制氮系統(tǒng)在聯(lián)合循環(huán)電廠應(yīng)用及效益分析

吳詠康

（福建晉江天然氣發(fā)電有限公司 福建晉江 362251）

0 引言

晉江氣電公司#1～#4 機(jī)組為F 級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，每套機(jī)組由1 臺(tái)S109FA 型燃?xì)廨啓C(jī)、1 臺(tái)D10 型蒸汽輪機(jī)、1 臺(tái)390H 型發(fā)電機(jī)和1 臺(tái)NG-109FA-R 型余熱鍋爐組成。燃?xì)廨啓C(jī)所需燃料為天然氣，經(jīng)中海油LNG 站送到天然氣調(diào)壓站系統(tǒng)再分配至各機(jī)組。全廠天然氣系統(tǒng)龐大，涉及啟動(dòng)鍋爐燃料、各機(jī)組前置站及燃燒系統(tǒng)。天然氣有易燃易爆特性，投用天然氣設(shè)備時(shí)，應(yīng)用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃管內(nèi)空氣，使氧氣濃度小于4%，然后用天然氣吹掃氮?dú)?，使天然氣濃度大?5%。同時(shí)由于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟停靈活的特點(diǎn)，在電網(wǎng)用電低、表現(xiàn)季節(jié)性特征情況時(shí)，通常需要一部分機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間備用，這就需要考慮對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行保養(yǎng)，通常使用的也是氮?dú)?。因?yàn)槁?lián)合循環(huán)電廠系統(tǒng)繁雜，通常情況還存在氫氣系統(tǒng)，例如發(fā)電機(jī)及供氫管線及壓力容器，氮?dú)庖材茉跈z修工作中使用。

1 制氮系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)介紹

在未安裝制氮系統(tǒng)時(shí)，廠區(qū)涉及氫氣及天然氣系統(tǒng)，通常使用臨時(shí)氮?dú)馄拷M為用戶進(jìn)行充壓、吹掃、保養(yǎng)或者置換工作，工作繁重且效率低下。在增設(shè)制氮設(shè)備和氮?dú)庀到y(tǒng)后，氮?dú)庵边_(dá)各用戶，方便運(yùn)行人員的操作，提升了工作效率。

1.2 制氮原理介紹

目前工業(yè)制造生產(chǎn)氮?dú)夥椒ㄖ饕腥N：冷空分法、分子篩空分法、薄膜空分法。晉江氣電公司配備的制氮機(jī)使用的方法為分子篩空分法，基本原理就是利用氧氣和氮?dú)庠诜肿雍Y吸附劑微孔內(nèi)擴(kuò)散速度不同。當(dāng)空氣經(jīng)過(guò)分子篩時(shí)，直徑較小的氧氣以較快的速度向微孔內(nèi)擴(kuò)散，并優(yōu)先被分子篩所吸附，剩下直徑較大的氮分子供用戶使用，而后再采用解吸方法排放分子篩中的含氧量多的成分。因此分子篩空分法要連續(xù)生產(chǎn)需使用2 個(gè)吸附罐，切換使用。

生產(chǎn)流程如圖1 所示，空氣首先經(jīng)空壓機(jī)壓縮后壓力升為0.8 MPa，經(jīng)干燥機(jī)凈化系統(tǒng)后至全廠公用的儀用空氣儲(chǔ)氣罐，后進(jìn)入二個(gè)填裝吸附劑的變壓吸附分離系統(tǒng)。潔凈的壓縮空氣由吸附塔底端進(jìn)入，氣流經(jīng)空氣擴(kuò)散器擴(kuò)散以后，均勻進(jìn)入吸附塔，進(jìn)行氧、氮吸附分離，然后從出口端流出氮?dú)?，進(jìn)入氮?dú)饩彌_罐。這一產(chǎn)氮過(guò)程約1 min，之后經(jīng)均壓和減壓，排放出所吸附的氧氣等雜質(zhì)，完成吸附劑的再生。二個(gè)吸附塔交替循環(huán)操作，連續(xù)送入原料空氣，生產(chǎn)出純度≥99.9%的氮?dú)?，產(chǎn)量為500 Nm3/h，壓力為0.5 MPa～0.7 MPa 之間，可調(diào)整。因?yàn)閴嚎s空氣系統(tǒng)為儀用氣已存在，故制氮機(jī)可直接從儀用空氣系統(tǒng)接入經(jīng)處理后的空氣，節(jié)約了成本。

圖1 制氮系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程圖

2 氮?dú)庀到y(tǒng)布置及應(yīng)用分析

2.1 全廠氮?dú)庀到y(tǒng)的布置

氮?dú)庀到y(tǒng)作為易燃易爆壓力容器置換的中間氣體和余熱鍋爐的保養(yǎng)用氣，在聯(lián)合循環(huán)電廠廣泛應(yīng)用。全廠氮?dú)庀到y(tǒng)的布置主要分為4 個(gè)區(qū)域：4 臺(tái)機(jī)組余熱鍋爐和前置站天然氣系統(tǒng)、調(diào)壓站天然氣系統(tǒng)、氫站氫氣系統(tǒng)、啟動(dòng)鍋爐房天然氣系統(tǒng)，具體分布如圖2 所示。

圖2 氮?dú)庥脩粝到y(tǒng)圖

2.2 應(yīng)用分析

（1）機(jī)組余熱鍋爐充氮保養(yǎng)。為了最大限度減緩聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐水汽系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間機(jī)組停機(jī)備用期間的腐蝕，提高余熱鍋爐水汽系統(tǒng)的運(yùn)行安全穩(wěn)定性。通常在機(jī)組備用時(shí)間≥7 d 的情況下，采取余熱鍋爐放水，水汽系統(tǒng)采取充氮保養(yǎng)。充氮法保護(hù)范圍包括低壓省煤器入口門(mén)至進(jìn)入汽輪機(jī)之前的高、中、低壓主蒸汽門(mén)之間的全部水汽系統(tǒng)。機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)后，首先采用熱爐放水余熱烘干法，待整個(gè)水汽完成系統(tǒng)放水和余熱烘干后，當(dāng)汽包溫度降至≤80 ℃時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行充氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)內(nèi)的空氣。汽水系統(tǒng)氮?dú)庵脫Q充壓后，若系統(tǒng)嚴(yán)密性良好，則維持系統(tǒng)微正壓，控制汽包壓力在10 kPa～30 kPa范圍內(nèi)。若系統(tǒng)嚴(yán)密性達(dá)不到微正壓的要求，則每天向汽水系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)狻?/p>

（2）天然氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)的置換。聯(lián)合循環(huán)電廠燃料大多數(shù)為天然氣，發(fā)電機(jī)多為氫氣冷卻，因?yàn)樯a(chǎn)的需要，聯(lián)合循環(huán)電廠有著復(fù)雜的天然氣和氫氣系統(tǒng)。因?yàn)榈獨(dú)獠换顫娗覂r(jià)格低廉，為了確保天然氣、氫氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行，常被作為中間氣體置換空氣和危險(xiǎn)氣體。在正常使用前，多采用氮?dú)庵脫Q的方式對(duì)天然氣、氫氣管道進(jìn)行吹掃置換。通常在天然氣、氫氣系統(tǒng)投運(yùn)或者檢修后，使用氮?dú)膺M(jìn)行置換空氣或者危險(xiǎn)氣體。氮?dú)庾鳛橹虚g氣體在系統(tǒng)中可以使天然氣、氫氣和空氣不發(fā)生混合，不會(huì)發(fā)生爆炸事故。

3 制氮機(jī)的效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析

當(dāng)前電網(wǎng)對(duì)于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組受氣價(jià)和電價(jià)的影響，通常年運(yùn)行小時(shí)數(shù)偏低，電廠從自身經(jīng)濟(jì)利益考慮，會(huì)將個(gè)別機(jī)組作為長(zhǎng)時(shí)間或者短時(shí)間備用。充氮保養(yǎng)對(duì)余熱鍋爐汽水系統(tǒng)保護(hù)有著積極意義，然而余熱鍋爐氮?dú)獗ｐB(yǎng)對(duì)于氮?dú)庀氖蔷薮蟮?。同時(shí)在天然氣、氫氣系統(tǒng)檢修過(guò)程，需要使用大量氮?dú)膺M(jìn)行置換工作。采用三個(gè)作業(yè)方式對(duì)于采購(gòu)氮?dú)馄拷M與使用制氮機(jī)制氮成本進(jìn)行分析比對(duì)，見(jiàn)表1。

表1 用戶使用氮?dú)馄拷M與制氮機(jī)經(jīng)濟(jì)分析

余熱鍋爐充氮保養(yǎng)瓶組損耗85 瓶，每瓶氮?dú)馊莘e40 L，壓力在12 MPa～15 MPa，每瓶氮?dú)馄拷M釋放約6 m3氮?dú)猓?jīng)查詢每瓶70 元。余熱鍋爐放水后制氮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)約3 h～4 h 方可完成充氮保養(yǎng)，因空氣壓縮機(jī)廠用需求為1 臺(tái)，在制氮機(jī)啟動(dòng)后需要增開(kāi)1 臺(tái)空壓機(jī)，每小時(shí)多損耗110 kW，設(shè)取平均，電費(fèi)0.5元/kWh。

故使用氮?dú)馄拷M余熱鍋爐放水后充氮所消耗的金額為：70 元/瓶×85 瓶=5950 元

使用制氮機(jī)余熱鍋爐放水后充氮所消耗的金額為：110 kW×4 h×0.5 元/kWh=220 元

使用氮?dú)馄拷M前置站充氮所消耗的金額為：70 元/瓶×20瓶=1400 元

使用制氮機(jī)前置站充氮置換所消耗的金額為：150 kWh×0.5 元/kWh=75 元

從余熱鍋爐充氮保養(yǎng)可以看出，相對(duì)于氮?dú)馄拷M，制氮機(jī)所花費(fèi)的金額為氮?dú)馄拷M的1/19，其余系統(tǒng)置換工作也類似。因?yàn)橄到y(tǒng)泄漏，處理缺陷時(shí)通常需要置換工作。天然氣系統(tǒng)的置換工作較為頻繁，查詢2019 年晉江氣電MIS 涉及氮?dú)庵脫Q天然氣和空氣的操作票共有37 份、涉及余熱鍋爐保養(yǎng)的操作票共有84 份（高、中、低汽包分開(kāi)保養(yǎng)）。從以上資料得出使用制氮機(jī)在聯(lián)合循環(huán)電廠日常的檢修、維護(hù)工作中節(jié)約的金額約25 萬(wàn)元～30 萬(wàn)元氮?dú)馄拷M花費(fèi)。但制氮機(jī)前期投入大，設(shè)備采購(gòu)及安裝70 萬(wàn)元，3 年內(nèi)可回收成本。

3.2 節(jié)約人力資源分析

安裝制氮機(jī)前，晉江氣電公司在涉及氮?dú)獠少?gòu)、充氮操作、氮?dú)馄拷M回收及存儲(chǔ)消耗大量的人力資源。在機(jī)組停運(yùn)保養(yǎng)前或者檢修置換工作時(shí)，需要通知負(fù)責(zé)的專業(yè)人員提出外委購(gòu)買(mǎi)氮?dú)?，?jīng)計(jì)劃經(jīng)營(yíng)部批準(zhǔn)后，協(xié)調(diào)氮?dú)廛嚨綇S時(shí)間，同時(shí)安排倉(cāng)儲(chǔ)位置，安監(jiān)部還需監(jiān)控人員及車輛廠區(qū)內(nèi)的安全，整體工作效率較慢。在遇到節(jié)假日期間可能存在氮?dú)夤?yīng)不及時(shí)，影響檢修和維護(hù)工作。運(yùn)行人員隨時(shí)可掌控制氮機(jī)，便于產(chǎn)出氮?dú)夂笾苯咏尤胂到y(tǒng)，無(wú)需要切換氣瓶，大大提高了工作效率。

4 總結(jié)

制氮機(jī)在聯(lián)合循環(huán)電廠使用范圍廣且設(shè)備使用率高，運(yùn)行可靠，運(yùn)行成本低，是一種高效的現(xiàn)場(chǎng)制氮裝置。在增設(shè)制氮設(shè)備和氮?dú)庀到y(tǒng)后，氮?dú)庵边_(dá)各用戶，方便操作，避免頻繁采購(gòu)氮?dú)馄拷M，提升工作效率。