三菱M701F4聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣調(diào)壓站優(yōu)化設(shè)計(jì)

任淵源，張衛(wèi)靈，光 旭，劉炳俊，劉建生

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012；2.浙江大唐國(guó)際紹興江濱熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312366）

0 引言

大型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組利用清潔能源天然氣進(jìn)行發(fā)電，具有熱效率高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、占地少、投資省、啟動(dòng)快的優(yōu)勢(shì)[1]。

大唐紹興江濱天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程采用的是東方電氣股份有限公司引進(jìn)日本三菱技術(shù)生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)首套 M701F4型[2]（以下簡(jiǎn)稱“F4型”，在M701F3型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)）單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，性能保證條件下100%負(fù)荷時(shí)單套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力達(dá)約452.07 MW，熱效率達(dá)58.36%。是目前國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大、熱效率最高的9F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組之一。

作為國(guó)內(nèi)首套F4型單軸機(jī)組電廠，其設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了大量的優(yōu)化工作，本文主要對(duì)天然氣調(diào)壓站系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、天然氣泄漏監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新進(jìn)行深入研究，以期降低廠用電，提高經(jīng)濟(jì)效益，增加機(jī)組運(yùn)行的可靠性，對(duì)于國(guó)內(nèi)同類型項(xiàng)目具有借鑒和指導(dǎo)意義。

1 天然氣調(diào)壓站系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 背景

大唐紹興工程的天然氣末站用氣來(lái)自省天然氣公司杭甬線大吉庵閥室，正常供氣壓力范圍為2.8～6.3 MPa。

按照F4型燃機(jī)的要求，燃機(jī)燃料模塊前天然氣壓力不低于3.5 MPa[3-4]，即調(diào)壓站入口壓力需達(dá)到3.9 MPa才能保證該參數(shù)，因此，只有設(shè)置增壓機(jī)才能使天然氣壓力滿足燃機(jī)供貨商的要

求[5-6]。

而為了節(jié)約能源（節(jié)省廠用電），可考慮在天然氣來(lái)氣壓力較高時(shí)停運(yùn)能耗較高的增壓機(jī)，而通過(guò)調(diào)壓和穩(wěn)壓滿足要求，因此，本文針對(duì)是否設(shè)置調(diào)壓撬以及調(diào)壓撬設(shè)置位置進(jìn)行研究，以期對(duì)調(diào)壓站系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 是否設(shè)置調(diào)壓撬

對(duì)于是否設(shè)置調(diào)壓撬，有以下兩種方案：方案一：不設(shè)調(diào)壓撬，僅設(shè)增壓機(jī)；方案二：既設(shè)調(diào)壓撬，又設(shè)增壓機(jī)[7]。

對(duì)于方案二，當(dāng)調(diào)壓站入口天然氣壓力為2.8～4.2 MPa時(shí)，使天然氣通過(guò)增壓撬支路，滿足燃機(jī)的要求；當(dāng)調(diào)壓站入口天然氣壓力為4.0～6.3 MPa時(shí)，使天然氣通過(guò)調(diào)壓撬支路，滿足燃機(jī)的要求；這種方式可將高能耗的增壓機(jī)在部分時(shí)段停運(yùn)，以大幅度節(jié)省廠用電，增加發(fā)電收益和經(jīng)濟(jì)效益。從天然氣公司取得的天然氣調(diào)壓站入口壓力變化的典型日波動(dòng)曲線如圖1所示。

圖1 天然氣調(diào)壓站入口壓力典型日波動(dòng)

根據(jù)圖1計(jì)算得出上述兩個(gè)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表1所示（其中，單臺(tái)增壓機(jī)功耗1 400 kW、電價(jià)0.62元/kWh考慮）。

圖2 天然氣調(diào)壓站調(diào)壓撬-增壓機(jī)串聯(lián)優(yōu)化方案示意

表1 兩方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

從表1中可以看出，方案二每年可比方案一增加發(fā)電收益約303.8萬(wàn)元，而方案二初投資僅比方案一多約500萬(wàn)元，因此方案二在大約2年內(nèi)即可收回增設(shè)增壓機(jī)帶來(lái)的成本增加。因此推薦采用方案二，既設(shè)調(diào)壓撬、又設(shè)增壓機(jī)的方案。

1.3 調(diào)壓撬設(shè)置位置研究

調(diào)壓撬與增壓機(jī)聯(lián)合設(shè)置主要有兩種具體方案，包括串聯(lián)方案（方案一）及并聯(lián)方案（方案二）。

經(jīng)優(yōu)化后調(diào)壓站的配置情況包含計(jì)量單元、分離單元、過(guò)濾單元、增壓機(jī)單元、調(diào)壓撬單元，出調(diào)壓站后，經(jīng)燃機(jī)燃料模塊最終進(jìn)入燃機(jī)，兩種方案下調(diào)壓站系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意如圖2—3所示[8-9]。

方案一（串聯(lián)方案）：調(diào)壓撬流程上設(shè)置在增壓機(jī)撬之前，調(diào)壓撬和增壓撬分別設(shè)置旁路，旁路上設(shè)置電動(dòng)隔離閥。調(diào)壓撬中每臺(tái)機(jī)設(shè)置一條運(yùn)行支路和一條備用支路，共設(shè)二條運(yùn)行支路、二條備用支路。增壓支路和其旁路的切換采用集控室手動(dòng)切換方式（即正常運(yùn)行時(shí)只考慮機(jī)組運(yùn)行在一種模式下，增壓支路或旁路），不采用根據(jù)來(lái)氣壓力自動(dòng)切換的方式；調(diào)壓支路和其旁路采用自動(dòng)控制切換方式。調(diào)壓撬入口母管上設(shè)置一個(gè)加熱單元，采用蒸汽-天然氣換熱器型式。蒸汽來(lái)自輔助蒸汽母管，啟動(dòng)時(shí)輔助蒸汽母管中的蒸汽來(lái)自于燃?xì)忮仩t。

方案二（并聯(lián)方案）：調(diào)壓撬與增壓撬并聯(lián)，當(dāng)調(diào)壓站入口天然氣壓力為2.8～4.2 MPa時(shí)，通過(guò)增壓撬支路，滿足燃機(jī)的要求；當(dāng)調(diào)壓站入口天然氣壓力為4.0～6.3 MPa時(shí)，通過(guò)調(diào)壓撬支路，滿足燃機(jī)的要求；運(yùn)行切換壓力設(shè)定值考慮為4.0 MPa和4.2 MPa。該調(diào)壓撬支路上也設(shè)置有用于天然氣來(lái)氣壓力較高時(shí)，且在冬季氣溫較低時(shí)使用的加熱單元。

從技術(shù)角度講，兩種方案皆可滿足燃機(jī)燃料模塊前天然氣壓力的要求，但其優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2所示。為了簡(jiǎn)化管路系統(tǒng)、增加控制和切換的可靠性，以及節(jié)約固定投資，推薦選擇采用方案二，即調(diào)壓撬與增壓機(jī)并聯(lián)設(shè)置。

2 天然氣泄漏監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新

2.1 背景

大唐紹興工程在調(diào)壓站內(nèi)設(shè)置有天然氣增壓機(jī)，增壓機(jī)設(shè)置有后冷卻器，采用閉式冷卻水進(jìn)行冷卻。由于后冷卻器的天然氣側(cè)壓力高于閉式水側(cè)壓力，若冷卻器換熱管發(fā)生泄漏，則天然氣將進(jìn)入整個(gè)閉式水系統(tǒng)，危險(xiǎn)區(qū)域?qū)U(kuò)大，直接危險(xiǎn)到主廠房設(shè)備的安全[10-13]。而目前幾乎所有設(shè)有增壓機(jī)的聯(lián)合循環(huán)電廠都沒(méi)有對(duì)此進(jìn)行特殊考慮，現(xiàn)有天然氣泄漏檢測(cè)技術(shù)中，音波檢測(cè)法和光纖檢測(cè)法等也無(wú)法解決天然氣泄漏至水系統(tǒng)中的檢測(cè)問(wèn)題[14-15]，存在一定的安全隱患。本文正是在這樣的背景下，研究開發(fā)了天然氣收集和泄漏監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)增壓機(jī)后冷卻器換熱管的泄漏形成了連續(xù)監(jiān)測(cè)，保證了系統(tǒng)設(shè)備的安全。

表2 兩方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

2.2 天然氣收集和泄漏監(jiān)測(cè)裝置布置

由于增壓機(jī)后冷卻器換熱管發(fā)生泄漏后，機(jī)組可能處于運(yùn)行狀態(tài)，也可能處于停機(jī)狀態(tài)，因此，天然氣可能向增壓機(jī)后的冷卻水管道流動(dòng)，也可能向增壓機(jī)前的冷卻水管道流動(dòng)。所以，考慮在增壓機(jī)后冷卻器閉式水進(jìn)、出口管道上各布置一臺(tái)天然氣收集和泄漏監(jiān)測(cè)裝置，以保證收集和監(jiān)測(cè)泄漏的天然氣。該系統(tǒng)布置示意見圖4。

2.3 天然氣收集和泄漏監(jiān)測(cè)裝置外形和設(shè)計(jì)原理

裝置外形示意如圖5所示，其設(shè)計(jì)原理為：

圖3 天然氣調(diào)壓站調(diào)壓撬-增壓機(jī)并聯(lián)優(yōu)化方案示意

圖4 天然氣收集和泄漏監(jiān)測(cè)裝置布置

（1）閉式水入口進(jìn)入一個(gè)大的裝置容器空間，且在裝置內(nèi)設(shè)置遮流板，充分降低冷卻水流速，能夠有效搜集水中氣體，包括搜集天然氣至頂部空間。

（2）裝置頂部設(shè)計(jì)有浮球視鏡，正常運(yùn)行時(shí)，因閉式水帶有壓力，而使浮球處于最高點(diǎn)，當(dāng)氣體在浮球視鏡頂部聚集時(shí)，將使浮球下降，此時(shí)微啟視鏡頂部閥門，用手持式天然氣探測(cè)儀探測(cè)集聚空氣是否為天然氣，若被手持式探測(cè)儀檢測(cè)到，則需立即停機(jī)檢查，直至把問(wèn)題修復(fù)。

（3）浮球視鏡與裝置中部之間設(shè)計(jì)有就地磁翻板液位計(jì)，若發(fā)現(xiàn)測(cè)得液位下降，也需采用第（2）條措施用手持式探測(cè)儀進(jìn)行探測(cè)，以確定液位下降原因，若確實(shí)由于頂部集聚天然氣所致，則立即停機(jī)檢查，直至把問(wèn)題修復(fù)。

（4）一旦監(jiān)測(cè)到天然氣泄漏，則立即在集控室報(bào)警，并及時(shí)檢查并消除天然氣泄漏點(diǎn)。

該裝置能有效的對(duì)增壓機(jī)后冷卻器換熱管天然氣泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效的避免了危險(xiǎn)區(qū)域的擴(kuò)大，保證了全廠的安全，推薦采用該裝置。

3 結(jié)語(yǔ)

圖5 天然氣收集和泄漏監(jiān)測(cè)外形和設(shè)計(jì)

作為國(guó)內(nèi)安裝了首臺(tái)F4型單軸機(jī)組的發(fā)電廠，大唐紹興江濱天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了大量的優(yōu)化工作，本文對(duì)天然氣調(diào)壓站的優(yōu)化成果進(jìn)行了總結(jié)研究，主要包括調(diào)壓站系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、天然氣泄漏監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，以期降低廠用電，提高全廠經(jīng)濟(jì)效益，增加機(jī)組運(yùn)行的可靠性，對(duì)于國(guó)內(nèi)同類型項(xiàng)目具有借鑒和指導(dǎo)意義。