天然氣管網(wǎng)壓力聯(lián)鎖自動控制技術(shù)應(yīng)用研究

林少平

（浙江浙能興源節(jié)能科技有限公司，杭州 310005）

0 引言

2016 年，我國全年天然氣消費量約1 932 億m3，天然氣在一次能源消費中的比重達(dá)到6.4%[1]。根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，“十三五”期間新建天然氣主干及配套管道4萬km，年干線輸氣能力超過4 000 億m3?？梢灶A(yù)見，我國天然氣的消費量將越來越大。

我國城市管網(wǎng)燃?xì)夤艿涝O(shè)計壓力從0.01～4.0 MPa 可分為7 級[2]，天然氣輸送到用戶時必須逐級降壓后才能使用[3-6]，傳統(tǒng)節(jié)流降壓方式不僅會造成天然氣4.5～6 ℃/MPa 的溫降，還會導(dǎo)致大量壓力能的直接損失[7-9]。

目前，國內(nèi)外對于城市門站天然氣壓力能回收綜合利用的研究較多，且集中在天然氣壓力能膨脹發(fā)電。鄭斌[10-12]等采用透平膨脹機為壓力能回收裝置，展開對天然氣壓力能回收綜合利用的理論及應(yīng)用研究；Farzaneh-Gord[3，13]等在天然氣壓力能差壓發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用研究中引入了渦輪膨脹機；王碩[14]等則是在其天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電技術(shù)研究中采用流體馬達(dá)作為膨脹機實現(xiàn)天然氣壓力能發(fā)電工藝。近幾年，由于螺桿膨脹機轉(zhuǎn)速較低，體積僅為同容量透平膨脹機的10%，可不通過減速裝置直接驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，且軸封效果好，壽命長，因而越來越多地被應(yīng)用于天然氣壓力能發(fā)電項目[15-16]。盡管目前針對天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電技術(shù)的理論及應(yīng)用研究越來越多，但關(guān)于壓力能發(fā)電裝置尤其是螺桿膨脹發(fā)電裝置與原調(diào)壓支路的變工況運行特性的研究均未見述及。

天然氣門站調(diào)壓支路與壓力能發(fā)電裝置在運行過程或緊急停機狀況時的無縫切換是門站供氣穩(wěn)定性和安全性的重要保證。本文以某螺桿膨脹機壓力能發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，經(jīng)過理論研究和實踐驗證，提出了一種適用于壓力能膨脹發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、高效、安全的變工況運行聯(lián)鎖控制技術(shù)。

1 研究對象

1.1 調(diào)壓站

以浙江省某天然氣城市調(diào)壓門站為例，門站設(shè)計天然氣流量為10 000 m3/h（實際約為6 700 m3/h），進(jìn)站設(shè)計壓力為4.0 MPa（實際約為3.45 MPa），出站設(shè)計壓力為0.4 MPa（實際約為0.42 MPa），出站天然氣溫度要求不低于5 ℃。

天然氣調(diào)壓支路的壓力調(diào)節(jié)工藝為“緊急截斷閥+監(jiān)控調(diào)壓器+工作調(diào)壓器”的自力式三閥組調(diào)壓型式，如圖1 所示，正常工作時2 條支路運行方式為1 運1 備。

1.2 天然氣壓力能發(fā)電系統(tǒng)

依據(jù)該門站天然氣流量及壓力情況，專門設(shè)計了一套額定天然氣流量為9 800 m3/h 的壓力能發(fā)電系統(tǒng)（詳見表1），采用高效的單機雙級螺桿膨脹機配套異步發(fā)電機、天然氣加熱器和油加熱器作為天然氣壓力能膨脹發(fā)電裝置。天然氣進(jìn)入單機雙級螺桿膨脹發(fā)電機組膨脹做功后，回到門站原低壓匯氣管后送入下游管網(wǎng)。

表1 天然氣壓力能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)門站近一年天然氣流量測算（詳見表2），為保證項目最大經(jīng)濟(jì)性，壓力能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計運行流量區(qū)間為4 500～11 500 m3/h，年凈發(fā)電量可達(dá)64 萬kWh，年運行小時數(shù)為8 196 h（占全年的93.6%）。項目的經(jīng)濟(jì)性要求壓力能發(fā)電裝置必須具備較強的變工況運行能力。

1.3 壓力能發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)瓶頸

天然氣調(diào)壓門站是天然氣輸配鏈中的重要站點，作為城市天然氣供應(yīng)的起點，門站供氣量受下游用氣量變化影響始終處于波動之中，尤其是晝夜差異最為明顯。一方面，壓力能發(fā)電裝置適應(yīng)天然氣流量工況變化的能力越強，可運行時間越長，則經(jīng)濟(jì)性更佳；另一方面，一旦天然氣流量超出壓力能發(fā)電裝置的經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間，需立即實現(xiàn)與原調(diào)壓支路的快速、穩(wěn)定、安全切換，保證門站供氣的穩(wěn)定性和安全性。

圖1 城市調(diào)壓門站原調(diào)壓原理

表2 門站近一年不同輸氣量下的發(fā)電能力測算

同時，螺桿機屬于容積式流體機械，當(dāng)天然氣輸氣量發(fā)生變化時，如不對螺桿膨脹機入口工況體積流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，膨脹效率將降低，嚴(yán)重時會因發(fā)生膨脹后天然氣壓力波動大、輸氣量不足等問題而影響下游管網(wǎng)的安全運行。

2 聯(lián)鎖自動控制技術(shù)研究

2.1 控制問題梳理

為確保螺桿膨脹發(fā)電機組既能適應(yīng)天然氣大流量區(qū)間的變工況運行，又能實現(xiàn)與原調(diào)壓支路的快速、安全切換，需解決以下控制問題：

（1）2 條支路天然氣流量的分配

螺桿膨脹發(fā)電裝置支路天然氣的承載能力在5 000～11 000 m3/h。一旦門站天然氣輸送量低于5 000 m3/h，螺桿膨脹發(fā)電裝置無法經(jīng)濟(jì)運行，此時天然氣流量需要全部切換回原調(diào)壓支路輸送；天然氣流量高于11 000 m3/h 時，超出部分的天然氣同樣需要分流至原調(diào)壓支路。

（2）啟停機過程的無縫切換

裝置啟動過程需要將天然氣流量逐漸從原調(diào)壓支路分流乃至全部進(jìn)入螺桿膨脹發(fā)電裝置，而停機過程則是逐漸將進(jìn)入裝置的天然氣切換回原調(diào)壓支路，直至氣量不再進(jìn)入壓力能發(fā)電裝置，2 條支路切換過程需保證不影響門站正常供氣；同時，為保證螺桿膨脹機入口流量始終滿足設(shè)備工況運行條件，需要在膨脹機入口設(shè)置預(yù)調(diào)節(jié)手段。

（3）確保運行及支路切換的安全性

首先，天然氣調(diào)壓支路位于門站防爆區(qū)域，所有設(shè)備均需滿足防爆要求并具備一定防護(hù)等級。其次，壓力能發(fā)電裝置一旦發(fā)生故障或者安全事件，為避免壓力瞬間突升，則要求壓力能發(fā)電裝置能夠瞬間緊急停機，同時工作調(diào)壓器需立即開啟，保障供氣連續(xù)、安全、穩(wěn)定。最后，切換過程中一旦出現(xiàn)天然氣出站壓力過高現(xiàn)象，門站原調(diào)壓支路安全切斷閥將立即動作切斷供氣，進(jìn)而導(dǎo)致上游壓力過高切斷及下游供氣中斷等安全運行問題。

2.2 控制策略研究

（1）出于對安全性及性能的考慮，在螺桿膨脹發(fā)電裝置進(jìn)口布置安全切斷閥、緊急切斷閥和電動調(diào)節(jié)閥。一旦出現(xiàn)天然氣超壓，安全切斷閥迅速動作切斷裝置進(jìn)氣，緊急關(guān)斷閥可滿足膨脹發(fā)電裝置緊急停機的需要，電動調(diào)節(jié)閥通過調(diào)節(jié)膨脹機的進(jìn)口壓力以控制流入螺桿膨脹機的天然氣流量趨于設(shè)計值，從而保證出口壓力符合要求，不會出現(xiàn)壓力過高或過低現(xiàn)象。

（2）分析門站原調(diào)壓支路的安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器和工作調(diào)壓器壓力值的設(shè)定原理，將天然氣出口壓力控制值與工作調(diào)壓器設(shè)定值控制在最小偏差范圍內(nèi)，保證在緊急情況下或者需要分流時，工作調(diào)壓器能夠迅速自動開啟。

（3）膨脹機啟動或停機階段，電動調(diào)節(jié)閥主要根據(jù)壓力能發(fā)電裝置出口壓力反饋及壓力控制程序，實現(xiàn)工作調(diào)壓器閥門開度的自動調(diào)節(jié)。在啟動階段，工作調(diào)壓器逐漸關(guān)閉以確保天然氣逐步分流至膨脹發(fā)電裝置；在停機階段，通過壓差調(diào)節(jié)，保證工作調(diào)壓器的閥門逐漸開啟，天然氣逐步切換回原調(diào)壓支路。

（4）為進(jìn)一步保證項目安全性，引入的全部閥門及儀表等均采用防爆設(shè)備，防爆等級要求不得低于門站原調(diào)壓支路選定等級；同時，為保證緊急停機時，壓力能發(fā)電裝置能迅速切斷供氣，天然氣快速、安全地切換回原調(diào)壓支路，參考汽輪機DEH（數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)）聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)定原則[17]，將緊急切斷時間壓縮在1 s 內(nèi)。同樣為避免壓力能膨脹發(fā)電裝置出口壓力過高，在壓力能發(fā)電裝置前設(shè)置與門站原調(diào)壓支路相同的安全切斷閥。

2.3 技術(shù)原理分析

目前門站選用的調(diào)壓器為指揮作用式（即自力式），具有流量適應(yīng)廣、壓損小和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，主要通過指揮器、主彈簧和出口壓力的平衡調(diào)節(jié)閥芯位置。

門站出口壓力波動范圍對應(yīng)的調(diào)壓器穩(wěn)壓精度為AC2.5，壓力調(diào)節(jié)精度為0.01 MPa；而高性能電動調(diào)節(jié)閥的壓力調(diào)節(jié)精度可以達(dá)到0.004 MPa（穩(wěn)壓精度AC1），優(yōu)于門站原調(diào)壓器的調(diào)節(jié)精度，充分保證了壓力能膨脹發(fā)電裝置在運行及啟停過程中，能夠完美地實現(xiàn)門站原調(diào)壓器開度調(diào)節(jié)的自動聯(lián)鎖控制：2 條支路出口壓力的允許正偏差可以實現(xiàn)門站原調(diào)壓器處于長期關(guān)閉狀態(tài)，允許壓力負(fù)偏差能夠保證2 條支路的自動聯(lián)鎖切換，控制回路見圖2。

2.4 聯(lián)鎖自動控制技術(shù)方案

天然氣壓力能源綜合利用裝置聯(lián)鎖自動控制流程見圖3，在螺桿膨脹發(fā)電裝置進(jìn)口管道上依次設(shè)置進(jìn)口球閥（BV3103）、安全切斷閥（SSV3305）、緊急切斷閥（PCV3306）和電動調(diào)節(jié)閥（PCV3307），在出口管道上設(shè)置出口球閥（BV3203），防爆等級均不低于dIIBT4。

圖2 聯(lián)鎖自動控制技術(shù)控制邏輯

其中，安全切斷閥屬于常開型閥門，用于保護(hù)下游管線的壓力不超過設(shè)定值；緊急關(guān)斷閥為常開型氣動閥門，切斷時間控制在1 s 內(nèi)，專門用于螺桿膨脹機出現(xiàn)異常情況時迅速切斷天然氣；高精度電動調(diào)節(jié)閥是聯(lián)鎖自動控制技術(shù)方案的核心閥門，其開度由膨脹機出口壓力控制，壓力目標(biāo)值與工作調(diào)壓器設(shè)定值偏差為±（0.01～0.05）MPa（現(xiàn)場試驗確定最佳值）。該技術(shù)方案的關(guān)鍵在于充分利用了調(diào)壓器及主要閥門的壓力反饋特性，通過壓力聯(lián)鎖控制，可實現(xiàn)以下功能：

（1）膨脹機啟動階段，電動調(diào)節(jié)閥緩慢開啟，部分天然氣通過螺桿膨脹機調(diào)壓運行，工作調(diào)壓器自動部分關(guān)閉，天然氣處于雙管路運行。當(dāng)電動調(diào)節(jié)閥開啟至一定開度時，工作調(diào)壓器自動完全關(guān)閉，天然氣切換至全部通過螺桿膨脹機運行，此時下游管線壓力高于原調(diào)壓支路工作壓力0.01～0.05 MPa（最終值由動作試驗確定）。

圖3 天然氣壓力能綜合利用裝置聯(lián)鎖自動控制流程

（2）正常運行時，當(dāng)門站供氣量低于膨脹機的最低經(jīng)濟(jì)運行流量（5 000 m3/h）時，通過電動調(diào)節(jié)閥控制出口天然氣壓力高于工作調(diào)壓器壓力設(shè)定值，工作調(diào)壓器自動關(guān)閉，全部天然氣流經(jīng)膨脹機膨脹做功。當(dāng)天然氣流量大于膨脹機最大工作流量時，天然氣出口壓力逐步降低，當(dāng)?shù)陀诠ぷ髡{(diào)壓器的壓力設(shè)定值（與工作調(diào)壓器的偏差為-（0.01～0.05）MPa）， 工作調(diào)壓器自動部分開啟，天然氣處于雙管路運行。當(dāng)天然氣流量降低至膨脹機最大工作流量以下，裝置出口天然氣壓力高于工作調(diào)壓器設(shè)定值，調(diào)壓器自動關(guān)閉，天然氣全部經(jīng)由螺桿膨脹機進(jìn)入下游。

（3）膨脹機停機階段（包括安全切斷閥動作過程），與膨脹機啟動階段類似，天然氣緩慢切換至天然氣調(diào)壓支路運行。

（4）膨脹機出現(xiàn)緊急故障或者安全事件時，裝置立即緊急停機，緊急關(guān)斷閥迅速完成關(guān)閉動作，螺桿膨脹發(fā)電裝置瞬間停止天然氣供應(yīng)，此時在電動調(diào)節(jié)閥的作用下，出口壓力設(shè)定值十分接近門站原工作調(diào)壓器設(shè)定值，保證了原調(diào)壓支路工作調(diào)壓器的迅速開啟，避免了對上游壓力過高切斷及下游供氣中斷等的影響。

3 工程驗證

將本文提出的聯(lián)鎖自動控制技術(shù)方案應(yīng)用于該天然氣壓力能發(fā)電項目，建設(shè)一套額定處理能力為9 800 m3/h 的單機雙級天然氣螺桿膨脹發(fā)電機組，并配套熱泵制冰系統(tǒng)和載冷劑系統(tǒng)，設(shè)計膨脹機最大運行流量為11 000 m3/h，最小經(jīng)濟(jì)運行流量為5 000 m3/h；膨脹發(fā)電機組額定功率為315 kW。

項目調(diào)試期間，經(jīng)過多次實際動作試驗，確定該項目螺桿膨脹發(fā)電裝置出口天然氣壓力與工作調(diào)壓器設(shè)定值的最佳偏差范圍為±0.01 MPa。在該設(shè)定值下，膨脹發(fā)電裝置啟動、運行以及停機過程中，天然氣出站壓力始終維持穩(wěn)定狀態(tài)（如圖4 所示），充分驗證了聯(lián)鎖自動控制技術(shù)完全可以保證機組正常啟停機及支路切換。同時，緊急停機情況下，原調(diào)壓支路能夠迅速打開，保證門站及上游連續(xù)、穩(wěn)定、正常供氣。

圖4 示范工程壓力聯(lián)鎖控制分析

整套啟動試運期間，天然氣最小瞬時流量為5 902 m3/h，最大瞬時流量為11 241 m3/h，通過應(yīng)用聯(lián)鎖自動控制技術(shù)，能夠快速、自動實現(xiàn)螺桿膨脹發(fā)電裝置所在支路與原調(diào)壓支路天然氣流量的合理分配及連續(xù)、穩(wěn)定輸氣，保障了項目整套啟動試運的圓滿完成。

4 結(jié)語

天然氣壓力能發(fā)電裝置發(fā)電能力及運行小時數(shù)直接決定了項目投資價值，而城市天然氣調(diào)壓門站的輸氣功能絕不能因為壓力能回收利用而有所影響，本文提出的聯(lián)鎖自動控制技術(shù)方案利用調(diào)壓器及螺桿膨脹發(fā)電機組的壓力反饋特性，通過壓力聯(lián)鎖控制技術(shù)，實現(xiàn)天然氣流量的自動平衡和支路的快速、穩(wěn)定、自動切換。

在壓力能發(fā)電項目尤其是螺桿膨脹發(fā)電項目中應(yīng)用聯(lián)鎖自動控制技術(shù)，可充分保障壓力能發(fā)電項目投資的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性，對同類型壓力能發(fā)電項目具有一定的借鑒和參考意義。