有體積修正儀，其具有溫度與壓力實(shí)時(shí)修正的功能，既能就地顯示運(yùn)行工況下的天然氣體積流量，又能顯示經(jīng)溫度、壓力修正后的標(biāo)準(zhǔn)體積流量。此外，由雙聯(lián)過濾器、快速切斷閥、安全放空閥及計(jì)量裝置組成的燃?xì)廨啓C(jī)前置模塊系統(tǒng)中的信號(hào)均引入Mark VI燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)，以進(jìn)行報(bào)警、監(jiān)控和邏輯運(yùn)算等。

2.4 DLN閥站

天然氣從前置模塊流出后，依次進(jìn)入DLN閥站中的過濾器、速度比例截止閥(VSR)、氣體燃料控制閥(VGC)，然后分3路引入各自環(huán)形管，最終分別進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)14個(gè)燃燒室的噴嘴。

來自燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的排氣經(jīng)清吹閥，用于燃?xì)廨啓C(jī)停運(yùn)或燃燒方式切換時(shí)，對(duì)其燃料系統(tǒng)中的管道進(jìn)行吹掃。系統(tǒng)中的VSR及VGC用來控制氣體燃料的質(zhì)量流量和調(diào)整氣體燃料壓力，前者的功能為：當(dāng)機(jī)組事故緊急停機(jī)或正常停機(jī)時(shí)，負(fù)責(zé)切斷機(jī)組氣體燃料的供給和調(diào)整氣體燃料控制閥前的燃料氣體壓力，使其保持在所要求的壓力值；后者的功能為：根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速、功率的要求，向其提供一定數(shù)量的氣體燃料。在DLN閥站的燃?xì)夤苈飞线€裝有可燃?xì)怏w排放閥，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)停用時(shí)，排放積存在VSR和VGC之間管道中的氣體燃料至大氣中；當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，則此閥自動(dòng)關(guān)閉，無燃?xì)庑孤?/p>

3 結(jié)論與建議

天然氣供應(yīng)系統(tǒng)，是燃?xì)怆姀S的重要組成部分。因此，從系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)、設(shè)備的選型配置，以及安裝和投產(chǎn)后的運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)，都要給予足夠的重視，以滿足燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)天然氣的要求，為機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行創(chuàng)造條件。

(1) 壓縮機(jī)選型。選用離心式壓縮機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是排氣量大、結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、維護(hù)工作量小。增壓的天然氣供應(yīng)系統(tǒng)，其壓縮機(jī)功耗約占廠用電的52 %，是這類燃?xì)怆姀S的耗能大戶，因此優(yōu)化壓縮機(jī)的運(yùn)行方式是節(jié)能降耗的重要內(nèi)容。由于進(jìn)入增壓站的天然氣壓力受天然氣主管網(wǎng)的制約，電廠需加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，減少增壓站過濾裝置的阻力損失，以使進(jìn)入壓縮機(jī)的天然氣壓力較高；優(yōu)化閉式冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行方式，冬季采暖期(105天)，通過減少進(jìn)入高、低壓冷卻器的冷卻水量，降低閉式循環(huán)冷卻水泵的功耗；壓縮機(jī)采用變頻調(diào)速，該廠第2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組增壓站壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速后，比第1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用節(jié)流調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)節(jié)電約30 %，取得很好的節(jié)能效果。

(2) 天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮升壓后，溫度亦隨之升高，因此南方地區(qū)可取消前置模塊配置的天然氣電伴熱管，使系統(tǒng)簡化。

(3) 調(diào)整壓縮機(jī)出口天然氣溫度限值，提高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)天然氣的溫度。燃?xì)廨啓C(jī)制造廠家規(guī)定進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣溫度應(yīng)在65—110 ℃，而增壓站安裝調(diào)試中，將其出口天然氣溫度限值在65 ℃以下。實(shí)際運(yùn)行表明，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣溫度僅為36 ℃，若通過減少其進(jìn)入壓縮機(jī)出口管段上的高壓冷卻器(簡稱高冷)的冷卻水量，將燃?xì)廨啓C(jī)天然氣入口溫度由目前的36 ℃升高至65 ℃，僅冬季采暖期，就可節(jié)約天然氣15萬m3以上、節(jié)約廠用電近3萬kWh。

(4) 集中放散單元中的放散塔以及系統(tǒng)上的其他放散裝置的選址和放散高度的設(shè)置等，必須符合相關(guān)規(guī)程的規(guī)定。

(5) 燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)所燃用的天然氣清潔度要求很高，清潔度不夠高將造成機(jī)組故障和影響機(jī)組使用壽命等一系列嚴(yán)重后果。因此，除在設(shè)計(jì)和設(shè)備選型時(shí)，配置高效的過濾裝置外，還應(yīng)在安裝過程中清洗干凈管路及設(shè)備，并在機(jī)組投產(chǎn)后注重對(duì)過濾裝置的運(yùn)行監(jiān)視和維護(hù)。

1 任其智.燃?xì)廨啓C(jī)檢修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

2《世界燃?xì)廨啓C(jī)手冊(cè)》編委會(huì).世界燃?xì)廨啓C(jī)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005.

2016-11-04；

2017-03-05。

耿海濤(1976—)，男，工程師，主要從事燃?xì)怆姀S生產(chǎn)技術(shù)管理工作，email：wcrdc-xuming@163.com。