水浴式加熱爐在天然氣門站中的應(yīng)用

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 顧竣文

0 引言

城市天然氣門站、調(diào)壓站中天然氣經(jīng)過調(diào)壓裝置后發(fā)生焦耳—湯姆遜效應(yīng)，在節(jié)流處快速膨脹并產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致氣體溫度急劇下降。對于進(jìn)出場站壓差較大、進(jìn)口氣體溫度偏低的調(diào)壓站，調(diào)壓后的氣體溫度容易降至0℃以下，使得設(shè)備和管道長期處于低溫狀態(tài)運(yùn)行。在同等工況下，節(jié)流系數(shù)會隨溫度或者壓力的降低而變大，即在相同的壓降工況下，當(dāng)壓力一定，進(jìn)站燃?xì)鉁囟仍降突虍?dāng)溫度一定，進(jìn)站壓力越低時(shí)，節(jié)流后的溫降值越大，所以冬季節(jié)流效應(yīng)更為顯著。

在低溫氣體作用下，埋地管道周圍的土壤會發(fā)生凍脹，使得管線發(fā)生變形，且對于那些靠近河流區(qū)域的站點(diǎn)，因地下水位會偏高，含水量較豐富，導(dǎo)致站內(nèi)埋地管線周圍的土壤受低溫影響時(shí)，會更易凍結(jié)并產(chǎn)生較厚的凍層，管道因而隨之被迫抬升引發(fā)翹曲變形。當(dāng)凍土逐漸消融之后，因管道下方的部分孔隙可能被土填充，致使管道無法完全復(fù)位，長此往復(fù)，站內(nèi)的埋地管道必將在凍脹的影響下其上浮現(xiàn)象會越發(fā)顯著與嚴(yán)重。

近年來，上海天然氣發(fā)展加速，主干網(wǎng)下游用戶的用氣負(fù)荷激增，天然氣調(diào)壓站發(fā)生凍脹問題的比例有所增加。加之上海地區(qū)土壤含水量豐富，也直接加劇了凍脹強(qiáng)度。解決調(diào)壓站凍脹問題的主要方法有預(yù)加熱法、置換土法、絕熱保溫法，也可以通過改變場站運(yùn)行工況，降低進(jìn)出場站壓差。

預(yù)加熱法是當(dāng)前國內(nèi)外管道工程中解決凍脹問題最行之有效的方法，此法從根本上消除埋管凍脹，還能起到預(yù)防冰堵問題的產(chǎn)生。加熱裝置一般有水套式加熱爐、電加熱裝置及催化紅外輻射加熱裝置，考慮到天然氣管網(wǎng)公司主要調(diào)壓站的熱負(fù)荷需求及根據(jù)各類加熱設(shè)備的特點(diǎn)選取水浴式加熱爐作為調(diào)壓站的加熱源。

1 水浴式加熱爐的原理及結(jié)構(gòu)

水浴式加熱爐一般采用臥式結(jié)構(gòu)。加熱爐工作時(shí)，燃料天然氣在爐內(nèi)下方的火筒內(nèi)燃燒，燃燒所形成的高溫?zé)煔庖暂椛洹α鞯葌鳠岱绞酵ㄟ^煙火管管壁將熱量傳遞給爐內(nèi)工質(zhì)水，被加熱的高溫水再對盤管內(nèi)流動的天然氣進(jìn)行加熱。這種加熱方式具有換熱量大、溫度穩(wěn)定(可達(dá)130 ℃)、受熱均勻、溫度易于控制、安全可靠等特點(diǎn)。

上海天然氣管網(wǎng)有限公司采用德國 AURA公司生產(chǎn)的水浴式加熱爐，主要由爐體、燃燒器、燃燒室、煙管、加熱盤管、膨脹罐、煙囪、控制柜及安全附件組成。

AURA水浴式加熱爐爐體內(nèi)充滿傳熱介質(zhì)(水)，燃燒器通過調(diào)節(jié)燃?xì)饬亢涂諝饬康谋壤?，使天然氣在燃燒室?nèi)充分燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧訜釥t體內(nèi)的水。加熱盤管安裝并浸沒在水中，被加熱介質(zhì)(天然氣)從加熱盤管中通過回到輸配管線中，從而起到被加熱的效果。

AURA水浴式加熱爐的膨脹罐與爐體通過管路相連，能夠吸收介質(zhì)水被加熱后產(chǎn)生的膨脹量。膨脹罐中充有氮?dú)?，可以防止設(shè)備氧化，保證了整個(gè)系統(tǒng)的封閉性；防止介質(zhì)水加熱后氣化揮發(fā)，能夠保持一定的壓力，故加熱爐水溫可達(dá)到130 ℃。

AURA水浴式加熱爐的具體結(jié)構(gòu)和工作原理見圖1。

圖1 AURA水浴式加熱爐結(jié)構(gòu)和工作原理示意

燃燒器具有熱負(fù)荷自動調(diào)節(jié)功能，可以通過燃燒控制系統(tǒng)上的調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)，即取水浴爐出口天然氣溫度為控制參數(shù)，在線自動調(diào)節(jié)燃?xì)鈿饬亢涂諝饬康谋壤?，同時(shí)在燃?xì)夤苈飞显O(shè)有燃料氣調(diào)節(jié)閥，在空氣管線上設(shè)有空氣調(diào)節(jié)閥，保證燃料氣和空氣按最佳比例燃燒，燃燒效率高。

加熱爐煙道上安裝了煙氣溫度開關(guān)，防止煙氣超溫。盤管被煙垢覆蓋，爐體中介質(zhì)水吸收的熱量過少會導(dǎo)致煙氣溫度過高，當(dāng)煙氣溫度過高時(shí)，進(jìn)行燃燒器切斷操作，若不切斷燃燒器將出現(xiàn)熱效率低下，燃燒器長期過載。

控制柜主要包括：主開關(guān)、溫控器、液位壓力顯示、燃燒控制器、急停開關(guān)、連鎖開關(guān)、操作狀態(tài)顯示和指示燈，能夠就地對熱水爐進(jìn)行控制模式及溫度設(shè)定。

一般水浴式加熱爐的熱效率為85%左右，在實(shí)際生產(chǎn)中由于存在排煙溫度高、過?？諝庀禂?shù)較大、空燃比調(diào)節(jié)難度大等問題，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行效率低于設(shè)計(jì)效率。AURA水浴式加熱爐的熱效率則高于一般加熱爐，達(dá)到86.5%。

2 水浴式加熱爐的選型

以天然氣管網(wǎng)有限公司某門站加裝水浴式加熱爐為例，此門站天然氣經(jīng)調(diào)壓后溫降較大，導(dǎo)致出口管道處含水土壤發(fā)生冰凍，造成土壤凍脹，使管道上方混凝土地面出現(xiàn)隆起開裂，出站閥門及管道被凍土抬高，閥門脫離基礎(chǔ)等現(xiàn)象，同時(shí)管道、閥門等設(shè)備長期處于低溫環(huán)境下運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 門站現(xiàn)場凍脹情況

2.1 水浴式加熱爐設(shè)計(jì)參數(shù)確認(rèn)

2.1.1 進(jìn)站壓力確認(rèn)

管網(wǎng)公司門站分為氣源門站及分輸門站。氣源門站為接收上游傳輸管線氣源并不經(jīng)調(diào)壓直接輸送至 6.0MPa管網(wǎng)，其壓力波動較大，一般為3.0~6.0MPa。分輸門站進(jìn)站壓力取決于上游管網(wǎng)壓力，其中6.0 MPa管網(wǎng)壓力波動較大，4.0 MPa、2.5MPa和1.6 MPa壓力等級管網(wǎng)則壓力波動較小。

該門站接收上游4.0 MPa管網(wǎng)來氣，一般氣源壓力為3.0~4.0 MPa，同時(shí)相距上游門站較近，壓力波動相對穩(wěn)定。根據(jù)公司提供的近兩年(2016年和2017年)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，門站進(jìn)站壓力在用氣低峰時(shí)達(dá)到最大值，一般為3.16~3.2 MPa。在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)應(yīng)滿足最不利工況要求，才有較高的安全系數(shù)，故進(jìn)站壓力選取為3.2 MPa。

2.1.2 出站壓力確認(rèn)

根據(jù)門站設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，管束區(qū)經(jīng)調(diào)壓后出站壓力分為0.8 MPa及0.4 MPa。公司根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行情況，滿足管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的需要，實(shí)際出站壓力為0.68 MPa和0.18 MPa。為了方便計(jì)算，出站壓力分別確認(rèn)為0.7 MPa和0.2 MPa。

2.1.3 進(jìn)站溫度確認(rèn)

該門站改造項(xiàng)目主要目的為解決天然氣出口溫度過低的情況，必須考慮冬季最不利工況，故本工程選取冬季最低日氣溫作為計(jì)算依據(jù)。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，門站在 2017年 2月進(jìn)站溫度為最低約4.3~5.2 ℃，3月以后平時(shí)溫度多在 6 ℃以上，最高進(jìn)氣溫度達(dá)到 16 ℃。極端工況時(shí)間很短，若按短時(shí)間內(nèi)極端運(yùn)行工況選取設(shè)計(jì)參數(shù)將造成設(shè)備負(fù)荷增加較大，工程投資增加較多，本工程選取6 ℃作為設(shè)計(jì)進(jìn)站溫度。

2.1.4 出站溫度確認(rèn)

根據(jù)管網(wǎng)公司運(yùn)行數(shù)據(jù)，該門站在 2017年 2月出站溫度達(dá)到-9.9 ℃。為確保出站管道不結(jié)冰、霜，防止埋地管道周圍土地發(fā)生凍脹，故要求管道出口溫度≥0 ℃，因此工程出站溫度選取0 ℃。

2.1.5 設(shè)計(jì)規(guī)模的確認(rèn)

該門站總設(shè)計(jì)規(guī)模為11萬m3/h，其中一路為8萬m3/h，出站設(shè)計(jì)壓力0.8 MPa，實(shí)際運(yùn)行壓力0.7MPa，另外一路為 3萬 m3/h，出站設(shè)計(jì)壓力0.4MPa，實(shí)際運(yùn)行壓力0.2 MPa。兩路均位于一個(gè)管束區(qū)內(nèi)，現(xiàn)場設(shè)備布置緊湊，因此采用整體加熱。

綜上所述，門站在進(jìn)行加熱爐選型時(shí)所需要考慮的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 加熱爐設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 門站溫降計(jì)算

當(dāng)天然氣流經(jīng)站點(diǎn)內(nèi)調(diào)壓裝置(降壓)以后，會發(fā)生節(jié)流效應(yīng)(焦耳—湯姆遜效應(yīng))從而導(dǎo)致氣體的溫度降低，這一溫降的程度與調(diào)壓前后的燃?xì)鈮航狄约罢{(diào)壓前的自身溫度緊密相關(guān)。

為了進(jìn)行粗略估算，考慮到燃?xì)庵饕煞质羌淄?，其含量一般?0%以上，所以可利用甲烷來代替天然氣，粗略地估算經(jīng)站內(nèi)調(diào)壓后的節(jié)流效應(yīng)，其表達(dá)式如下：

式中：μJ——焦耳—湯姆遜系數(shù)，K/Pa；

T——燃?xì)鉁囟龋琄；

p——燃?xì)獾慕^對壓力，Pa；

h——燃?xì)獗褥剩琂/kg。

根據(jù)某一調(diào)壓站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)，節(jié)流之前燃?xì)獾膲毫1=4.71 MPa，溫度T1=283.25 K，根據(jù)甲烷的焓壓圖，可查得此時(shí)焓值h1=0.693 MJ/kg，經(jīng)站內(nèi)調(diào)壓后p2=1.42 MPa，因近似看作絕熱節(jié)流故其節(jié)流前后的焓值相等，可查得T2=267.32 K。

絕熱節(jié)流平均系數(shù)計(jì)算公式：

通過此結(jié)論來估算門站溫降：

對于門站 0.4MPa出站，p1=3.2MPa，p2=0.2MPa，T1=279 K(6 ℃)，流量 3萬 m3/h，結(jié)果如下：T2=264 K，即出口溫度-9 ℃。

對于門站 0.8MPa出站，p1=3.2MPa，p2=0.7MPa，T1=279 K(6.00 ℃)，流量 8萬 m3/h，結(jié)果如下：T2=266.5 K，即出口溫度-6.5 ℃。

為了實(shí)現(xiàn)門站出站天然氣溫度達(dá)到0℃，即要求出口0.2 MPa系統(tǒng)調(diào)壓器前天然氣溫度應(yīng)不低于15℃，故調(diào)壓前溫度需上升 9℃。同理，出口0.7MPa系統(tǒng)調(diào)壓器前天然氣溫度需上升6.5℃。

由于采用同一套加熱爐裝置，同時(shí)為了保證門站出站溫度都能達(dá)到0℃，故采用9 ℃作為熱負(fù)荷計(jì)算的參數(shù)。

2.3 熱負(fù)荷計(jì)算

理論換熱量q計(jì)算按照穩(wěn)態(tài)流動焓變熱計(jì)算：

式中：q——所需加熱量，kJ/h或kW；

W——天然氣質(zhì)量流量，kg/h；

Cp——p1狀態(tài)下的定壓質(zhì)量比熱，J/(kg·℃)；

t1——未加熱實(shí)際計(jì)算所得降壓后天然氣溫度，℃；

對于公路橋梁工程而言，其處于交通運(yùn)輸網(wǎng)的核心位置；確保其應(yīng)用質(zhì)量的提升對于社會發(fā)展具有重大影響。因此就其保養(yǎng)和加固而言，強(qiáng)制性是其較為典型的特征所在[2]。其主要體現(xiàn)在兩個(gè)層面：①公路橋梁施工管理中，國家從法律法規(guī)的角度對其進(jìn)行指標(biāo)規(guī)范，確保樂養(yǎng)護(hù)加固的高標(biāo)準(zhǔn)。②新時(shí)期，人們對于公路橋梁應(yīng)用的安全要求不斷提升，其也要求工程建設(shè)單位必須進(jìn)行高度嚴(yán)格的公路橋梁養(yǎng)護(hù)和加固。

t′——加熱天然氣經(jīng)調(diào)壓降溫后需要達(dá)到的溫度，℃。

式中：Q——天然氣體積流量，m3/h；

ρ——天然氣的密度，kg/m3。

根據(jù)表1的設(shè)計(jì)參數(shù)，按照門站11萬m3/h運(yùn)行工況計(jì)算，滿足該門站整體加熱的計(jì)算換熱量為480 kW。由于實(shí)際節(jié)流過程為非穩(wěn)態(tài)工況不可逆過程，存在耗散，故實(shí)際換熱量應(yīng)乘以1.2系數(shù)。故天然氣溫升熱負(fù)荷為576 kW。

3 水浴式加熱爐的操作

3.1 運(yùn)行模式

水浴式加熱爐在實(shí)際運(yùn)行過程中有兩種模式：水溫控制模式和氣溫控制模式。

水溫控制模式以加熱爐內(nèi)介質(zhì)水的溫度為控制參數(shù)，直接設(shè)定水溫，從而調(diào)節(jié)出口天然氣溫度的模式。此模式下水溫為定值，所提供的熱負(fù)荷是一定的，但由于天然氣來氣溫度、來氣壓力及天然氣流量三個(gè)變化參數(shù)的影響，會導(dǎo)致門站出站溫度不斷變化。故在此模式運(yùn)行的情況下，水溫的設(shè)定值應(yīng)該保證在極端運(yùn)行工況下出站溫度仍保持在0℃以上，但是這會導(dǎo)致大部分時(shí)間出口溫度較高，導(dǎo)致熱水爐燃料氣能耗較高。如想降低熱水爐能耗，則需要不斷手動控制水溫，盡量保持出站溫度為一個(gè)較低的數(shù)值，一般為3~5 ℃。

氣溫控制模式以加熱爐出口天然氣溫度為控制參數(shù)，加熱爐系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)水浴爐水溫來保持所設(shè)定的出口氣溫。此模式下加熱爐出口天然氣溫度為定值，影響出站溫度的參數(shù)只有來氣壓力，且來氣壓力一般波動較小，故出站溫度較為恒定。

所以在水浴式加熱爐在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)選擇氣溫控制模式，加熱爐出口氣溫設(shè)定值一般為確保出站溫度在3~5 ℃。

3.2 開機(jī)操作

水浴式加熱爐開機(jī)前應(yīng)對工藝設(shè)備進(jìn)行檢查：

(1)工藝檢查：檢查爐體及相連管道的保溫防護(hù)是否完好；檢查系統(tǒng)中各閥門有無泄漏、是否完好；檢查設(shè)備上各排放口是否關(guān)閉；安全閥是否在正常狀態(tài)；檢查確認(rèn)后啟用燃料氣調(diào)壓箱。

(2)儀表檢查：檢查壓力表、溫度計(jì)是否安裝完好、清潔、指示正確；檢查液位計(jì)的水罐液位是否在正常的范圍內(nèi)；檢查溫度、壓力變送器是否安裝完好、指示正確。

(3)燃燒器檢查：檢查燃燒器是否處于完好狀態(tài)；燃料氣供給管線、球閥、調(diào)壓閥、點(diǎn)火閥和主燃?xì)忾y是否有燃?xì)庑孤┗虍惓?；檢查燃料氣壓力是否滿足燃燒器運(yùn)行的要求；檢查燃?xì)鈮毫﹂_關(guān)、助燃風(fēng)壓力開關(guān)是否安裝完好、可靠；燒器的風(fēng)門是否在全關(guān)的位置。

(4)氮?dú)飧采w系統(tǒng)檢查：檢查氮?dú)飧采w系統(tǒng)壓力是否正常；閥門是否有泄漏現(xiàn)象。

待上述項(xiàng)目檢查完畢后，進(jìn)行水浴式加熱爐的開機(jī)。

4 水浴式加熱爐在實(shí)際應(yīng)用中碰到的問題

(1)門站管束區(qū)進(jìn)口位置無足夠空間安裝水浴式加熱爐。一般而言加熱爐應(yīng)距離管束區(qū)較近，能夠保證天然氣經(jīng)過加熱后返回管束區(qū)過程中熱損失較少。如果門站設(shè)計(jì)規(guī)模較大，則需要的水浴式加熱爐的運(yùn)行功率較大，導(dǎo)致加熱爐的體積增加，造成管束區(qū)進(jìn)口位置沒有足夠的空間安裝加熱爐。此時(shí)可以將熱水爐安裝在距離管束區(qū)較遠(yuǎn)的空地上，但與管束區(qū)相連的進(jìn)出口管路均需采取有效地保溫措施。

(2)水浴式加熱爐在運(yùn)行過程中膨脹罐內(nèi)水位出現(xiàn)持續(xù)下降。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)燃燒室處三根煙管和管板的焊縫處有泄露，導(dǎo)致爐體的水泄漏至煙管內(nèi)，判斷是由于高溫?zé)釕?yīng)力導(dǎo)致裂紋。所以在加熱爐的實(shí)際運(yùn)行中一定要加強(qiáng)對膨脹罐內(nèi)液位的檢查。

5 結(jié)語

天然氣門站通過加裝水浴式加熱爐，能夠有效地解決天然氣門站的低溫凍脹問題，大大提高了場站的運(yùn)行安全。水浴式加熱爐的加熱負(fù)荷選擇應(yīng)當(dāng)符合所安裝的門站運(yùn)行工況，在實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)采用氣溫控制模式，設(shè)定的加熱爐出口氣溫應(yīng)確保調(diào)壓后的天然氣溫度在3~5 ℃，運(yùn)行過程中應(yīng)對其液位等工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。