凈化沼氣進入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)的技術(shù)措施

張學妙

(青島能源設(shè)計研究院有限公司，山東青島266073)

1 工程概況

青島市平度市南村鎮(zhèn)某沼氣生產(chǎn)項目日均生產(chǎn)沼氣量為2.59×104m3/d。經(jīng)檢測，沼氣的主要組分為甲烷，甲烷的體積分數(shù)約為60%，二氧化碳的體積分數(shù)約為35%，硫化氫、氮氣、氧氣、氫氣和一氧化碳的體積分數(shù)約為5%。經(jīng)過凈化提純處理后的凈化沼氣質(zhì)量達到國家標準GB 17820—2012《天然氣》規(guī)定的“二類氣”的標準。凈化沼氣量為1.6×104m3/d。

沼氣利用的方案為凈化后輸入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)。

2 凈化沼氣進入天然氣管網(wǎng)主要問題分析

凈化沼氣進入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)可能出現(xiàn)如下3個主要問題：

① 由于沼氣生產(chǎn)不穩(wěn)定，可能造成天然氣公司調(diào)度困難。

② 凈化沼氣熱值不穩(wěn)定，華白數(shù)波動超過國家標準GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》的規(guī)定值，將嚴重影響天然氣用戶正常使用。

③ 凈化沼氣含水量超標，輸配過程中易形成冰堵，損壞天然氣設(shè)備，影響管網(wǎng)運行和用戶用氣。

3 凈化沼氣進入天然氣管網(wǎng)技術(shù)措施

3.1 優(yōu)化工藝流程

本項目對沼氣從生產(chǎn)到進入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)的整個流程進行優(yōu)化。凈化沼氣進入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)流程見圖1。

圖1 凈化沼氣進入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)流程

沼氣由生產(chǎn)裝置產(chǎn)出，經(jīng)過凈化裝置凈化提純后，成為凈化沼氣。再經(jīng)過3臺水露點檢測儀和1臺氣相色譜分析儀進行檢測分析。如果出現(xiàn)檢測不合格的沼氣，則自動打開回流電磁閥，檢測不合格的沼氣回流至沼氣凈化裝置入口處，再進一步凈化提純。經(jīng)過檢測合格的沼氣通過出廠電磁閥，再通過調(diào)壓器調(diào)壓、流量計計量、自動加臭機加臭，然后通過止回閥，進入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)。

3.2 選擇穩(wěn)定的沼氣生產(chǎn)工藝技術(shù)

為了解決沼氣生產(chǎn)不穩(wěn)定的問題，在沼氣生產(chǎn)工藝方面，經(jīng)過常溫、中溫、高溫厭氧發(fā)酵工藝三方案比較，濕式厭氧發(fā)酵工藝和干式厭氧發(fā)酵工藝兩方案比較，單相、兩相厭氧發(fā)酵工藝兩方案比較，單級、兩級厭氧發(fā)酵工藝兩方案比較，確定選擇技術(shù)成熟、沼氣生產(chǎn)穩(wěn)定的工藝技術(shù)方案——中溫濕式單相兩級厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)進行沼氣生產(chǎn)，所有生產(chǎn)工藝設(shè)施考慮備用，確保沼氣生產(chǎn)穩(wěn)定。

3.3 選擇可靠高效的沼氣凈化技術(shù)

在沼氣凈化工藝技術(shù)方面，經(jīng)過對變壓吸附法、化學吸收法、壓力水洗法三方案進行比較，最終選擇壓力水洗法進行沼氣凈化。

壓力水洗法脫除二氧化碳是物理吸收過程，根據(jù)沼氣中主要組分甲烷、二氧化碳、硫化氫在水中的溶解度不同而實現(xiàn)氣體分離。在整個過程溫度變化不大的條件下，甲烷在水中的溶解度隨壓力變化不大，二氧化碳、硫化氫在較高壓力下在水中溶解度大，在較低壓力下因在水中的溶解度小而釋放出來，從而實現(xiàn)對二氧化碳、硫化氫的分離，完成沼氣凈化提純。

壓力水洗法的優(yōu)點是設(shè)備自身能耗低，甲烷逃逸率低，可以建設(shè)大型沼氣提純工程，系統(tǒng)可靠性高，設(shè)備維修成本相對較低。

所產(chǎn)沼氣全部進行壓力水洗法提純，經(jīng)過脫水后，在凈化車間通過初步檢測，合格后的沼氣方可進入下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

3.4 凈化沼氣組成檢測及互換性分析

3.4.1 凈化沼氣組成檢測

為了解決凈化沼氣熱值不穩(wěn)定、華白數(shù)波動超過規(guī)定值的問題，需要實時檢測凈化后沼氣的組成，并計算出凈化沼氣熱值和華白數(shù)，使之穩(wěn)定在國家標準GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》規(guī)定的范圍內(nèi)。

天然氣組成和凈化沼氣組成檢測多采用氣相色譜分析儀[1]。在調(diào)壓計量區(qū)入口處，采用氣相色譜分析儀對凈化沼氣組成進行復檢。

氣相色譜分析儀檢測的數(shù)據(jù)通過通信線路上傳到控制中心，對各項數(shù)據(jù)進行分析比較。氣相色譜分析儀對凈化沼氣組成的分析周期設(shè)定為小于或等于5 min，能根據(jù)其測量數(shù)據(jù)自動生成報告及色譜圖，并向設(shè)于控制中心的上位計算機控制系統(tǒng)進行傳輸，至少提供兩個RS-485串行通信接口，并支持MODBUS RTU通信協(xié)議。氣相色譜分析儀具有自診斷功能，診斷結(jié)果傳送到上位計算機控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制單元應(yīng)有LCD圖形顯示器和鍵盤，能夠在顯示器上顯示圖譜、氣體組成、熱值、密度等信息，并能通過按鍵選擇顯示內(nèi)容和顯示方式。氣相色譜分析儀設(shè)置在現(xiàn)場，是防爆型分析儀表，其防爆等級不低于Exd Ⅱ BT4；具有防塵、防水功能，防護等級不低于IP65。

本項目自2017年6月投產(chǎn)以來，通過一年四季多次檢測，檢測數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，凈化沼氣不含凝結(jié)水和硫，除甲烷外，無其他烴類，更無液態(tài)烴。

氣相色譜分析儀監(jiān)測數(shù)據(jù)如下：各組分體積分數(shù)甲烷97.22%，二氧化碳0.70%，氧氣0.70%，氮氣1.27%，氫氣0.11%。高熱值為36.75 MJ/m3，低熱值為33.09 MJ/m3，相對密度為0.57，密度為0.70 kg/m3。

3.4.2 互換性分析

根據(jù)南村鎮(zhèn)的用氣情況，將全部凈化沼氣與天然氣混合后進入天然氣管網(wǎng)。由于南村鎮(zhèn)的冬夏季日用氣量均超過凈化沼氣量，因此，本文按照冬季的最大用氣量和夏季的最小用氣量進行燃氣互換性分析。

根據(jù)凈化沼氣的檢測結(jié)果，高熱值為36.75 MJ/m3，相對密度0.57，經(jīng)計算，凈化沼氣的華白數(shù)為48.67 MJ/m3。

南村鎮(zhèn)使用的管輸天然氣為中石油供應(yīng)的管輸天然氣，中石油管道公司提供的檢測數(shù)據(jù)如下：相對密度為0.602，密度為0.725 5 kg/m3，高熱值為38.936 MJ/m3。經(jīng)計算，管輸天然氣的華白數(shù)為50.18 MJ/m3。

夏季混合氣中，凈化沼氣與管輸天然氣的體積之比為16∶1；冬季混合氣中，凈化沼氣與管輸天然氣的體積之比為8∶13。

經(jīng)計算，夏季混合氣的華白數(shù)為48.76 MJ/m3，高熱值為36.879 MJ/m3；冬季混合氣的華白數(shù)為49.60 MJ/m3，高熱值為38.10 MJ/m3。

GB/T 13611—2018規(guī)定，天然氣(12T)的華白數(shù)標準為50.72 MJ/m3，范圍為45.66～54.77 MJ/m3；高熱值標準為37.78 MJ/m3，范圍為31.97～43.57 MJ/m3。

與標準值相比，混合氣夏季華白數(shù)的波動幅度為-3.86%，冬季華白數(shù)的波動幅度為-2.21%，特殊情況下，全部采用凈化沼氣供應(yīng)用戶，則華白數(shù)的波動幅度為-4.04%。

根據(jù)上述計算結(jié)果，夏季、冬季、特殊情況下混合氣華白數(shù)的波動幅度分別為-3.86%、-2.21%、-4.04%，均滿足不超過±5%的波動要求；混合氣的高華白數(shù)和高熱值均在GB/T 13611—2018規(guī)定的天然氣(12T)類別的范圍內(nèi)。因此，本項目凈化沼氣可與管輸天然氣混合后供應(yīng)用戶，也可以單獨供應(yīng)用戶，與天然氣的互換性良好。

3.5 凈化沼氣水露點檢測

凈化沼氣水露點應(yīng)始終保持在低于環(huán)境溫度5 ℃以上，確保所有天然氣設(shè)施不致因冰堵而影響使用。采用水露點檢測儀對凈化沼氣水露點進行檢測，并將檢測的數(shù)據(jù)上傳到控制中心。水露點檢測儀數(shù)量為3 臺，3 臺同時開啟，當3 臺水露點檢測儀檢測的數(shù)據(jù)均不一致時，應(yīng)及時對水露點檢測儀進行檢修，以確保檢測數(shù)據(jù)準確有效。

水露點檢測儀測量范圍：-50～20 ℃；檢測分度值：±2 ℃；響應(yīng)時間：3 min。

在2017—2018年度冬季最冷時，環(huán)境溫度為-13 ℃，檢測得到凈化沼氣水露點為-35 ℃，比最低環(huán)境溫度低22 ℃，滿足天然氣質(zhì)量要求。

由于中石油管輸天然氣內(nèi)不含凝結(jié)水，水露點為-20 ℃，凈化沼氣也不含凝結(jié)水，水露點為-35 ℃，凈化沼氣與天然氣混合后混合氣不會產(chǎn)生凝結(jié)水。本項目運行一段時間后，多次對凈化沼氣與管輸天然氣的混合氣抽樣，進行檢測分析，均無凝結(jié)水產(chǎn)生。

3.6 不合格的沼氣回流再凈化

凈化沼氣經(jīng)組成檢測和水露點檢測后，若數(shù)據(jù)不滿足GB 17820—2012中“二類氣”的規(guī)定或合同要求，即為檢測不合格的沼氣，通過控制中心自動將出廠電磁閥關(guān)閉，將回流管道上的回流電磁閥打開，使檢測不合格的沼氣回流到沼氣凈化裝置，再進行凈化。

本項目已運行1 a，尚沒有檢測到凈化沼氣不合格的情況。

3.7 合格的沼氣進入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)

凈化沼氣組成檢測和水露點檢測全部數(shù)據(jù)合格時，出廠電磁閥打開，凈化沼氣進入調(diào)壓計量柜，通過調(diào)壓器、流量計、自動加臭機后，進入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)。

調(diào)壓器進口壓力為0.7～0.8 MPa,出口壓力為0.35 MPa，額定流量為800 m3/h，調(diào)壓器前后各設(shè)置一路壓力傳感器。流量計公稱壓力為1.6 MPa，額定流量為800 m3/h，配置壓力溫度補償儀。

調(diào)壓計量柜外設(shè)置1臺防爆型數(shù)據(jù)遠傳裝置，調(diào)壓器前后的壓力信號和流量計的壓力、溫度、流量信號、3臺水露點檢測儀的水露點信號、氣相色譜分析儀的組成、密度、熱值等信號通過數(shù)據(jù)線與防爆型數(shù)據(jù)遠傳裝置相連，防爆型數(shù)據(jù)遠傳裝置將信號遠傳至沼氣生產(chǎn)公司和天然氣經(jīng)營公司的控制中心。

在流量計后設(shè)置止回閥，避免城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)內(nèi)較高壓力的天然氣回流而損壞流量計，確保燃氣工藝設(shè)備安全。

4 運行效果

本項目自2017年6月投產(chǎn)以來，沼氣生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定，南村天然氣經(jīng)營公司調(diào)度正常，未發(fā)生管網(wǎng)停氣等事故。凈化沼氣熱值基本穩(wěn)定，高華白數(shù)波動未超過國家標準GB/T 13611—2018規(guī)定的范圍。凈化沼氣水露點始終保持在低于環(huán)境溫度5 ℃以上，沒有出現(xiàn)燃氣設(shè)施冰堵現(xiàn)象。