天然氣輸氣管線壓力余能應用及實施效果

王振宇

申能股份有限公司

1 實施目的

在天然氣長線輸送過程中，由于管線距離長，天然氣沿程阻力大，因此需要將天然氣升壓到一定壓力以保證天然氣的正常輸送，其上游壓力基本恒定。由于季節、晝夜、用戶地區的分布等各種原因，天然氣管線下游的流量和壓力一直處于波動中，因此需要在天然氣管線下游設置天然氣調壓系統以滿足下游用戶的需求。天然氣減壓的常規方案是通過調壓站中的調節閥降低天然氣的壓力，但由于LNG末站的天然氣流量大、壓力高，通過天然氣調壓閥節流損失嚴重，將造成能量的巨大浪費[1]。本天然氣差壓余能利用項目，通過設置一套與LNG末站并聯的差壓發電裝置，利用天然氣作為工質，使其通過膨脹透平降壓，在透平出口壓力滿足用戶的同時，產生電力，回收能量。

2 系統簡介

LNG（液化天然氣）末站設計壓力為9.0MPa，目前實際進站壓力為5.8～7.2MPa(g)，天然氣經調壓撬減壓到4.0～5.5MPa(g)后送至城市管網，最大供氣流量為1 000 000m3/h，提供上海市城市管網約50%的供氣量。LNG末站的調壓撬包括4個單元：過濾單元、計量單元、加熱單元和調壓單元。

電廠一期工程已建成4臺400 MW級燃氣-蒸汽聯合循環機組，總裝機容量為1 646MW，是目前國內一次核準建成的最大規模的燃氣輪機電廠，也是上海進口LNG的配套發電項目。

系統從LNG末站天然氣調壓撬調壓單元的進口前接出，通過天然氣透平膨脹發電機出口接至LNG末站天然氣出口的下游，接入點在臨港首站（城市管網）之前。透平膨脹機及系統的設計流量為200 000～800 000Nm3/h，可以滿足LNG末站每年90%以上的運行工況需求。膨脹機自身帶100%調壓旁路，主要用于滿足膨脹機自身啟動及故障切換的需要，以保證LNG末站供氣安全及供氣量的可靠性。為滿足管網入口天然氣溫度大于2℃的要求，膨脹機做功降溫后的天然氣通過海水進行加熱。項目同時配置前置加熱器，這不僅利用了電廠內的余熱，還進一步提高了膨脹機的做功能力。天然氣差壓余能綜合利用流程見圖1[1]。

圖1 天然氣差壓余能綜合利用流程示意圖

本項目布置在廠區西北角區域內，為確保區域內安全，四周設置了消防環形道路。天然氣管道（2條DN700的管道）從LNG末站調壓撬預留口接出，從LNG末站南面圍墻靠近西側接出，沿原天然氣管網首站供電廠的DN800天然氣管道西側并排布置，在膨脹機裝置的安裝位置西側圍墻處接入電廠。海水循環水管走向，一去一回二根DN800循環水管從燃氣輪機機組排水工作井引出，原設計沿主廠房擴建端道路一直向北至220kV升壓站北圍墻后向東到達差壓發電裝置區。項目布置示意圖見圖2。

圖2 項目布置示意圖

3 應用實際情況

3.1 膨脹機跳閘對下游天然氣管網供氣壓力的影響

項目首先要保證城市管網的供氣安全。最極端的工況是膨脹機跳閘，需要確認膨脹機入口ESV（緊急切斷閥）閥切斷的情況下，旁路是否可及時開啟，不對下游管線輸氣壓力和流量產生影響。為此進行了膨脹機甩負荷試驗。甩負荷的試驗值見表1。

表1 膨脹機甩負荷試驗值

由膨脹機跳閘時的旁路調壓系統啟動曲線（圖3）和膨脹機跳閘后入口ESV閥關閉時間錄波曲線（圖4），可獲得如下結果：

圖3 膨脹機跳閘時旁路調壓系統啟動曲線

圖4 膨脹機跳閘后入口ESV閥關閉時間錄波曲線

(1)膨脹機跳閘時，旁路調壓系統能迅速啟動，并在20s時間內將膨脹機出口天然氣壓力恢復至跳閘前壓力，滿足30s時間內將膨脹機出口天然氣壓力恢復至跳閘前壓力要求；

(2)膨脹機跳閘試驗期間，膨脹機出口天然氣壓力最大波動百分比為4.1%，滿足8%允許波動值要求；

(3)膨脹機跳閘后，膨脹機入口ESV閥能在0.48s迅速關閉，低于允許的0.5s要求。

機組從2017年4月運行至今，設備運行穩定。膨脹機出口天然氣流量、壓力和溫度均能控制在占上海51%天然氣用氣量的下游用戶所需的天然氣參數范圍內，即在差壓發電機組日常運行工況下，差壓發電機組不影響占全上海51%天然氣用氣量的下游用戶安全用氣。

3.2 膨脹機發電量

膨脹機投運一年的年發電量統計見表2。

表2 膨脹機年發電量統計

2017年5月1日至2018年4月30日，膨脹機年發電總量1 607.32萬kWh，年運行小時數總計6 726.78h，平均負荷0.2389萬kWh。

3.3 雜水換熱器利用機組余能的節能效果

雜水換熱器可以使膨脹機入口前溫度提高1℃～3℃。雜用水換熱器加熱效果實際數據見表5。膨脹機入口天然氣溫度的提高也意味著可以進一步提高膨脹機做功的發電量。

表5 雜水換熱器加熱效果實際數據

換熱降低了電廠雜水池的水溫，使原先的雜水冷卻塔停用，可節約部分的電量。

3.4 海水換熱器輸氣管線上的節能效果

海水換熱器使換熱器出口天然氣溫度與海水溫度接近，遠遠超過下游管線提出的天然氣溫度至少2℃的要求。海水換熱器加熱效果數據見表6。

表6 海水換熱器加熱效果數據表

由于環境熱源的利用，減少了上游LNG末站和下游天然氣管網在冬季投運水浴爐的天然氣量。僅以LNG末站為例，每年冬季用于加熱天然氣的水浴爐自用耗氣量就達到500 000Nm3。而隨著海水換熱器的投運，LNG末站的水浴爐可以停用，因此節能減排效益非常突出。

3.5 配套海水換熱泵的節能效果

4臺機組全停時，通過機組循泵供4臺機組冷卻水，需開1臺循泵，頻率約32Hz，功率977kW。用海水換熱泵替代機組循泵供4臺機組全停時的冷卻水量，需開1臺海水換熱泵，頻率為40Hz，功率為241kW。根據統計2017年5月1日至2018年4月30日用海水換熱泵替代機組循泵的運行小時數總計3 459h，年節電量為2 455 824kWh。

4 結論

(1)膨脹發電機組可以替代原有的調壓站實現天然氣管網調壓、調流模式下的安全穩定輸氣，且膨脹機系統的設計容量可以滿足全上海51%天然氣用氣量的下游用戶需求。

(2)天然氣差壓余能利用可以與燃氣電廠或周邊其他資源結合，實現能源的綜合利用。

(3)本文介紹的項目年節電量總計約16 000 000 kWh，年節氣量大于500 000Nm3/h。

本項目為低碳環保的清潔能源項目，在國內尚無相關案例，項目的實施將形成示范帶動作用，對能源的有效利用、節能降耗和建立節能型社會具有積極的意義。