節(jié)能工藝在中哈C線項(xiàng)目的應(yīng)用

李子傲，李貴賓

1快軌建設(shè)管理有限公司，北京

2中油國際管道公司(西北管道項(xiàng)目)，北京

1.引言

隨著近年來天然氣在市場(chǎng)發(fā)展下和實(shí)際需求量的不斷提高，輸氣量不斷增加，通常以管道為主要輸送方式，實(shí)際運(yùn)輸所需要的各種設(shè)備較多，設(shè)備工作消耗的能量較大，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，這是國際上共同面臨研究解決的問題，經(jīng)過研究分析管道行業(yè)一方面要積極采用國內(nèi)外先進(jìn)的輸氣工藝和節(jié)能技術(shù)，引進(jìn)先進(jìn)的管理系統(tǒng)，另一方面提高員工的節(jié)能意識(shí)和國際接軌，來提高完善我國天然氣長輸管道節(jié)能工作。

為節(jié)約能源實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，國家先后通過了《中華人民共和國節(jié)約能源法》(中華人民共和國主席令第七十七號(hào))、《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定》(國發(fā)(2006) 28 號(hào))等法律法規(guī)。天然氣長輸管道雖然是輸送天然氣的一種經(jīng)濟(jì)高效的輸送方式，尤其是大輸量和長距離輸送其經(jīng)濟(jì)性更為顯著，但采用天然氣長輸管道輸送天然氣的同時(shí)也消耗大量能源。為滿足國家節(jié)能法規(guī)要求，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，在長輸管道建設(shè)中采取節(jié)能措施，尤其像中哈C 線工程這樣擁有8 座壓氣站，1300 多公里的大口徑輸氣管道工程更顯得尤為重要。在中哈C 線工程積極地應(yīng)用各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，以推動(dòng)天然氣管道節(jié)能工作的發(fā)展。

2.中哈C 線工程概況

中亞–中國天然氣管道C 線工程(哈國段)起點(diǎn)位于哈烏邊境，沿A/B 線并行敷設(shè)至中國境內(nèi)的霍爾果斯。線路全長1302.75 km，全線管線采用X80 材質(zhì)、直徑1219 mm 的鋼管，管道外防腐采用3PE，內(nèi)涂層采用雙組份液態(tài)環(huán)氧樹脂，設(shè)計(jì)壓力9.81 MPa。其中哈烏邊境～阿克布拉克段長度309.5 km，設(shè)計(jì)輸量200 × 108Nm3/a；阿克布拉克～霍爾果斯段長度993.25 km，設(shè)計(jì)輸量250 × 108Nm3/a。中哈C 線工程共設(shè)置壓氣站8 座，計(jì)量站2 座(分別設(shè)在CCS1 壓氣站和霍爾果斯計(jì)量站)，清管站8 座、線路截?cái)嚅y室64 座，其中RTU 閥室43 座。中哈C 線與AB 線跨接8 處，下氣點(diǎn)11 處。壓氣站可實(shí)現(xiàn)氣體除塵(除液)、增壓、壓力越站、全越站、工藝氣冷卻、站循環(huán)、燃料氣(自用氣)供應(yīng)、氣質(zhì)分析、放空和排污等功能要求。

3.中哈C 線管道耗能分析

利用管道輸送天然氣須消耗大量能源，天然氣長輸管道的能耗可分為直接能耗和間接能耗。直接能耗是指壓縮機(jī)組能耗、燃料氣消耗以及管道阻力損失等在天然氣輸送過程中產(chǎn)生的能耗。這類能耗可以通過采用新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備予以降低，但不能消除。間接能耗是指天然氣放空、泄漏等所導(dǎo)致的直接損失，這類能耗在理論上可以消除[1][2]。中哈C 線工程通過減少管道摩阻，優(yōu)化管道工藝，采用壓降小的設(shè)備、節(jié)能壓縮機(jī)組及采用減少放空工藝、壓縮機(jī)余熱利用等節(jié)能措施，來減少管道的直接能耗和間接能耗，達(dá)到節(jié)能效果。中哈C 線工程站場(chǎng)主要耗能設(shè)備包括壓縮機(jī)組、空氣壓縮機(jī)、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、空冷器、燃?xì)忮仩t等。

4.節(jié)能措施

1) 優(yōu)化輸送工藝

①站場(chǎng)設(shè)置和管徑的選取

相同管徑下，設(shè)計(jì)壓力越高，綜合能耗越低[3][4]；在相同設(shè)計(jì)壓力下，管徑越大，綜合能耗越低。設(shè)計(jì)壓力越高、管徑越大，綜合能耗越低[5][6]。但在相同設(shè)計(jì)壓力下，管徑的選取通過項(xiàng)目投資、綜合耗能、運(yùn)行成本等經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選來最終確定。項(xiàng)目設(shè)計(jì)壓力為9.81 Mpa，其烏哈邊境～阿克布拉克段長度309.5 km，設(shè)計(jì)輸量為200 × 108Nm3/a；阿克布拉克～霍爾果斯段長度993.25 km，設(shè)計(jì)輸量250 × 108Nm3/a。對(duì)各管徑方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選，結(jié)果如表1 所示。

Table 1.Basic technical and economic indicators表1.基本技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選結(jié)果可知，方案1 費(fèi)用現(xiàn)值最低，總自耗氣量適中。項(xiàng)目采取了方案1，即設(shè)置8座壓氣站，設(shè)計(jì)壓力為9.81 MPa、管徑為1219 mm。

壓氣站具體分布情況見表2。

Table 2.Setting table of compressor stations in Kazakhstan表2.哈薩克斯坦境內(nèi)壓氣站設(shè)置表

② 空冷系統(tǒng)

輸氣溫度過高將導(dǎo)致輸氣效率下降。降低管道的輸送溫度，可以提高管道的平均運(yùn)行壓力，減少管道的沿程摩阻，降低壓縮機(jī)組的能耗。為降低管道的輸送溫度，空冷器的投資和耗電均需增加。如果管道因降低輸送溫度所節(jié)約的燃料氣消耗費(fèi)用，比增設(shè)空冷器所增加投資和空冷器耗電所增加的費(fèi)用之和高，則管道降溫輸送是經(jīng)濟(jì)節(jié)能的[5]。

中亞C 線哈國段壓氣站出站溫度根據(jù)哈薩克斯坦的環(huán)境氣象參數(shù)及當(dāng)?shù)匾?guī)范，按照氣體的最佳年平均冷卻溫度應(yīng)比室外年平均計(jì)算氣溫高10℃～15℃的原則，經(jīng)過多方案比選論證，50℃出站方案經(jīng)濟(jì)性最好，技術(shù)可行，最終推薦采用50℃出站溫度。其它項(xiàng)目也證實(shí)50℃出站溫度最經(jīng)濟(jì)、更節(jié)能[5]。

根據(jù)各工況計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行空冷器設(shè)計(jì)選型，空冷器數(shù)量需滿足最大換熱負(fù)荷工況需求。各壓氣站最大換熱負(fù)荷工況下空冷器設(shè)置見表3。

中哈C 線空冷器區(qū)工藝氣空冷系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇和冷卻器構(gòu)成，并設(shè)置旁通管路，當(dāng)壓縮機(jī)出口溫度低于設(shè)定值或檢修時(shí)，天然氣由旁通管路越過空冷器，當(dāng)壓縮機(jī)出口溫度高于設(shè)定值時(shí)，空冷器系統(tǒng)進(jìn)口閥門打開，旁通管路閥門關(guān)閉，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)空冷器電機(jī)，對(duì)天然氣進(jìn)行冷卻降溫?？绽淦髅考苡? 臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，電機(jī)采用變頻電機(jī)，各電機(jī)單獨(dú)控制，可根據(jù)天然氣溫度選擇全開或開一臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行方式。為方便檢修維護(hù)，1 個(gè)空冷器構(gòu)架設(shè)為1 組，每組空冷器的進(jìn)口匯管設(shè)置電動(dòng)球閥。為方便空冷器檢修時(shí)放空，減少檢修氣體放空損耗，每組空冷器設(shè)置獨(dú)立的放空管路，并接至站內(nèi)放空系統(tǒng)。

50℃出站溫度的選取、旁通管路的設(shè)計(jì)、變頻電機(jī)的選取及每臺(tái)單獨(dú)控制啟停等措施的應(yīng)用，都很好的起到節(jié)能的作用。

③站場(chǎng)自用氣管道節(jié)點(diǎn)的選取

根據(jù)規(guī)范SY/T 6567-2010 天然氣輸送管道系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)范的要求，壓氣站自用氣應(yīng)采用進(jìn)站供氣，減少節(jié)流損失[7]。C 線站場(chǎng)自用氣主要為燃料氣，一路燃料氣起源引自清管站，另一路引致站內(nèi)管道。引自清管站的燃料氣起源為進(jìn)站管道，作為備用氣源。站內(nèi)燃料氣氣源為過濾分離以后的天然氣，確保了燃料氣的潔凈，也在壓縮機(jī)進(jìn)口管道上，減少節(jié)流損失，符合SY/T 6567-2010 所規(guī)定節(jié)能的要求。

Table 3.Air cooler setting table for each compressor station表3.各壓氣站空冷器設(shè)置表

④ 與AB 線聯(lián)合運(yùn)行工藝

C 線與AB 線設(shè)計(jì)8 條跨接線，管徑914 mm，跨接工藝的設(shè)計(jì)，不但提到了整個(gè)管廊帶三條管道運(yùn)行的可靠性，提高安全運(yùn)行系數(shù)，而且當(dāng)管道較低數(shù)量工況運(yùn)行時(shí)，三條管道聯(lián)合運(yùn)行，將節(jié)約運(yùn)行能耗，節(jié)省能源。

2) 選擇節(jié)能設(shè)備

①壓縮機(jī)的選取

由于中亞地區(qū)電力供應(yīng)系統(tǒng)相對(duì)緊張，可靠性較差，因此從可靠性上考慮，確定全線所有壓氣站采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組。機(jī)組備用是天然氣長輸管道上最普遍的一種備用方式，即在各壓氣站設(shè)置一套備用的燃?jí)簷C(jī)組及其相應(yīng)的輔助設(shè)施，其主要優(yōu)點(diǎn)是壓氣站的運(yùn)行可靠性最高。C 線全線壓氣站采用機(jī)組備用的方案，每座壓氣站設(shè)一臺(tái)備用機(jī)組。不僅保證在設(shè)計(jì)輸量下燃?xì)鈮簷C(jī)組始終能在較高效率區(qū)域工作，中間輸量下供氣的可靠性。而且當(dāng)站內(nèi)機(jī)組因維修停機(jī)或失效停機(jī)時(shí)，啟動(dòng)備用機(jī)組，保證了輸氣可靠性。

在壓縮機(jī)的選擇上，選擇了ROLLS-ROYCE 的RB211-G62 DLE 壓縮機(jī)組和GE 的PGT25+DLE 壓縮機(jī)組，壓縮機(jī)效率在88%以上，燃機(jī)ISO 效率40%以上(ROLLS-ROYCE 為40.1%，GE 為41.1%)，壓縮機(jī)效率均處于國際領(lǐng)先水平，有利于節(jié)能降耗。

② 空冷器、旋風(fēng)分離器和過濾分離器

在空冷器、旋風(fēng)分離器和過濾分離器等具有壓力損失的設(shè)備選型上，在滿足工藝要求的前提下，盡可能選擇天然氣通過壓降小的設(shè)備，中哈C 線站場(chǎng)選用的空冷器在額定工況下正常操作的壓降不大于0.7 MPa、旋風(fēng)分離器在額定工況下正常操作的壓降不大于0.05 MPa、過濾分離器在額定工況下正常操作的壓降不大于0.01 MPa。

③對(duì)于空壓機(jī)的選型，通過對(duì)站場(chǎng)儀表風(fēng)用氣進(jìn)行計(jì)算，并要求GE 廠家提供具有耐高溫性能的UCP1，并把UCP1 放置于儀表間，避免了AB 線需要增加儀表風(fēng)對(duì)UCP1 進(jìn)行冷卻的問題，大大節(jié)省了儀表風(fēng)壓縮空氣的用量，使得站場(chǎng)壓縮空氣用量降到1000 m3/h以下，電機(jī)由初設(shè)的165 KW 變?yōu)?32 KW，電機(jī)采用變頻電機(jī)，有效的節(jié)約了站場(chǎng)電能消耗。

3) 減少管道摩擦阻力

輸氣管道采用內(nèi)涂層，可以使管道內(nèi)表面光滑、降低粗糙度、減小水力摩阻系數(shù)，從而達(dá)到提高管道輸氣量[8][9]；在相同輸氣量條件下，可以降低壓縮機(jī)需用功率，既能減少機(jī)組建設(shè)的投資費(fèi)用，又能減少投運(yùn)后壓縮機(jī)的能耗費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用[10]。

為節(jié)約能源，中哈C 線管道采取了內(nèi)涂層采用雙組份液態(tài)環(huán)氧樹脂。壓縮機(jī)組與管道組成的水力系統(tǒng)中，壓縮機(jī)組提供的壓力能等于管道所消耗的能量，而管道消耗的能量主要是管道沿程摩阻所消耗的能量，管道采用減阻內(nèi)涂層后，可減小管道內(nèi)壁粗糙度，從而減少因管道沿程摩阻消耗的能量。管道設(shè)內(nèi)涂層，輸送壓降小，提高管道的輸送能力，減少壓縮機(jī)組輸送功率，隨著管道長度的增加，壓氣站配置數(shù)量的遞增，管道設(shè)內(nèi)涂層，燃料氣消耗減少更明顯，從而進(jìn)一步提高輸氣量[5]。

國內(nèi)某工程對(duì)采取內(nèi)涂層和不采用內(nèi)涂層進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，比選結(jié)果如表4：

Table 4.Energy saving and economic comparison of inner coating表4.內(nèi)涂層節(jié)能經(jīng)濟(jì)比選

由表4 可知，采取上述節(jié)能措施需要增加工程建設(shè)投資31,557 萬元。但是每年可以節(jié)省天然氣消耗量約2885 × 104m3，同時(shí)每年可以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約4933 萬元。以上充分證明了管道內(nèi)涂層具有顯著的節(jié)能作用。管道內(nèi)涂層不但具有減少氣阻，節(jié)約能源的作用，還具有防腐的功能，從而延長管道的使用年限。

4) 減少管道放空

輸氣工藝設(shè)計(jì)應(yīng)減少天然氣放空[11][12]。中哈C 線采取措施及新工藝，以降低管道放空帶來的間接能耗損失。在壓氣站及清管站，凡檢修或事故停工時(shí)需要通過放空降壓或吹掃的設(shè)備都設(shè)置設(shè)放空閥；需不停輸檢修調(diào)試的設(shè)備和閥門，其放空管應(yīng)末端設(shè)置隔斷閥。在系統(tǒng)截?cái)嚅y之間的管道或設(shè)備上設(shè)置放空閥；有效減少檢修時(shí)天然氣放空損耗。

清管站采取密閉清官工藝，在清管操作時(shí)，避免清管過程中天然氣的大量放空，減少清管過程中的天然氣放空損耗。

采取新的閥室節(jié)能工藝，節(jié)約了長輸管道在改線和停輸檢修事故時(shí)大量放空造成的經(jīng)濟(jì)損失，及放空過程中對(duì)環(huán)境的污染，閥室傳統(tǒng)工藝流程見圖1，長輸管道放空天然氣轉(zhuǎn)運(yùn)節(jié)能技術(shù)典型工藝流程見圖2。通過在線路截?cái)嚅y旁通管線上設(shè)置移動(dòng)壓縮機(jī)預(yù)留管線及操作閥門，并設(shè)置移動(dòng)壓縮機(jī)組，通過多臺(tái)機(jī)組有效組合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)天然氣從事故管段向相鄰上游或者下游的安全管段轉(zhuǎn)運(yùn)。實(shí)現(xiàn)一般線路段常規(guī)檢修及事故檢修工況下天然氣有效回收，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益，同時(shí)提升管道整體安全性。

以某計(jì)劃檢修管段為例，其干線管徑為1219 mm，管段長度為30 km，管內(nèi)天然氣起始?jí)毫? MPa。采用4 臺(tái)750 kw 車載移動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行作業(yè)。經(jīng)計(jì)算，本系統(tǒng)可在30 小時(shí)內(nèi)將管段壓力抽到0.6 MPa，節(jié)省天然氣約150 萬方。

在大中型河流2 側(cè)、清管站上下游及線路上按規(guī)范規(guī)定的長度設(shè)置線路截?cái)嚅y，以減少事故狀態(tài)下天然氣的放空。

5) 余熱利用

對(duì)壓縮機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)余熱的利用主要為余熱發(fā)電和余熱鍋爐，其中余熱鍋爐應(yīng)用較為成熟。中哈C 線在每個(gè)站場(chǎng)安裝了2 臺(tái)余熱鍋爐，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)余熱進(jìn)行利用，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，替代站內(nèi)燃?xì)忮仩t，為站內(nèi)提供生活用水及對(duì)站內(nèi)燃料氣進(jìn)行加熱，節(jié)約燃?xì)饧s19.3 × 104Nm3/a。

Figure 1.Traditional technology process of valve station圖1.閥室傳統(tǒng)工藝流程圖

Figure 2.Typical energy saving technology of venting natural gas transportation in long distance pipeline圖2.長輸管道放空天然氣轉(zhuǎn)運(yùn)節(jié)能技術(shù)典型工藝流程圖

5.結(jié)論

項(xiàng)目采取的節(jié)能技術(shù)措施和節(jié)能工藝不但滿足輸送工藝的要求，又有利于降低各耗能設(shè)備的能耗量，減少天然氣損耗，提高能源的利用效率。節(jié)能亮點(diǎn)主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

1) 該工程選定的壓縮機(jī)效率可達(dá)88%；燃驅(qū)壓氣站燃機(jī)ISO 效率可達(dá)40%以上，設(shè)備節(jié)能效率處于國際領(lǐng)先水平。

2) 設(shè)置余熱利用裝置，利用壓縮機(jī)組余熱，為燃料氣加熱及生活供熱等提供能源，減少電力、燃?xì)庀摹?/p>

3) 壓縮機(jī)組后空冷器采用50℃出站溫度，有效節(jié)約管道運(yùn)行能源。

4) 采用減阻內(nèi)涂層技術(shù)，節(jié)省管道運(yùn)行天然氣消耗量。

5) 優(yōu)化管徑方案，采用D1219，9.81 MPa，不但節(jié)約了管道自耗氣，還使得整個(gè)系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)。

6) 采用新節(jié)能閥室工藝和密閉清管工藝，減少管道運(yùn)行期間管道放空帶來的天然氣損失。

中哈C 線節(jié)能、降耗措施的應(yīng)用，有力地推動(dòng)天然氣管道節(jié)能工作的發(fā)展，對(duì)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。