天然氣余壓發(fā)電裝置在引進分廠的應用

陳文科 沈榮華 張偉 程曉明 羅圣潔 甘勇 田勇 陳廷庫

（西南油氣田分公司天然氣凈化總廠）

氣體介質余壓發(fā)電是利用氣體在降壓降溫過程中的余壓能量及熱能驅動透平膨脹機做功，將其轉化為機械能，帶動發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)能量的轉換[1-3]。目前，國內高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置已在鋼鐵企業(yè)普遍應用，工藝技術成熟、設備可靠，節(jié)能及經(jīng)濟效益明顯[4-6]。而天然氣在生產(chǎn)、輸配過程中的余壓資源十分豐富。2016年，全國天然氣年消費量達到2 058×108m3，為同時滿足管輸及用戶需要，天然氣生產(chǎn)及輸配過程需要調壓，目前的降壓調節(jié)大多采用閥門節(jié)流。天然氣在節(jié)流調壓過程中，其動能、勢能等未得到合理利用。由于天然氣節(jié)流調壓點多、面廣，生產(chǎn)及輸配過程中的余壓資源回收利用的空間非常大[7-11]。對天然氣輸配管網(wǎng)中天然氣壓力能進行回收利用，其經(jīng)濟和節(jié)能價值非常巨大。

1 概述

1.1 引進分廠余壓發(fā)電裝置

引進分廠天然氣凈化裝置主要脫除原料天然氣中的硫化氫和水份，生產(chǎn)合格的商品天然氣，其產(chǎn)品天然氣壓力與下游管網(wǎng)存在1 MPa左右差壓。天然氣余壓發(fā)電裝置利用產(chǎn)品天然氣壓力和下游管網(wǎng)之間的壓差進行發(fā)電，使用的工藝為向心透平膨脹機發(fā)電工藝。即天然氣在透平膨脹機中進行等熵焓降，所產(chǎn)生的壓力能帶動葉輪高速旋轉，通過連軸器帶動齒輪箱轉動，經(jīng)齒輪箱變速后帶動發(fā)電機進行發(fā)電，所發(fā)電用于引進分廠生產(chǎn)用電。該裝置主要由透平膨脹發(fā)電機、潤滑油系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)、配電房等組成，設計用于發(fā)電的天然氣處理量230×104m3/d，透平膨脹發(fā)電機額定功率為710 kW。

1.2 引進分廠余壓發(fā)電裝置工藝流程

正常生產(chǎn)時，從引進分廠400 萬裝置或200 萬裝置脫水單元來的產(chǎn)品天然氣，通過并聯(lián)管路進入余壓發(fā)電裝置。在余壓發(fā)電裝置中高壓的天然氣通過膨脹機降壓膨脹，輸出的機械能通過同軸變速箱帶動發(fā)電機將機械能轉換成電能。發(fā)電功率通過噴嘴調節(jié)閥進行調節(jié)。降壓膨脹后的天然氣進入400萬裝置的下游外輸管網(wǎng)。

余壓發(fā)電裝置設計用于發(fā)電的天然氣處理量為230×104m3/d， 若脫水裝置來氣量多于230×104m3/d，則超過膨脹機處理能力的那部分天然氣經(jīng)產(chǎn)品氣調節(jié)閥或者支路調節(jié)閥調壓后與膨脹后天然氣匯合進入外輸管道，引進分廠余壓發(fā)電裝置流程見圖1。

圖1 引進分廠余壓發(fā)電裝置流程

余壓發(fā)電裝置還設置有潤滑油系統(tǒng)和干氣密封系統(tǒng)。干氣密封系統(tǒng)采用兩級密封氣系統(tǒng)對膨脹發(fā)電機組進行密封，一級密封采用產(chǎn)品氣作為密封氣，二級密封采用氮氣作為密封氣。

此外，當緊急聯(lián)鎖停車觸發(fā)后，緊急關閉入口聯(lián)鎖閥，同時快速打開旁路聯(lián)鎖閥，使天然氣從旁路通過。旁路調節(jié)閥根據(jù)膨脹機處理的天然氣流量、上下游差壓等參數(shù)始終保持一定開度，以確保機組緊急停車對脫硫脫水系統(tǒng)的流量和壓力不會造成波動。

2 系統(tǒng)啟動和升速

余壓發(fā)電系統(tǒng)在正常運行時，發(fā)生故障的概率比較小。而在系統(tǒng)啟動時，由于受噴嘴的開度及上下游壓差的影響，波動較大，進氣流量變化也較大，導致透平的轉速控制困難。由于瞬間的大流量沖擊，很容易導致透平轉子超速和振動超高，引起緊急停車。因此，余壓發(fā)電系統(tǒng)的啟動和升速過程必須關注。

余壓發(fā)電啟動需滿足各方面條件，要求比較嚴格：密封氣壓力與齒輪箱潤滑油壓力均需大于0.2 MPa。

余壓發(fā)電機組在啟運時應首先打開旁路調節(jié)閥和旁路聯(lián)鎖閥，目的是降低在啟運過程中遇緊急停車后對生產(chǎn)裝置的影響。緩慢開大膨脹機入口噴嘴，當發(fā)電機轉子轉動后，迅速將入口噴嘴開度關至10%左右，防止裝置因轉速超高聯(lián)鎖停車。根據(jù)膨脹機進出口壓差的不同，這個轉速是變化的，本裝置在經(jīng)過多次試驗后得出：在發(fā)電機轉子轉動后，噴嘴的開度應將轉速控制12 000 r/min 左右。當轉速穩(wěn)定后，檢查各項子系統(tǒng)，確保正常后，緩慢開大噴嘴繼續(xù)提高轉速。本裝置在多次試車中發(fā)現(xiàn)其轉速在13 500—15 000 r/min時會引發(fā)裝置的共振，導致裝置振動超高聯(lián)鎖停車。因此，為了避開共振區(qū)間，需一次性開大入口噴嘴，使發(fā)電機轉速控制在16 000 r/min 左右。檢查各子系統(tǒng)穩(wěn)定后，再將轉速升至額定轉速18 000 r/min左右。

3 自動控制的關鍵對象

3.1 透平機噴嘴

噴嘴是透平機的關鍵部件，透平機的升速控制，機組的升功率控制，進氣量控制，都是通過透平噴嘴的開度控制來實現(xiàn)的，噴嘴的開度決定了流入透平機的產(chǎn)品氣流量的大小，因此噴嘴也是整個發(fā)電機機組的關鍵部件。噴嘴本身為比例閥控制的氣動作部件，其開度要求精度較高。

3.2 旁路閥組的控制

旁路閥組是工藝控制關鍵設備之一。主要包括調節(jié)閥、聯(lián)鎖閥和電磁閥。通過對電磁閥的控制可實現(xiàn)閥門的的快速開關。系統(tǒng)停車時，為了工藝控制平穩(wěn)過渡，旁路快開閥的控制尤為重要。旁路調節(jié)閥通常被賦予一定開度，在停機時，伴隨著聯(lián)鎖閥的快速動作，截斷后的產(chǎn)品氣則通過旁路快速流至下游以降低對生產(chǎn)裝置的影響。如果此時開度設定不合適，流過的產(chǎn)品氣流量就會過大或過小，造成生產(chǎn)裝置波動范圍超過工藝要求，影響裝置的正常生產(chǎn)，甚至導致脫硫塔沖塔的危險。理論上，可以通過旁通閥開度與產(chǎn)品氣流量的特性曲線，得出旁通閥的開度的設定值，然而在實際生產(chǎn)中，受測量介質和上下游壓差的影響，旁路流量的測量存在著較大偏差，因此，實際上這樣的特性曲線并不能有效指導生產(chǎn)。通過摸索，我們采用生產(chǎn)裝置PID加旁路閥來控制停車瞬間的產(chǎn)品氣流量。停機時，根據(jù)生產(chǎn)裝置的設定值和旁通閥組，先保證產(chǎn)品氣能正常外輸，不致生產(chǎn)系統(tǒng)斷流。

3.3 發(fā)電功率的控制

當發(fā)電機升至額定轉速和額定電壓后，在滿足頻率相同、電壓相等、相序一致、相位相同時，操作同期點斷路器合閘，使發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電[12]。此時，發(fā)電機的轉速被鎖死保持恒定，發(fā)電機的發(fā)電功率由進氣量的大小來決定，發(fā)電機功率控制邏輯見圖2。

圖2 發(fā)電機功率控制邏輯

4 發(fā)電效益

4.1 理論發(fā)電效益

1）單位質量天然氣絕熱焓降的計算：

式中：ΔHi為天然氣高壓端與低壓端的絕熱焓降，kJ/kg；Cp為天然氣質量等壓比熱，kJ/(kg·K)；T1為天然氣入口溫度，K；P1為天然氣入口壓力，MPa；P2為天然氣出口壓力，MPa；K為天然氣絕熱指數(shù)。

2）透平膨脹發(fā)電計算：內能轉化為機械能，再轉化為電能的計算工過程如下：

式中：W為每小時透平發(fā)電機發(fā)電量，kWh；G為天然氣質量流量，kg/s；ΔHi為單位體積天然氣絕熱焓降，kJ/m3；ηt為透平機效率；ηg為發(fā)電機效率。

膨脹透平發(fā)電機參數(shù)見表1。將上述參數(shù)帶入式（1）、式（2），其中膨脹透平機效率取0.6，發(fā)電動機效率取0.94，取天然氣質量等壓比熱Cp為2.2 kJ/(kg·K)，天然氣絕熱指數(shù)K為1.3，可算出設計理論發(fā)電量。

表1 膨脹透平發(fā)電機參數(shù)

根據(jù)（1）式得：

根據(jù)（2）式得：

即每小時可以發(fā)電523kWh，每年約418×104kWh，按每度電0.6元計算，每年可節(jié)約資金251萬元。

4.2 實際發(fā)電效益

余壓發(fā)電裝置建成后，于2020 年10 月22—26日進行了試運，期間共運行82 h，共發(fā)電12 340 kWh，平均每小時發(fā)電量150 kWh。余壓發(fā)電裝置經(jīng)過停車檢修、調試后，于2021年9月9日再次啟運，截止2021 年10 月7 日，共運行684 h，共發(fā)電220 170 kWh，平均每小時發(fā)電量322 kWh。從數(shù)據(jù)來看，余壓發(fā)電裝置實際運行發(fā)電量低于設計值，其主要有以下兩點原因：一是為配合上游氣礦發(fā)揮氣田產(chǎn)量，引進分廠天然氣凈化裝置于2020年開始實施降壓操作，發(fā)電裝置進口壓力低于設計值4.61 MPa；二是由于該裝置處于調試期間，未達到滿負荷狀態(tài)。

按照調試期間平均每小時發(fā)電量322 kWh 計算，預計每年可發(fā)電約258×104kWh，按每度電0.6元計算，每年可節(jié)約資金155萬元。

5 結語

1）引進分廠余壓發(fā)電裝置是利用產(chǎn)品天然氣壓力和下游管網(wǎng)之間的壓差進行發(fā)電，使用的工藝為向心透平膨脹機發(fā)電工藝。

2）因為配合上游氣礦發(fā)揮氣田產(chǎn)量且裝置處于調試期間，余壓發(fā)電裝置實際運行時發(fā)電量暫時低于設計值。

3）引進分廠余壓發(fā)電裝置將天然氣中的壓力能轉化為電能，所發(fā)電供內部工廠使用，達到了良好節(jié)能減排目的，實現(xiàn)了天然氣能源的綜合利用，經(jīng)濟效益明顯。