天然氣輸氣管線壓力余能應(yīng)用及實(shí)施效果

王振宇

申能股份有限公司

1 實(shí)施目的

在天然氣長線輸送過程中，由于管線距離長，天然氣沿程阻力大，因此需要將天然氣升壓到一定壓力以保證天然氣的正常輸送，其上游壓力基本恒定。由于季節(jié)、晝夜、用戶地區(qū)的分布等各種原因，天然氣管線下游的流量和壓力一直處于波動(dòng)中，因此需要在天然氣管線下游設(shè)置天然氣調(diào)壓系統(tǒng)以滿足下游用戶的需求。天然氣減壓的常規(guī)方案是通過調(diào)壓站中的調(diào)節(jié)閥降低天然氣的壓力，但由于LNG末站的天然氣流量大、壓力高，通過天然氣調(diào)壓閥節(jié)流損失嚴(yán)重，將造成能量的巨大浪費(fèi)[1]。本天然氣差壓余能利用項(xiàng)目，通過設(shè)置一套與LNG末站并聯(lián)的差壓發(fā)電裝置，利用天然氣作為工質(zhì)，使其通過膨脹透平降壓，在透平出口壓力滿足用戶的同時(shí)，產(chǎn)生電力，回收能量。

2 系統(tǒng)簡介

LNG（液化天然氣）末站設(shè)計(jì)壓力為9.0MPa，目前實(shí)際進(jìn)站壓力為5.8～7.2MPa(g)，天然氣經(jīng)調(diào)壓撬減壓到4.0～5.5MPa(g)后送至城市管網(wǎng)，最大供氣流量為1 000 000m3/h，提供上海市城市管網(wǎng)約50%的供氣量。LNG末站的調(diào)壓撬包括4個(gè)單元：過濾單元、計(jì)量單元、加熱單元和調(diào)壓單元。

電廠一期工程已建成4臺(tái)400 MW級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，總裝機(jī)容量為1 646MW，是目前國內(nèi)一次核準(zhǔn)建成的最大規(guī)模的燃?xì)廨啓C(jī)電廠，也是上海進(jìn)口LNG的配套發(fā)電項(xiàng)目。

系統(tǒng)從LNG末站天然氣調(diào)壓撬調(diào)壓單元的進(jìn)口前接出，通過天然氣透平膨脹發(fā)電機(jī)出口接至LNG末站天然氣出口的下游，接入點(diǎn)在臨港首站（城市管網(wǎng)）之前。透平膨脹機(jī)及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量為200 000～800 000Nm3/h，可以滿足LNG末站每年90%以上的運(yùn)行工況需求。膨脹機(jī)自身帶100%調(diào)壓旁路，主要用于滿足膨脹機(jī)自身啟動(dòng)及故障切換的需要，以保證LNG末站供氣安全及供氣量的可靠性。為滿足管網(wǎng)入口天然氣溫度大于2℃的要求，膨脹機(jī)做功降溫后的天然氣通過海水進(jìn)行加熱。項(xiàng)目同時(shí)配置前置加熱器，這不僅利用了電廠內(nèi)的余熱，還進(jìn)一步提高了膨脹機(jī)的做功能力。天然氣差壓余能綜合利用流程見圖1[1]。

圖1 天然氣差壓余能綜合利用流程示意圖

本項(xiàng)目布置在廠區(qū)西北角區(qū)域內(nèi)，為確保區(qū)域內(nèi)安全，四周設(shè)置了消防環(huán)形道路。天然氣管道（2條DN700的管道）從LNG末站調(diào)壓撬預(yù)留口接出，從LNG末站南面圍墻靠近西側(cè)接出，沿原天然氣管網(wǎng)首站供電廠的DN800天然氣管道西側(cè)并排布置，在膨脹機(jī)裝置的安裝位置西側(cè)圍墻處接入電廠。海水循環(huán)水管走向，一去一回二根DN800循環(huán)水管從燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組排水工作井引出，原設(shè)計(jì)沿主廠房擴(kuò)建端道路一直向北至220kV升壓站北圍墻后向東到達(dá)差壓發(fā)電裝置區(qū)。項(xiàng)目布置示意圖見圖2。

圖2 項(xiàng)目布置示意圖

3 應(yīng)用實(shí)際情況

3.1 膨脹機(jī)跳閘對(duì)下游天然氣管網(wǎng)供氣壓力的影響

項(xiàng)目首先要保證城市管網(wǎng)的供氣安全。最極端的工況是膨脹機(jī)跳閘，需要確認(rèn)膨脹機(jī)入口ESV（緊急切斷閥）閥切斷的情況下，旁路是否可及時(shí)開啟，不對(duì)下游管線輸氣壓力和流量產(chǎn)生影響。為此進(jìn)行了膨脹機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)。甩負(fù)荷的試驗(yàn)值見表1。

表1 膨脹機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)值

由膨脹機(jī)跳閘時(shí)的旁路調(diào)壓系統(tǒng)啟動(dòng)曲線（圖3）和膨脹機(jī)跳閘后入口ESV閥關(guān)閉時(shí)間錄波曲線（圖4），可獲得如下結(jié)果：

圖3 膨脹機(jī)跳閘時(shí)旁路調(diào)壓系統(tǒng)啟動(dòng)曲線

圖4 膨脹機(jī)跳閘后入口ESV閥關(guān)閉時(shí)間錄波曲線

(1)膨脹機(jī)跳閘時(shí)，旁路調(diào)壓系統(tǒng)能迅速啟動(dòng)，并在20s時(shí)間內(nèi)將膨脹機(jī)出口天然氣壓力恢復(fù)至跳閘前壓力，滿足30s時(shí)間內(nèi)將膨脹機(jī)出口天然氣壓力恢復(fù)至跳閘前壓力要求；

(2)膨脹機(jī)跳閘試驗(yàn)期間，膨脹機(jī)出口天然氣壓力最大波動(dòng)百分比為4.1%，滿足8%允許波動(dòng)值要求；

(3)膨脹機(jī)跳閘后，膨脹機(jī)入口ESV閥能在0.48s迅速關(guān)閉，低于允許的0.5s要求。

機(jī)組從2017年4月運(yùn)行至今，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。膨脹機(jī)出口天然氣流量、壓力和溫度均能控制在占上海51%天然氣用氣量的下游用戶所需的天然氣參數(shù)范圍內(nèi)，即在差壓發(fā)電機(jī)組日常運(yùn)行工況下，差壓發(fā)電機(jī)組不影響占全上海51%天然氣用氣量的下游用戶安全用氣。

3.2 膨脹機(jī)發(fā)電量

膨脹機(jī)投運(yùn)一年的年發(fā)電量統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 膨脹機(jī)年發(fā)電量統(tǒng)計(jì)

2017年5月1日至2018年4月30日，膨脹機(jī)年發(fā)電總量1 607.32萬kWh，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)總計(jì)6 726.78h，平均負(fù)荷0.2389萬kWh。

3.3 雜水換熱器利用機(jī)組余能的節(jié)能效果

雜水換熱器可以使膨脹機(jī)入口前溫度提高1℃～3℃。雜用水換熱器加熱效果實(shí)際數(shù)據(jù)見表5。膨脹機(jī)入口天然氣溫度的提高也意味著可以進(jìn)一步提高膨脹機(jī)做功的發(fā)電量。

表5 雜水換熱器加熱效果實(shí)際數(shù)據(jù)

換熱降低了電廠雜水池的水溫，使原先的雜水冷卻塔停用，可節(jié)約部分的電量。

3.4 海水換熱器輸氣管線上的節(jié)能效果

海水換熱器使換熱器出口天然氣溫度與海水溫度接近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過下游管線提出的天然氣溫度至少2℃的要求。海水換熱器加熱效果數(shù)據(jù)見表6。

表6 海水換熱器加熱效果數(shù)據(jù)表

由于環(huán)境熱源的利用，減少了上游LNG末站和下游天然氣管網(wǎng)在冬季投運(yùn)水浴爐的天然氣量。僅以LNG末站為例，每年冬季用于加熱天然氣的水浴爐自用耗氣量就達(dá)到500 000Nm3。而隨著海水換熱器的投運(yùn)，LNG末站的水浴爐可以停用，因此節(jié)能減排效益非常突出。

3.5 配套海水換熱泵的節(jié)能效果

4臺(tái)機(jī)組全停時(shí)，通過機(jī)組循泵供4臺(tái)機(jī)組冷卻水，需開1臺(tái)循泵，頻率約32Hz，功率977kW。用海水換熱泵替代機(jī)組循泵供4臺(tái)機(jī)組全停時(shí)的冷卻水量，需開1臺(tái)海水換熱泵，頻率為40Hz，功率為241kW。根據(jù)統(tǒng)計(jì)2017年5月1日至2018年4月30日用海水換熱泵替代機(jī)組循泵的運(yùn)行小時(shí)數(shù)總計(jì)3 459h，年節(jié)電量為2 455 824kWh。

4 結(jié)論

(1)膨脹發(fā)電機(jī)組可以替代原有的調(diào)壓站實(shí)現(xiàn)天然氣管網(wǎng)調(diào)壓、調(diào)流模式下的安全穩(wěn)定輸氣，且膨脹機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量可以滿足全上海51%天然氣用氣量的下游用戶需求。

(2)天然氣差壓余能利用可以與燃?xì)怆姀S或周邊其他資源結(jié)合，實(shí)現(xiàn)能源的綜合利用。

(3)本文介紹的項(xiàng)目年節(jié)電量總計(jì)約16 000 000 kWh，年節(jié)氣量大于500 000Nm3/h。

本項(xiàng)目為低碳環(huán)保的清潔能源項(xiàng)目，在國內(nèi)尚無相關(guān)案例，項(xiàng)目的實(shí)施將形成示范帶動(dòng)作用，對(duì)能源的有效利用、節(jié)能降耗和建立節(jié)能型社會(huì)具有積極的意義。