大工業(yè)用戶天然氣用氣特點及配套工程設計

王澤宗 王振雨 宋朋飛 李 顥

(1.長春燃氣熱力設計研究院有限責任公司，吉林 長春 130021； 2.遼源市公用事業(yè)服務中心，吉林 遼源 136200)

1 概述

隨著國內(nèi)天然氣基礎設施建設的不斷完善，配合國家能源戰(zhàn)略對天然氣資源的布局，除氣田自產(chǎn)氣外，新時期下我國天然氣資源將以進口中亞、南亞、俄羅斯管道氣和海運LNG為主，在“十四五”期間改變我國長期天然氣資源供需矛盾突出的情況。隨著上游氣源的落實，下游市場開拓會迎來新一輪增長期。

天然氣作為燃料及生產(chǎn)原料主要用于鋼鐵、化工、有色金屬冶煉、陶瓷、食品加工、裝備制造等行業(yè)。以吉林省天然氣消費結構為例，2019年工業(yè)用氣占比37.2%，高于居民用氣的18%。在天然氣資源供給充分可靠的情況下，工業(yè)企業(yè)“氣代煤”“氣代油”工程會越來越多，下面將簡述大工業(yè)用戶的用氣特點和燃氣配套工程設計注意事項。

2 大工業(yè)用戶的用氣特點

1)企業(yè)生產(chǎn)不可間斷或生產(chǎn)間歇時間短。除非發(fā)生不可抗力情況，大工業(yè)用戶生產(chǎn)需嚴格遵照生產(chǎn)計劃執(zhí)行，用氣設備負荷大，起爐相對困難且不可中斷。這要求燃氣企業(yè)供氣同樣不可中斷，不能因燃氣供應不穩(wěn)定影響用戶生產(chǎn)，對用戶造成經(jīng)濟損失。

2)大工業(yè)用戶生產(chǎn)用氣量較穩(wěn)定。大工業(yè)用戶根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)計劃，一般月不均勻性波動較小，日不均勻性基本不存在波動。企業(yè)生產(chǎn)班次采用一班制、二班制、三班制不同，小時不均勻性存在波動的特點。除非出現(xiàn)停產(chǎn)限產(chǎn)的情況外，大工業(yè)用戶其日用氣量和小時用氣量基本保持穩(wěn)定。

3)大工業(yè)用戶燃燒器要求供氣壓力穩(wěn)定。大工業(yè)用戶用氣設備配套的燃燒器對天然氣壓力要求較敏感，一般會給定供氣壓力區(qū)間，例如30 kPa～ 50 kPa，用氣設備燃燒器前燃氣壓力不可高于壓力區(qū)間上限，也不應小于壓力區(qū)間下限。燃燒器生產(chǎn)廠家會根據(jù)工藝要求在燃燒器前設置天然氣穩(wěn)壓或減壓裝置。

4)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求或?qū)μ烊粴鉄嶂涤刑厥庖蟆４蠊I(yè)用戶根據(jù)其生產(chǎn)工藝，有些用氣設備對天然氣熱值要求較嚴格。以某陶瓷廠為例，其用氣設備要求天然氣低熱值穩(wěn)定在32 MJ/Nm3，高于或低于這個值都會造成煅燒時間增加或減少，對產(chǎn)品的穩(wěn)定出品有嚴重影響。

5)燃氣公司與用氣企業(yè)天然氣貿(mào)易計量結算。以某鋁廠為例，其在每個用氣車間都設置燃氣計量表，作為考核每個車間單位產(chǎn)量成本的依據(jù)，出現(xiàn)結算時企業(yè)所有計量表計數(shù)之和與高中壓調(diào)壓計量撬中計量表計數(shù)有約0.75%的誤差，考慮到該企業(yè)約2 000萬m3的年用氣量，用氣企業(yè)有可能對此誤差提出異議。

6)廠區(qū)內(nèi)、廠房內(nèi)生產(chǎn)設備及附屬設施管道設置較復雜。大工業(yè)用戶多為“煤改氣”“油改氣”項目，廠區(qū)內(nèi)、廠房內(nèi)原有生產(chǎn)設備及附屬設施、管道設置復雜。有些企業(yè)完工較早，基礎資料提供不全，在進行設計、施工時只能根據(jù)現(xiàn)場情況進行布置。

3 燃氣配套工程設計注意事項

3.1 合理配置氣源、科學選擇工藝流程及工藝設備

在管道氣可到達的區(qū)域，應優(yōu)先采用管輸氣資源，利用用氣企業(yè)附近已建天然氣管網(wǎng)。如企業(yè)供氣不可中斷，則應根據(jù)企業(yè)周邊LNG接收站或LNG液化工廠的位置，結合輸氣管道事故狀態(tài)下的中斷時間，建設LNG氣化站，為企業(yè)用氣提供雙重氣源保障。

在管道氣無法到達的區(qū)域。根據(jù)GB/T 51098—2015城市燃氣規(guī)劃規(guī)范相關條文要求，應建設儲存規(guī)模達企業(yè)日用氣量3 d～10 d的LNG氣化站作為企業(yè)主氣源，保證應急狀態(tài)下的天然氣供應安全。

如企業(yè)周邊CNG資源供應充足且CNG減壓站可滿足企業(yè)用氣需要，可采用CNG作為企業(yè)主氣源，利用CNG較LNG的價格差，可顯著降低企業(yè)用氣成本，提高企業(yè)用氣經(jīng)濟性。同時可采用小型LNG儲罐氣化一體撬或儲罐氣化集成應急供氣車等方式，保障企業(yè)應急用氣需求。

在氣源場站設備選型和工藝流程確定上一定要考慮到大工業(yè)用戶供氣不可中斷的特點，具體可總結為過濾、調(diào)壓、計量應設置備用路，互不影響；工藝設備用電應保證二級負荷并與企業(yè)應急供電設施相連；為防止閥門內(nèi)漏造成停氣事故，用氣設備前預留閥門設置雙閥串聯(lián)使用等。

3.2 合理確定供氣壓力

根據(jù)燃燒器的用氣參數(shù)，預選供氣壓力和管網(wǎng)管徑，根據(jù)廠區(qū)內(nèi)燃氣管網(wǎng)的布置情況，對最不利支路和最有利環(huán)路進行水力計算，避免最不利環(huán)路壓力過低或在其他設備停用的情況下最有利環(huán)路末端壓力超壓。天然氣經(jīng)濟流速根據(jù)經(jīng)驗低壓燃氣管網(wǎng)不宜大于8 m/s，中壓燃氣管網(wǎng)不宜大于20 m/s。

以水力計算結果為依據(jù)確定供氣壓力，優(yōu)化燃氣管網(wǎng)管徑，提高燃氣管網(wǎng)建設的經(jīng)濟性，同時保障燃燒器在額定工況下工作。

3.3 采用天然氣摻混其他氣體穩(wěn)定熱值

深圳大鵬灣進口LNG高熱值可達49.47 MJ/Nm3，國家標準GB 17820—2018天然氣對二類天然氣高熱值要求不小于31.4 MJ/Nm3，可見不同氣源因氣體組分不同熱值差別較大。

如企業(yè)生產(chǎn)工藝對天然氣熱值有特殊要求，可在管道設置在線氣體色譜儀實時監(jiān)測計算天然氣熱值，并設置與氣體色譜儀連鎖的混氣裝置。如需要降低熱值，則可采用天然氣摻混空氣(工藝流程參照圖1)；需要增加熱值則采用天然氣摻混氣態(tài)液化石油氣或液化天然氣，根據(jù)燃燒器需用熱值要求和來氣熱值，通過氣體色譜儀在線監(jiān)測，輔助計算機計算調(diào)整混氣流量。

以某玻璃廠為例，其天然氣氣源由大連LNG接收站海外液化天然氣和中俄東線俄氣組成，兩種氣源的不定期切換造成天然氣供應熱值極不穩(wěn)定，自2019年12月～2020年 3月上游氣源熱值波動記錄詳見表1。

表1 上游氣源熱值波動記錄表

受天然氣熱值波動影響，該玻璃廠減產(chǎn)達10%，產(chǎn)品性能下降，缺陷大幅增多，嚴重影響產(chǎn)品交付，對企業(yè)造成重大經(jīng)濟損失。在工程設計中，將上游管道天然氣熱值儀的反饋數(shù)據(jù)，連鎖增設的液化天然氣/空氣調(diào)壓混氣撬，根據(jù)上游來氣熱值相應摻混液化天然氣和空氣，確保低位熱值穩(wěn)定在不低于34.32 MJ/Nm3,為生產(chǎn)提供穩(wěn)定熱值的天然氣氣源。

3.4 根據(jù)企業(yè)用氣工況確定計量方式和計量表選型

如企業(yè)天然氣用氣是工況穩(wěn)定，波動較小的情況，可在調(diào)壓計量撬內(nèi)采用一塊總表計量，分成主路和備用路雙路設置。

如企業(yè)用氣工況不穩(wěn)，波動較大，可根據(jù)用氣設備的用氣工況分組分表進行計量，盡量保證在任意用氣工況下各支路燃氣流量在計量表的額定流量范圍內(nèi)，降低計量誤差。

如企業(yè)無法與燃氣公司針對燃氣計量表示數(shù)結算達成一致，可在設備或管道計量管段前后設置兩塊相同的計量表，并保證計量表安裝的前后直管段要求，根據(jù)同樣壓力、流量的兩塊相同計量表的讀數(shù)進行貿(mào)易結算。

3.5 施工圖設計時應根據(jù)廠區(qū)內(nèi)、廠房內(nèi)現(xiàn)狀進行優(yōu)化

首先，應確認廠房事故通風設施設置情況，通過加設緊急切斷閥、可燃氣體探測報警系統(tǒng)與防爆軸流風機聯(lián)動，保障廠房內(nèi)用氣安全。其次，燃氣管道及附屬管支架安裝盡量依靠原有設施及建筑墻體，燃氣管道沿企業(yè)外墻敷設應確認廠房的耐火等級及火災危險性分類。最后，燃氣管道布置應考慮到廠房內(nèi)原有設施現(xiàn)狀及工作情況，不要影響到諸如高空天車的吊裝，叉車的搬卸等工作，同時避免受廢料處置，煙道清掏等作業(yè)影響。要充分考慮一切可能影響燃氣管道的因素，審慎選擇燃氣管道的管位。

4 結論和建議

大工業(yè)用戶是燃氣公司的優(yōu)質(zhì)客戶，其穩(wěn)定的用氣量和所提供的利潤事實上彌補了燃氣公司在居民供氣上所帶來的虧損。一般用氣量3萬Nm3/d的大工業(yè)用戶，其年用氣量已大于一般縣級行政區(qū)域的居民、商業(yè)用戶年用氣量。因此，設計單位在進行施工圖設計時，要充分考量大工業(yè)用戶的特點，有針對性的進行設計優(yōu)化，降低大工業(yè)用戶燃氣設施的投資成本，保障其用氣的穩(wěn)定性。

在EPC或PC項目中，設計單位應對施工單位的施工全過程進行實時跟蹤，且施工過程中不應影響大工業(yè)用戶正常生產(chǎn)或?qū)⑸a(chǎn)影響降到最低，同時施工單位要嚴格落實各項安全生產(chǎn)規(guī)章制度，杜絕“三違”現(xiàn)象，做好對相關人員的教育培訓、相關設備設施的維護保養(yǎng)及檢查等工作，切實保障施工安全，避免安全事故的發(fā)生。

建議天然氣大工業(yè)用戶可利用調(diào)壓站天然氣減壓過程的壓力能進行發(fā)電和加熱天然氣。通過設置膨脹機發(fā)電機組，將加熱天然氣的熱泵機組使用剩余的發(fā)電功率作為場站自用電或提供給企業(yè)使用，一定程度上降低用電成本。