F級(jí)燃機(jī)電廠天然氣調(diào)壓站設(shè)計(jì)

王娓娜，夏青揚(yáng)，顏士鑫

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095)

F級(jí)燃機(jī)電廠天然氣調(diào)壓站設(shè)計(jì)

王娓娜，夏青揚(yáng)，顏士鑫

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095)

隨著以潔凈能源天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的大量引入，為燃?xì)廨啓C(jī)提供合格的天然氣成為燃?xì)廨啓C(jī)電廠設(shè)計(jì)需要考慮的問題。本文針對(duì)廠區(qū)天然氣處理系統(tǒng)的核心部分天然氣調(diào)壓站，介紹了F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)天然氣品質(zhì)的要求，分析和討論了天然氣調(diào)壓站的系統(tǒng)配置和設(shè)計(jì)要求，并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)配置的建議。

燃?xì)廨啓C(jī)；天然氣；調(diào)壓站。

1 概述

近些年，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)也在逐漸發(fā)生著變化。電力工業(yè)長期以來都被以煤炭為主的燃煤發(fā)電機(jī)組所占據(jù)，而現(xiàn)在這種情況正在悄然地發(fā)生著變化，以高效清潔的綠色能源天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組已經(jīng)逐漸發(fā)展了起來。

在燃機(jī)選型設(shè)計(jì)之初，根據(jù)工程燃用天然氣的組分和性質(zhì)，相應(yīng)的機(jī)型和燃燒噴口會(huì)率先被確定下來。這時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的正常、穩(wěn)定燃燒就將取決于天然氣的壓力、溫度、流量和雜質(zhì)等因素。安全、合理、高效的設(shè)計(jì)和建造廠區(qū)天然氣處理系統(tǒng)，為機(jī)組提供合格穩(wěn)定的氣源，保證機(jī)組安全可靠的運(yùn)行，就成為了我們目前首要研究的問題。

廠區(qū)天然氣處理系統(tǒng)是銜接燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)馇爸锰幚砟K和廠外天然氣供應(yīng)商的一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，主要由天然氣調(diào)壓站和引導(dǎo)至燃機(jī)燃?xì)馇爸媚K前的天然氣管道組成。

調(diào)壓站能否滿足機(jī)組各個(gè)運(yùn)行工況的要求，能否對(duì)來自上游長輸供氣管道的氣源進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓，使其可以連續(xù)穩(wěn)定的輸入到下游機(jī)組前置模塊中，是保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行的前提。為了可以更好的提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、降低造價(jià)和減少能耗，本文現(xiàn)根據(jù)三菱M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際情況，對(duì)天然氣調(diào)壓站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行一些研究探討。

2 燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)天然氣的要求

天然氣由于地域、氣源的不同，其組分也各不相同。雖然燃?xì)廨啓C(jī)燃用的氣體燃料范圍較廣，但為了保證安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的燃燒，各燃?xì)廨啓C(jī)廠家對(duì)天然氣的成分等也有其一定的限制。

就三菱公司的M701F4型燃機(jī)而言，其干式低污染燃燒器(DLN)的設(shè)計(jì)是非常適合燃燒天然氣的，而且NOx排放量低，不用注入水/蒸汽。M701F4型燃機(jī)對(duì)天然氣的要求主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 成分

(1)甲烷：除去惰性氣體的含量后，天然氣成分中甲烷的含量要控制在80～98 mol.%范圍內(nèi)，而且天然氣中甲烷含量的變化隨惰性氣體的減少應(yīng)不超過±9%。

(2)惰性氣體：惰性氣體包括天然氣中的氮?dú)?、二氧化碳，其含量不能超過4 mol.%。

2.2 發(fā)熱量

為了確定燃燒系統(tǒng)的能力，熱值和比重是天然氣必須要考慮的特性。因此，引入華白指數(shù)(即燃?xì)庵笖?shù)，GAS INDEX)來進(jìn)行表述，具體關(guān)系式如下：

式中：GI為燃?xì)庵笖?shù)，即燃料的低位法熱量LHV與比重的平方根之比； LHVvol為燃料低位發(fā)熱值(Btu/Scf；kJ/Nm3)； S.G.為燃?xì)饷芏扰c空氣密度比值，即相對(duì)密度(標(biāo)準(zhǔn)工況下)。

GI 值變化不應(yīng)該超過±5%；變化速度不能超過5%/min。

2.3 壓力

G T包入口處的壓力要求在2.8～4.6 MPa(g) 范圍內(nèi)。接口點(diǎn)的壓力確定后，在圖1所示的各種燃機(jī)運(yùn)行模式情況下，都應(yīng)遵守以下幾個(gè)條件。

(1)壓力波動(dòng)范圍應(yīng)限制在±21 psi (0.14 MPa)。

(2)壓力變化速度不超過11 psi/s (0.08 MPa/s)。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行模式圖

2.4 燃?xì)庵械目赡Y(jié)液體

輸送到燃燒系統(tǒng)噴嘴的燃料，不能含有液體狀態(tài)的成分，這就意味著達(dá)到最高飽和溫度的氣液混合燃料至少要有11℃的過熱度。

燃?xì)庾畹凸鉁囟韧扑]在5℃以上，以防止燃?xì)夤艿篮驮O(shè)備結(jié)冰。

2.5 燃?xì)庵泄腆w顆粒

從燃?xì)庵泄?yīng)到燃燒系統(tǒng)的固體顆粒應(yīng)限制在30 ppmwt(基于燃料重量)以下；所有固體顆粒直徑均不能超過5 μm。

3天然氣調(diào)壓站設(shè)計(jì)研究

天然氣調(diào)壓站是燃機(jī)電廠對(duì)其所用天然氣的主要處理系統(tǒng)和廠外氣源的接口，根據(jù)燃機(jī)對(duì)天然氣燃料的要求，其主要作用有：

(1)保護(hù)下游管道和燃燒設(shè)備，防止上游壓力波動(dòng)較大或設(shè)備故障時(shí)，危害下游設(shè)備及管道。

(2)對(duì)入廠的天然氣進(jìn)行貿(mào)易計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性校對(duì)。

(3)將上游氣源點(diǎn)提供的天然氣降壓(或穩(wěn)壓)至下游燃?xì)廨啓C(jī)GT包前所需的壓力、溫度和流量，并達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。

(4)分離去除燃?xì)庵械目赡Y(jié)液體和清除固體雜質(zhì)顆粒。

3.1 構(gòu)成及配置

調(diào)壓站一般由入口單元、計(jì)量單元、綜合處理單元(包括：KO分離單元、加熱單元、分離過濾單元、凝淅液收集單元)、調(diào)壓單元和集中放散單元等五部分構(gòu)成，其基本配置單元示意圖見圖2。

圖2 調(diào)壓站基本配置單元示意圖

3.2 單元功能優(yōu)化配置研究

3.2.1 入口單元

利用入口處的絕緣接頭，實(shí)現(xiàn)上游管線與調(diào)壓站系統(tǒng)的電絕緣；絕緣接頭后設(shè)有氣動(dòng)緊急切斷閥(ESD)，在發(fā)生泄露、起火、系統(tǒng)超壓或其它類似緊急事件時(shí)迅速切斷天然氣氣源，保證下游電廠和設(shè)備的安全。ESD關(guān)閉時(shí)間應(yīng)≤3 s，并只能手動(dòng)開啟。

3.2.2 計(jì)量單元

為了與上游天然氣供應(yīng)商的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確性校對(duì)，配置1×100%超聲波流量計(jì)，精度應(yīng)在±5%。目前多是以體積形式進(jìn)行計(jì)量，雖也可以計(jì)量的目的，但還應(yīng)該考慮在此單元增配色譜分析儀，在實(shí)現(xiàn)氣質(zhì)在線檢測(cè)的同時(shí)，與超聲波流量計(jì)配合實(shí)現(xiàn)熱值計(jì)量。另外，為了進(jìn)行標(biāo)定，還應(yīng)裝設(shè)一個(gè)工裝旁路。

3.2.3 綜合處理單元

(1) KO分離單元

又稱為粗分離單元，用于清除天然氣中存在的游離滴液和大顆粒物質(zhì)。主要設(shè)備為離心分離器，對(duì)10 μm以上的顆粒要求清除率達(dá)到99.9%，以保護(hù)下游設(shè)備安全。特別是在電廠運(yùn)行初期，由于受施工等多種因素影響，造成的管道內(nèi)部留存雜質(zhì)等污物較多，必須予以清除。當(dāng)設(shè)備維修時(shí)可采用球閥旁路進(jìn)行短期供氣。

若調(diào)壓站位置與天然氣供應(yīng)商的門站距離很近，并且門站內(nèi)已設(shè)置了過濾分離裝置，可以取消此分離器的設(shè)置。

(2) 加熱單元

為了保證調(diào)壓站出口天然氣溫度可以達(dá)到5℃或高于露點(diǎn)溫度的11℃，站內(nèi)一般會(huì)選用水浴爐、電加熱或管殼式換熱器三種方式對(duì)天然氣進(jìn)行加熱。這三種設(shè)計(jì)配置有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)該結(jié)合調(diào)壓站環(huán)境布置情況及上游天然氣的實(shí)際特性進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，若調(diào)壓幅度小、溫降不大且高于結(jié)露點(diǎn)溫度很多時(shí)，就可以考慮不在調(diào)壓站區(qū)域設(shè)置加熱單元。

(3) 分離過濾單元

又稱為經(jīng)過濾單元，過濾器可根據(jù)需要采用兩運(yùn)一備或一運(yùn)一備。過濾裝置應(yīng)保證能清除天然氣中的固體顆粒、灰塵和霧狀滴液，以確保進(jìn)入燃機(jī)燃?xì)馇爸媚K的天然氣符合要求。

(4) 凝淅液收集單元

凝淅液收集單元主要用于收集KO分離單元和分離過濾單元的凝淅液，由于凝淅液中含有的碳?xì)浠衔锏葘儆谝兹家妆镔|(zhì)，因此該部分的收集罐要做好相應(yīng)的安全處理。在燃機(jī)滿負(fù)荷正常運(yùn)行中，若因緊急事故造成調(diào)壓站ESD閥關(guān)閉，燃機(jī)要被迫停機(jī)時(shí)，該收集罐的容量設(shè)計(jì)應(yīng)滿足燃機(jī)從滿負(fù)荷到安全停機(jī)所需的天然氣量，即此收集罐也要作為事故時(shí)機(jī)組安全停機(jī)所需的儲(chǔ)氣罐。

3.2.4 調(diào)壓單元

調(diào)壓單元的設(shè)置可以根據(jù)需要采用每臺(tái)機(jī)組一運(yùn)一備、兩(或三)臺(tái)機(jī)組兩(或三)運(yùn)一備的設(shè)置。每條調(diào)壓支路通常串聯(lián)配置隔離球閥、監(jiān)控調(diào)壓器、工作調(diào)壓器和安全切斷閥。正常工況下，工作調(diào)壓器用于調(diào)節(jié)調(diào)壓站出口天然氣的壓力，當(dāng)工作調(diào)壓器故障時(shí)，監(jiān)控調(diào)壓器自動(dòng)投入運(yùn)行，而且各工作支路與備用支路之間應(yīng)處于互為熱備用狀態(tài)。

調(diào)壓閥的型式有自力式和浮動(dòng)給定值式兩種。調(diào)壓閥的選型，要根據(jù)不同的燃?xì)廨啓C(jī)要求及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件綜合考慮。如果燃?xì)廨啓C(jī)給定的入口天然氣壓力范圍較大，則可以配置自力式調(diào)壓閥，其初投資相對(duì)低。如果電廠調(diào)壓站距離主廠房區(qū)域遠(yuǎn)且所需壓降幅度較大、自力式調(diào)壓閥在低負(fù)荷時(shí)不能滿足進(jìn)氣要求時(shí)，可選擇浮動(dòng)給定值式，精確地控制燃機(jī)進(jìn)口燃?xì)鈮毫?，但其初投資相對(duì)略高。

3.2.5 集中放散單元

本單元主要是收集和排放設(shè)備和管道中滲漏和殘留的天然氣，確保整個(gè)調(diào)壓站系統(tǒng)的安全。

3.3 調(diào)壓站結(jié)構(gòu)型式

燃機(jī)電廠天然氣調(diào)壓站的布置主要有露天或半露天(加防雨設(shè)施的敞開式)布置，特殊情況也可采用室內(nèi)布置。由于天然氣易燃、易爆，調(diào)壓站內(nèi)設(shè)備閥件多，氣體易泄露，故只要設(shè)備工作條件許可，應(yīng)盡量采用露天布置。調(diào)壓站內(nèi)的設(shè)備和閥門等附件，推薦優(yōu)先選用撬裝式設(shè)計(jì)。采用撬裝式調(diào)壓站設(shè)計(jì)，主要具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)由專業(yè)廠家完成，系統(tǒng)整體配合性好，各單元設(shè)備在出產(chǎn)前進(jìn)行組裝、調(diào)試，降低了現(xiàn)場(chǎng)安裝的不確定性，可靠性高。

(2)整體布局設(shè)計(jì)較為緊湊，減少了占地；

(3)施工管理和調(diào)試驗(yàn)收簡單，降低施工難度，縮短施工時(shí)間。

4 結(jié)論

天然氣調(diào)壓站系統(tǒng)在燃機(jī)電廠中，有著至關(guān)重要的地位。合理優(yōu)化調(diào)壓站系統(tǒng)的配置，在確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，還可以有效降低初投資，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。怎樣合理有效的進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化配置，發(fā)揮能源自身的最大可利用率，是設(shè)計(jì)中必須要考慮的問題。

[1]陸錫恩．燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)天然氣的氣質(zhì)要求及調(diào)壓站的配置[J]．大型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)，2006，01．

[2]DL/T 5174－2003，燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠設(shè)計(jì)規(guī)定[S]．

[3]徐偉，黃興濤．撬裝式燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)備的選用[J]．煤氣與熱力，2006，26(4)．

Design of Gas Pressure Regulation Station for F-class Gas Turbine Power Station

WANG Wei-na, XIA Qing-yang, YAN Shi-xin
(State Nuclear Electric Power Planning Design and Research Institute, Beijing 100095, China)

As more and more gas-steam combined cycle power stations with natural gas as fuel have been constructed, to provide suitable natural gas for gas turbine should be considered during the power plant design process. This article is intended for natural gas regulation station, the core part of natural gas processing system in factory campus. The article introduces the requirement about the quality of natural gas for F-class gas turbine. We also analyze and discuss system configurations and design requirements about the natural gas regulation station and provide improving suggestions.

gas turbine; natural gas; regulation station;

TM621

B

1671-9913(2016)04-0034-04

2017-05-27

王娓娜(1980- )，女，遼寧沈陽人，碩士，高級(jí)工程師，主要從火力發(fā)電廠機(jī)務(wù)專業(yè)設(shè)計(jì)。