淺談天然氣發電廠燃氣調壓站設計

黎以健

摘 要：本文闡述了燃機電廠天然氣調壓站的系統設計原理、組成、參數選擇，說明了系統主放散回路及調壓站至燃機入口管道的設計要點，給出了密封及保壓試驗、管道吹掃及系統調試定值方法，對燃機電廠的天然氣調壓站設計及應用有良好的借鑒作用。

關鍵詞：天然氣發電廠；燃氣調壓站；設計/Abstract： This paper describes the

1.天然氣調壓站技術原理

天燃氣發電廠調壓站的功能是提供持續、穩定的符合輪機流量、壓力、溫度等要求的天然氣；如有火災等情況發生，調壓站能夠迅速切斷；在燃氣輪機甩負荷和跳機時，調壓站必須能夠及時響應。同時，調壓站有足夠的放散及緩沖措施，以削弱由于燃機用氣流量驟變而對調壓站造成沖擊；調壓支路之間進行切換時，應避免有大的壓力波動。

入口單元主要由絕緣接頭、火警切斷閥門、溫度傳感器、壓力傳感器等組成。絕緣接頭主要是避免埋地輸氣管道的電化學腐蝕對調壓站的影響，火警緊急切斷閥為氣動操作，可以瞬間切斷供氣，目的為實現火災時緊急切斷，該閥門動作時間一般小于1秒。

過濾分離單元，筆者推薦采用多管微旋流過濾分離器對天然氣進行凈化處理。該設備分兩級：第一級由許多小管徑的微旋子組成，用于去除較大的顆粒，微旋子的數量根據實際的氣流量和允許的壓力降決定。第一級安裝在設備的下部，首先通過雙進口回轉通道進入微旋子組件，顆粒由于離心力的作用克服氣流的阻力向壁面運動，達到壁面附近后，由于邊界層內較小的湍流，顆粒會沿著壁面進入排污管排除；能99.5%分離掉大于10?的固體或液體微粒。第二級由多根濾芯組成過濾系統。濾芯采用透氣均勻、過濾精度高、運行阻力低的聚酯纖維構成。經過初步分離的較清潔的燃氣在自身壓力的作用下進入上部的濾芯組件，剩余的微小顆粒及液滴通過濾芯得到精過濾。該設備過濾系統可以100%地過濾掉3μ以上的微粒、99.5%地過濾掉0.5-3μ的微粒。

燃氣計量系統一般由超聲波流量計、流量計算機、在線式氣相色譜分析儀等構成。利用超聲波在管道內傳輸的時差來實現對氣體的計量；采用流量計算機完成標準體積流量（101.325kPa，20℃）、質量流量等瞬時流量的計算和累積流量計算。氣相色譜分析儀典型應用可以分析到C6+ （一個周期180-240秒），主要提供熱值，相對密度，和氣體組分數據給流量計算機，從而得到天然氣的能量。系統配置時需注意流量計安裝空間要求大，直管段可達前10DN，后5DN；色譜裝置取樣部分一般安裝在現場，控制器（控制及數據處理）可以放在現場（防爆結構）或室內。

燃氣加熱單元可采用水浴爐、電加熱器或雙層管式換熱器等設備，這類設備都有成熟產品供直接選用，這里不再贅述。

燃氣調壓單元，對應每臺燃氣輪機，筆者建議設置兩套單機容量100%的壓力調節系統，由主、副兩條壓力調整支路構成。

主調壓路由工作調壓器、監控調壓器、緊急切斷閥、微流量放散閥構成。當工作調壓路失效或因維護保養而關閉時，可自動切換到備用調壓路繼續工作。主調壓路工作調壓器后和監控調壓器后設置有就地壓力指示。副調壓路的工作調壓器后設置有就地壓力指示。備用調壓路由工作調壓器和緊急切斷閥、微流量放散閥組成。每條調壓支路設置就地壓力指示、手動放散閥、手動排污閥，前后設置隔斷閥。隔斷閥設置有開啟緩注閥。

壓力調整段還設置有用于流量壓力調整的LC-21系統，能實現遠程的壓力設定值的調整并提高自力式調壓器的調壓精度范圍。能夠通過設置在燃氣輪機前的壓力變送器，動態調整調壓站出口處的壓力。

以配套9FA燃機為例，安全切斷閥、監控器、調壓器壓力設定點如表一所示：

表一 設定壓力表

當燃氣壓力較低不能滿足燃機入口壓力要求時，調壓站需對天然氣進行增壓。增壓機一般采用離心壓縮機。增壓機的壓力調節一般通過入口調節閥、旁路調節閥及增壓機入口的導葉調整來保證出口壓力，也可以通過改變主電機的運轉頻率來實現。壓縮機采用高壓防爆型電動機驅動。壓縮機、增速機及電動機布置在同一剛性鎧裝底座上，潤滑油站等輔機布置在與壓縮機組具有相對位差的位置上，潤滑油事故停車高位油箱布置在機組回轉軸線上方6米處。由于被壓縮的氣體為有毒、易燃、易爆流體，在正常運行期間，壓縮機軸密封應保證該氣體不泄漏至大氣中；應將其從壓縮機可靠安全地排出。同時保證壓縮后的氣體不受油污染，壓縮機軸端采用干氣密封系統。為控制出口天然氣溫度，壓縮機組還需配置防喘振回流氣體冷卻器。

出口單元設置一臺緊急切斷閥用于緊急狀況下切斷單臺燃氣輪機的供氣，設置主要放散閥用于維護時迅速放散下游設備和管線中的燃氣。出口段設置有壓力變送器、溫度變送器，用于將調壓站的出口壓力溫度信號傳送到DCS中。

調壓站還配套氮氣置換系統、天然氣漏氣檢測系統及火災報警系統等輔助系統確保調壓站安全可靠運行。

2.調壓站至燃機的出口管道設計

調壓站出口至燃氣輪機前的管道需要有一定的緩沖容積，其口徑取值大小及管道長度可按如下公式計算。

以配套9FA燃機為例， 出口管道設計計算如下：

需預留的直管長度（按調壓后DN250管道計算）：6/（3.14*0.1252）≈122m，即調壓站到燃機的管道為DN250，長度推薦為122米以上。

3.調壓路的集氣管設計

為保證調壓路切換時的燃氣供應充足，需要在調壓路前設置足夠容量的集氣管，集氣管的流通截面積需大于上游進氣管流通截面積與下游通往調壓路的出口管流通截面積的和。以2臺9FA燃機系統，上游管道按照DN300，下游管道按照DN250考慮，集氣管設計舉例如下：

上游截面積3.14x（300x300）/4=70650mm2

下游截面積（3.14x（250x250）/4）x4=196250mm2 （兩臺燃氣輪機同時切換共有4條調壓支路）

總截面積之和70650+196250=266900 mm2

則需要的集氣管流通面積不能低于266900 mm2則計算出的管道直徑不能小于583.06mm，因此集氣管直徑取DN600mm。

4.主放散閥選型計算

主放散閥及其管道口徑，有的按照主管路截面積的三分之一來設計，其實這種方式比較籠統。筆者建議主放散閥的通流能力應大于調壓站流量的20%.我們在江蘇某一燃機電廠調壓站計算如下：

調壓站流量的20%：2278m3/hx20% = 455.6m3/h @ 3.6MPa.

選口徑：DN100 mm，氣體流速：455.6m3/h / 0.785x0.12 = 16 m/h，故主放散閥口徑選用為DN100mm符合要求。

5.結束語

上述天然氣調壓站原理及部分設計計算內容都是筆者從所在單位成功實施的天然氣調壓站項目的工程實踐總結。該類項目為我國第一批燃機電廠，已連續運行6年以上，本文所提及的一些計算只是多種經驗公式之一，對新建燃機電廠項目的設計和運行有一定借鑒作用。

參考文獻

[1] J.BryanButler，楊曉方.簡便、優質的天然氣計量調壓站設計[J]. 國外油田工程. 1998（11）

[2] 姜衛.淺談油田民用氣計量管理[J]. 科技信息. 2009（14）