國(guó)內(nèi)首套燃?xì)廨啓C(jī)摻燒合成氣的混氣站設(shè)計(jì)

劉艷艷，王 璽，盧 康

(杭州汽輪機(jī)股份有限公司,杭州 310000)

工程建設(shè)浙江石化二期3×SGT5-2000E燃?xì)?- 蒸汽聯(lián)合發(fā)電機(jī)組及相應(yīng)的公用設(shè)施，用于二期煉化項(xiàng)目的電量和蒸汽調(diào)節(jié)，要求機(jī)組具備較強(qiáng)的調(diào)節(jié)靈活性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[1]?，F(xiàn)場(chǎng)提供的主燃料為天然氣，在滿足蒸汽供熱能力，保證安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行的前提下?lián)綗糠譄捰突ず铣蓺?。因此，需要在調(diào)壓站之后配一個(gè)混氣站，能將來(lái)自上游長(zhǎng)輸供氣管道的天然氣和合成氣根據(jù)比例要求混合，使清潔的混合氣在所要求的壓力和流量下連續(xù)穩(wěn)定地輸入至下游燃?xì)廨啓C(jī)前置模塊中，滿足燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)及運(yùn)行要求。

1 混氣站的系統(tǒng)配置

本期工程全廠安裝一套混氣站，供三臺(tái)SGT5-2000E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)使用。

混氣站的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)于熱值波動(dòng)、壓力變動(dòng)等對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，充分考慮必要措施，保護(hù)其下游配氣管道及燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備和燃燒器，并考慮必要的旁路、檢修置換與放散等，即使在混氣站裝置發(fā)生故障的情況下，也不會(huì)使燃料氣危害到混氣站下游的設(shè)備和管道[2]。

混氣站按工藝過(guò)程包括天然氣/合成氣的緊急關(guān)斷、過(guò)濾系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、色譜分析、天然氣加熱器(含啟動(dòng)電加熱器)、混合器、熱值儀、調(diào)節(jié)閥、氮?dú)獯祾?、排空、安全放散、排污及配套儀控等系統(tǒng)[3]，應(yīng)滿足DL/T 5204—2016《發(fā)電廠油氣管道設(shè)計(jì)規(guī)程》、DL/T 5174—2003《燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠設(shè)計(jì)規(guī)定》、GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)要求。

2 混氣站的設(shè)計(jì)要求

工程機(jī)組的燃料來(lái)自建新奧LNG站的天然氣與煉化的合成氣，其中天然氣為主燃料，合成氣為摻混燃料。依據(jù)提供的天然氣和合成氣的成份，本工程建設(shè)要求混氣站系統(tǒng)允許最大50% 體積比例摻混(即合成氣與天然氣的最大摻混比例≤1∶1)。燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)和關(guān)閉期間，需用100%天然氣，在60%～90%負(fù)荷范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)天然氣與混合氣的切換。

由于標(biāo)準(zhǔn)狀況下合成氣中含41%的H2和53%的CO，如表1所示，需要充分考慮氣體的特殊性質(zhì)，例如氫脆，CO的有毒特性等。所謂氫脆，是指高強(qiáng)度鋼在富氫環(huán)境中進(jìn)行處理時(shí)，氫原子會(huì)向鋼基體中滲透，使高強(qiáng)度鋼出現(xiàn)塑性和韌性降低，而導(dǎo)致的開(kāi)裂或延遲性的脆性破壞現(xiàn)象。因此，必須要求混氣站內(nèi)所有管件材質(zhì)選用不銹鋼或選擇能耐氫脆試驗(yàn)的碳鋼。同時(shí)，為了防止有毒氣體泄漏，混氣站內(nèi)所有法蘭連接件按照DIN 2695標(biāo)準(zhǔn)采用焊接密封件。

表1 合成氣的氣體成分

燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃料氣的特性有一定的要求，例如，溫度、壓力、熱值等，直接影響著燃?xì)廨啓C(jī)的壽命和發(fā)電的可靠性[4]。針對(duì)本項(xiàng)目混氣站后(即前置模塊前)混合氣燃料入口條件參數(shù)：溫度范圍15～50 ℃；溫度變化率 dT/dt≤ 1 ℃/s ；標(biāo)準(zhǔn)狀況下燃料低位熱值VLH范圍31.6～49.0 MJ/m3；低位熱值變化率 ≤0.1%/s(超過(guò)該波動(dòng)范圍，將會(huì)引起燃機(jī)跳機(jī))；表壓范圍2.988～3.15 MPa;壓力變化率dP/dt≤0.02 MPa/s；標(biāo)準(zhǔn)狀況下混氣站最大設(shè)計(jì)流量61 t/h/臺(tái)(77 450 m3/h)。

3 混氣站設(shè)計(jì)的技術(shù)說(shuō)明

氣體混氣站允許根據(jù)天然氣與合成氣的供應(yīng)量和燃?xì)廨啓C(jī)的氣體消耗要求混合天然氣和合成氣?；诘脑O(shè)計(jì)條件是，最大摻混比例為合成氣與天然氣的體積比= 1∶1 (標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，實(shí)際將在調(diào)試期間根據(jù)天然氣、合成氣組分等條件現(xiàn)場(chǎng)微調(diào)。

混氣站設(shè)備應(yīng)采用橇裝式，應(yīng)按功能分成若干單元，包括計(jì)量過(guò)濾單元、加熱單元、計(jì)量調(diào)流單元(圖1)、混合單元(圖2)、穩(wěn)壓?jiǎn)卧?圖3)等。天然氣氣源及合成氣氣源母管按照3臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)需求分成3條天然氣管路和合成氣管路，各支路在混氣罐中進(jìn)行充分混合后，向下游燃?xì)廨啓C(jī)供氣。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程介紹如下：

(1) 在天然氣供應(yīng)管線和合成氣供應(yīng)管線的入口母管上分別設(shè)置一臺(tái)緊急關(guān)斷閥。在發(fā)生火警或其他緊急狀況時(shí)可就地或遠(yuǎn)程控制切斷閥門(mén)，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間≤3 s。然后分別設(shè)置過(guò)濾單元，包括兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的過(guò)濾分離器，分離燃料氣體中的液體和固體雜質(zhì)。

(2) 在天然氣供應(yīng)管線和合成氣供應(yīng)管線的入口母管上分別配置一臺(tái)氣相色譜儀，用于在線檢測(cè)天然氣、合成氣的成份。同時(shí)，天然氣的供應(yīng)母管上還需要配置一套露點(diǎn)加熱系統(tǒng)，包括2臺(tái)熱水換熱器(一用一備)和1臺(tái)啟動(dòng)電加熱器，保證天然氣出口溫度為30 ℃，以滿足燃?xì)廨啓C(jī)前置模塊入口對(duì)燃料溫度的要求。

(3) 混氣站需要設(shè)置計(jì)量單元，如圖1計(jì)量調(diào)流單元所示，采用1×100%運(yùn)行配置，使用孔板流量計(jì)并配置流量計(jì)算機(jī)、差壓變送器、整流器、前后直管段及輔助儀表等，用以測(cè)量每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行期間實(shí)時(shí)消耗的天然氣和合成氣量。計(jì)量單元前后配置進(jìn)出口隔斷球閥，并設(shè)有旁路。管路上配置充氮和放散接口，采用雙球閥隔斷并引致撬邊，然后將放散氣接至火炬系統(tǒng)統(tǒng)一安全處理。孔板流量計(jì)上設(shè)置的差壓變送器除現(xiàn)場(chǎng)顯示外，還需遠(yuǎn)傳信號(hào)至DCS系統(tǒng)。

圖1 計(jì)量調(diào)流單元

(4) 在合成氣支路每套孔板流量計(jì)下游設(shè)置一套合成氣控制閥，該控制閥可以根據(jù)混合模塊下游的熱值儀信號(hào)或上游的流量信號(hào)來(lái)控制合成氣的摻混比例。每臺(tái)合成氣控制閥控制對(duì)應(yīng)的燃?xì)廨啓C(jī)所需混合氣的摻混比例，用于控制混合氣中合成氣體積占比不超過(guò)50%，同時(shí)也可用于該路氣路的切斷，其泄露等級(jí)為CLASS Ⅳ級(jí)。同時(shí)在天然氣支路上的每套孔板流量計(jì)下游設(shè)置一套天然氣控制閥，實(shí)現(xiàn)雙向流量控制。

(5) 混合單元是混氣站的關(guān)鍵設(shè)備之一，如圖2混合單元所示。在合成氣每個(gè)控制閥及天然氣每個(gè)控制閥的下游分別設(shè)置一個(gè)氣體靜態(tài)混合器，用于接收天然氣和合成氣并進(jìn)行混合后輸送至下游。當(dāng)合成氣流量大于天然氣流量時(shí)，天然氣調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證天然氣流量始終不小于合成氣流量。保證在任何工況下，合成氣與天然氣的摻混體積比小于1∶1。在每套混合器下游同時(shí)設(shè)置一臺(tái)熱值儀，每臺(tái)熱值儀實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)混合氣的熱值，并將該熱值信號(hào)傳送至對(duì)應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)的合成氣控制閥進(jìn)行聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)天然氣和合成氣的摻混比例的實(shí)時(shí)控制，熱值分析時(shí)間應(yīng)<10 s。

圖2 混合單元

(6) 燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃料壓力有很高的要求，過(guò)高或過(guò)低的壓力都會(huì)影響燃?xì)廨啓C(jī)的正常運(yùn)行，甚至對(duì)熱部件造成損壞，所以需要在混氣站的末端配置燃料穩(wěn)壓?jiǎn)卧鐖D3所示。在熱值儀后面設(shè)置調(diào)壓裝置，每條調(diào)壓支路串聯(lián)配置安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器和工作調(diào)壓器[5]。正常情況下，工作調(diào)壓器用于調(diào)節(jié)調(diào)壓站出口天然氣的壓力。當(dāng)工作調(diào)壓器故障時(shí)，監(jiān)控調(diào)壓器自動(dòng)投入運(yùn)行，保證進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)前置模塊的混合氣壓力穩(wěn)定，滿足對(duì)燃料壓力變化率的設(shè)計(jì)要求。

圖3 穩(wěn)壓?jiǎn)卧?/p>

4 特殊設(shè)計(jì)要求及結(jié)論

(1) 混氣站應(yīng)配備完善的氮?dú)庵脫Q、吹掃系統(tǒng)。每條調(diào)壓支管路、每條母管線等均應(yīng)設(shè)置足夠的氮?dú)獯祾呓涌诤腿咏涌?。每個(gè)接口的接管上均應(yīng)設(shè)置雙閥隔斷加止回閥的配置。同時(shí)，混氣站應(yīng)設(shè)置足夠的放散管道，使所有的放散氣體都能集中安全放散。放散系統(tǒng)應(yīng)能保證全流量20%放散。

(2) 所有設(shè)備包括在線色譜儀、孔板流量計(jì)、換熱器、閥門(mén)等都應(yīng)適用于天然氣、合成氣介質(zhì)。

(3) 考慮CO對(duì)人身傷害的影響，為了防止有毒氣體泄露，合成氣及混合氣的管路墊片應(yīng)滿足DIN 2695標(biāo)準(zhǔn) 。

(4) 要求混氣站內(nèi)所有管件材質(zhì)不低于20 G，同時(shí)能避免氫脆(H2的影響)。

(5) 混氣站的噪聲水平應(yīng)符合《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》和本項(xiàng)目廠界噪聲Ⅲ類(lèi)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求，即距離設(shè)備外殼1 m處測(cè)得的噪聲(聲壓級(jí))不應(yīng)超過(guò)85 dB。

綜上所述，混氣站按照工藝過(guò)程，必須包括天然氣與合成氣的緊急關(guān)斷、過(guò)濾、計(jì)量、色譜及熱值分析、天然氣加熱器(含啟動(dòng)電加熱器)、混合器、調(diào)節(jié)閥、調(diào)壓裝置、氮?dú)獯祾?、排空、安全放散、排污、控制等系統(tǒng)，才能根據(jù)天然氣的供應(yīng)量和燃?xì)廨啓C(jī)的氣體消耗要求，實(shí)時(shí)控制天然氣與合成氣的混合比例，才能保證國(guó)內(nèi)首套燃?xì)廨啓C(jī)摻燒合成氣的安全運(yùn)行。