天然氣綜合站工藝及功能的優(yōu)化

許臣君，田霖(鐵嶺港華燃?xì)庥邢薰?，遼寧 鐵嶺 112000)

1 概述

天然氣綜合站建設(shè)時(shí)主要設(shè)備設(shè)施之間須滿足現(xiàn)行的《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[2]，CNG加氣站與天然氣輸氣管道合建站的設(shè)計(jì)與施工還要符合現(xiàn)行的《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定，所以建設(shè)單位應(yīng)充分考慮綜合站的特點(diǎn)，根據(jù)綜合站內(nèi)各組成部分功能需求，進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)，合理分區(qū)，實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)化。

2 案例工程概況

鐵嶺港華燃?xì)庥邢薰炬?zhèn)西堡天然氣場站位于鐵嶺縣鎮(zhèn)西堡鎮(zhèn)木廠村，是一處綜合性場站，總面積20 055 m3，分為天然氣門站、壓縮天然氣母站和常規(guī)加氣站三個(gè)區(qū)域(見圖1)。門站負(fù)責(zé)接收中石油管輸天然氣(沈哈線)并輸送至鐵嶺市區(qū)，輸氣能力達(dá)50萬m3/d；壓縮天然氣母站將管輸天然氣壓縮運(yùn)輸至市區(qū)各汽車加氣站，供應(yīng)能力達(dá)20萬m3/d；常規(guī)加氣站可為CNG出租車及公交車加注壓縮天然氣，加氣能力2萬m3/d。

圖1 鎮(zhèn)西堡天然氣場站分區(qū)圖

2.1 門站工藝及功能優(yōu)化

(1)鎮(zhèn)西堡門站主要是接收上游高壓管道氣，經(jīng)過過濾器除去雜質(zhì)，隨后進(jìn)入水浴式換熱器，提高天然氣溫度，在經(jīng)過計(jì)量、調(diào)壓、加臭，通過長輸管線輸送給到市區(qū)，門站設(shè)備還設(shè)有自用氣撬，主要是提供站內(nèi)熱水鍋爐和食堂使用。

(2)門站的核心主要是調(diào)壓器，一般大型門站都采用軸流式調(diào)壓器，設(shè)有主路和副路，采用切斷閥+監(jiān)視調(diào)壓器+運(yùn)行調(diào)壓器模式確保下游穩(wěn)定運(yùn)行，為了更好地保障安全，在門站建設(shè)過程中增加了自動(dòng)選路裝置，避免了當(dāng)主路切斷閥切斷時(shí)，由于某種原因副路切斷閥也有可能一同切斷的風(fēng)險(xiǎn)，只有當(dāng)副路調(diào)壓器運(yùn)行時(shí)，副路切斷閥才會(huì)檢測到下游管道的壓力(圖2)。自動(dòng)選路裝置功能上要求備用路能自動(dòng)補(bǔ)上運(yùn)行供氣，不會(huì)導(dǎo)致停氣情況，同時(shí)不可用電子或電力裝置或人手調(diào)控來達(dá)到此目的，也不能靠在備用路上不同壓力的設(shè)定來達(dá)到此目的。

圖2 自動(dòng)選路裝置流程圖

2.2 CNG母站工藝及功能優(yōu)化

(1)鎮(zhèn)西堡母站直接接收上游高壓管道氣，經(jīng)過濾、計(jì)量、干燥、緩沖、加臭后，進(jìn)入母站壓縮機(jī)組壓縮冷卻后，輸送到加氣柱計(jì)量，再充裝給下游的CNG槽車中。

(2)高壓天然氣進(jìn)入鎮(zhèn)西門站和母站時(shí)，當(dāng)母站和常規(guī)站壓縮機(jī)沒有啟動(dòng)，隨著上游進(jìn)站壓力波動(dòng)(2.8～3.6 MPa)，母站入口高壓天然氣倒流進(jìn)入門站調(diào)壓裝置，導(dǎo)致母站計(jì)量裝置不準(zhǔn)或損傷，優(yōu)化后在進(jìn)入母站入口閥門后安裝止回閥(圖3)，考慮到運(yùn)行壓力及流量，選用旋啟式止回閥即可滿足需求，同時(shí)方便日后維修維護(hù)。

圖3 止回閥安裝示意圖

(3)原設(shè)計(jì)將門站調(diào)壓裝置和母站過濾計(jì)量裝置設(shè)置在同一個(gè)平臺方便管理，卻將母站過濾計(jì)量裝置過濾排污收集到壓縮機(jī)間外的排污池，不僅距離較遠(yuǎn)，同時(shí)排污管道與其他管道交叉較多，考慮排放的介質(zhì)和運(yùn)行壓力相同，通過優(yōu)化利用門站原有排污池，將母站過濾計(jì)量裝置排污管道并入門站調(diào)壓裝置排污管道中，一共進(jìn)門站排污池(見圖4)。

圖4 優(yōu)化后排污管線示意圖

(4)母站運(yùn)營的核心就是壓縮機(jī)的穩(wěn)定，有條件的企業(yè)一般會(huì)選用體積小、故障率低的進(jìn)口壓縮主機(jī)+國產(chǎn)防爆電機(jī)，冷卻形式大部分都是風(fēng)冷為主。鎮(zhèn)西堡站選用的進(jìn)口壓縮機(jī)只有風(fēng)冷+水冷的混合模式，冷卻工藝比較復(fù)雜，在母站壓縮機(jī)組運(yùn)行過程中，通過壓縮放熱，防凍液冷卻壓縮機(jī)后吸熱，吸熱溫度一般可以達(dá)50～60 ℃[3]，再被風(fēng)冷裝置上的軸流風(fēng)機(jī)冷卻后，利用水泵返回壓縮機(jī)組。針對此種壓縮機(jī)實(shí)際情況對其冷卻工藝進(jìn)行優(yōu)化(圖5)，遠(yuǎn)期可以根據(jù)實(shí)際用氣情況選擇安裝相應(yīng)的廢熱回收機(jī)組(板式換熱器)，將母站壓縮熱能提供給門站水浴式換熱器換熱，用于提高門站天然氣出站溫度，降低站內(nèi)鍋爐使用熱負(fù)荷，減少壓縮機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)頻次，達(dá)到降低能耗的目的。

圖5 遠(yuǎn)期廢熱回收裝置安裝示意圖

(5)考慮到母站單臺壓縮機(jī)的功率是355 kW，設(shè)備廠家提供電機(jī)電壓是380 V，優(yōu)化后改為10 kV。這樣做可以降低電源和配電設(shè)備總體投資，并且線路損耗小，可節(jié)省一定的耗電量，可直接使用網(wǎng)絡(luò)電源，使用簡便，故障率較少，啟動(dòng)電流小，承受沖擊能力強(qiáng)。

(6)加氣母站的安全核心主要是充裝環(huán)節(jié)，以往加氣柱和CNG槽車的連接都是通過高壓軟管和鋼絲繩。為確保充裝環(huán)節(jié)的安全，改為使用CNG快速接頭防脫裝置和壓縮天然氣裝卸臂(圖6)代替鋼絲繩和高壓軟管。CNG快速接頭防脫裝置功能是將壓縮天然氣裝卸臂端部的快速接頭外表面增加一組保護(hù)裝置，有效代替鋼絲繩對快速接頭固定，消除了快速接頭的安全隱患。壓縮天然氣裝卸臂的功能是利用不銹鋼材料耐壓高、抗壓力沖擊能力強(qiáng)、不會(huì)產(chǎn)生爆裂和泄漏特點(diǎn)，采用多個(gè)萬向軸組合。操作靈活，使用方便，維修方便快捷，導(dǎo)靜電性能好，不像高壓軟管需定期檢定及更換，使用壽命長。

圖6 壓縮天然氣裝卸臂及防脫裝置

(7)壓縮天然氣屬于高壓易燃易爆氣體，一般母站加氣充裝過程中需要安裝固定式靜電接地報(bào)警器，但是一旦操作員人員沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)靜電接地報(bào)警就容易導(dǎo)致事故的發(fā)生，所以我們采用了防靜電控制器與加氣柱進(jìn)行連鎖的措施，當(dāng)防靜電控制器聲光報(bào)警時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加氣柱供電，切斷氣源，有效地控制了充裝過程中的靜電風(fēng)險(xiǎn)。

(8)因夏季母站壓縮機(jī)出口溫度較高，導(dǎo)致CNG槽車充氣量和充裝時(shí)間受到影響，為了緩解這個(gè)問題，在母站加氣充裝區(qū)設(shè)置水噴淋系統(tǒng)對充裝的CNG槽車進(jìn)行降溫，減少充裝時(shí)間。

2.3 CNG常規(guī)加氣站工藝及功能優(yōu)化

(1)鎮(zhèn)西堡常規(guī)加氣站直接接收上游高壓管道氣，經(jīng)過濾、計(jì)量、干燥、緩沖、加臭后，進(jìn)入常規(guī)站壓縮機(jī)組壓縮冷卻，利用優(yōu)先順序盤進(jìn)到對應(yīng)的高中壓儲氣瓶組中，再輸送到加氣機(jī)計(jì)量、最后充裝給下游的CNG出租車或公交車。

(2)考慮到常規(guī)站距離市區(qū)較遠(yuǎn)，所以只設(shè)置了一臺壓縮機(jī)，當(dāng)常規(guī)站壓縮機(jī)需要檢修或加氣高峰時(shí)，可以利用閑置的母站壓縮機(jī)組通過另外一臺機(jī)械式優(yōu)先順序盤對常規(guī)站進(jìn)行調(diào)峰，同時(shí)兼?zhèn)淞藗溆霉δ?圖7)。

圖7 鎮(zhèn)西CNG常規(guī)站調(diào)峰和備用功能示意圖

(3)鎮(zhèn)西站進(jìn)站天然氣的運(yùn)行壓力為2.8～3.6 MPa，加臭泵只需選擇滿足4 MPa即可，通過論證考慮到天然氣前置干燥脫水裝置對四氫噻吩的吸附問題，加臭點(diǎn)優(yōu)選設(shè)置在前置干燥脫水后，進(jìn)入壓縮機(jī)前。加臭裝置中的主要設(shè)備為二個(gè)隔膜式計(jì)量泵，能將泵與臭劑分開，以防臭劑泄漏。以往加臭罐采用玻璃液位計(jì)，這種玻璃液位計(jì)在東北地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)較高，一旦玻璃損壞就會(huì)導(dǎo)致大量的四氫噻吩泄漏，所以在鎮(zhèn)西站加臭上，對原有加臭裝置功能進(jìn)行了優(yōu)化(圖8)，在加臭柜底部增加積液池，避免泄漏的四氫噻吩液體四處蔓延，玻璃液位計(jì)改為磁浮式翻板液位計(jì)，避免了液位計(jì)破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 加臭裝置工藝優(yōu)化

(4)加氣機(jī)在北方地區(qū)需要考慮防凍問題，施工時(shí)預(yù)留電伴熱，特別是投產(chǎn)初期可以有效地緩解冰堵問題。

3 天然氣綜合站未來發(fā)展趨勢

(1)隨著我國天然氣能源體系的加快構(gòu)建，燃?xì)夤灸茉唇Y(jié)構(gòu)正由天然氣為主向多元化轉(zhuǎn)變，天然氣場站正由傳統(tǒng)模式向多功能和新能源增長轉(zhuǎn)變。雖然天然氣與可再生能源存在一定的競爭，但天然氣和可再生能源合作更是絕佳互補(bǔ)，相信隨著加氫站、天然氣混氫站、充電站的發(fā)展，勢必帶動(dòng)新形勢的綜合站建設(shè)。

(2)以往天然氣場站安全監(jiān)測和運(yùn)營手段都是以現(xiàn)場人工監(jiān)控的粗放式管理為主，隨著互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)發(fā)展和自動(dòng)智能的工業(yè)巡檢機(jī)器人的推廣，天然氣綜合站也將會(huì)向智能化全面發(fā)展，大數(shù)據(jù)+智能巡檢管理系統(tǒng)不但可以通過大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)站場數(shù)字化、智能化運(yùn)行和管理的提升，還可以提升運(yùn)營效率，降低運(yùn)營成本，特別是綜合站設(shè)計(jì)過程中要充分考慮相關(guān)熱能、冷能、壓差能的利用，保證其合規(guī)性和安全性，體現(xiàn)“功能齊全，實(shí)用方便”這一特點(diǎn)。

4 結(jié)語

城鎮(zhèn)燃?xì)獾木C合站發(fā)展必將由原來單一的天然氣場站功能向供給多元化、智能化發(fā)展。依托城市的發(fā)展，進(jìn)一步統(tǒng)籌規(guī)劃，做到區(qū)域功能清晰，多能互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)天然氣能源的綜合利用。