山西省燃氣電廠氣源調度運行策略研究

霍小亮

山西燃氣產業集團有限公司, 山西 太原 030032

0 前言

隨著天然氣工業的快速發展,天然氣消費量呈井噴式增長,天然氣資源的開發也從常規天然氣逐步向煤層氣、頁巖氣等非常規天然氣邁進[1]。山西省擁有豐富的天然氣資源,除陜京一、二、三線,西氣東輸一線及榆-濟線等過境氣源外,山西省還是國家煤層氣的主要生產基地,包括河東煤層氣田、沁水煤層氣田等多個大型煤層氣產區[2]。同時,山西省省級天然氣管道已基本實現“互聯互通”,逐漸形成網狀結構。因此,山西省將面臨因天然氣氣源多、氣源情況復雜而產生的天然氣互換性問題。

燃氣電廠作為一種高效、環保、節能的發電模式,已在世界各國得到了廣泛應用。近年來,隨著我國天然氣行業的快速發展以及環境保護要求的逐步提高,燃氣電廠也陸續出現在我國大江南北。山西省為打造“碧水藍天工程”,先后規劃建設了嘉節燃氣熱電廠、東山燃氣熱電廠、保德燃氣電廠、壽陽燃氣電廠等多座燃氣電廠[3]。

因燃氣電廠用氣量較大,山西省在運行燃氣電廠用氣量已占到山西省用氣總量的25%。在電廠實際運行過程中存在燃氣組分波動較大、熱值不穩定及氣質不干凈等情況,給下游燃氣電廠用戶帶來了安全和經濟風險。本文主要結合山西省在用燃氣電廠的實際情況,探討多氣源混輸對燃氣電廠的影響,并提供可行的調度運行方案,確保給電廠用戶持續穩定地供應符合其要求的燃氣。

1 燃氣互換性及氣源情況

1.1 燃氣互換性判別方法

燃氣互換性是指某一種燃具以X燃氣為基準進行設計和調整,以Y燃氣置換X燃氣,如果燃燒器不加任何調整就能保證燃具正常工作,那Y燃氣對于X燃氣而言就具有互換性。目前,常用的研究燃氣互換性的方法包括沃泊指數(華白數)法、燃燒特性曲線法、德爾布(Delbourg)-ff換性判定法、美國燃氣協會(A.G.A)法等。

國際上以往最常用的是沃泊指數(華白數)法,目前則常采用華白數W和燃燒勢CP(德爾布-ff換性判定法)來判定,即由一種燃氣X置換另一種燃氣Y時,控制燃氣互換性的指標為華白數W和燃燒勢CP。

華白數W代表熱流量,是燃氣互換性判定指數之一。燃氣的華白數不變,表明供應的熱量不變,燃具的熱負荷也不變。華白數W計算式:

W=H/d1/2

(1)

式中:W為華白數,MJ/m3;H為燃氣熱值,MJ/m3;d為燃氣相對密度(空氣相對密度為1)。

燃燒勢CP表示燃燒速度指數。燃氣的燃燒速度不變,則火焰就穩定。燃燒勢CP計算式:

(2)

根據我國GB 13611-2006《城鎮燃氣分類及基本特性》規定,城鎮燃氣按照高華白數及燃燒勢可分為3大族13類，其中包括礦井氣、沼氣在內的天然氣分為5類。由于礦井氣為3 T、4 T,沼氣為6 T,其燃燒特性接近于天然氣,故歸入天然氣內。

在一般條件下,當燃氣互換時,兩種燃氣必須屬于相同參比條件下的同一類,且控制華白數值的變化范圍在±5%～±10%[4-12]。

1.2 山西省天然氣(煤層氣)氣源情況

山西省現有過境天然氣陜京一線、二線及三線,西氣東輸一線,榆-濟線,以及省內保德煤層氣、永和煤層氣等多種氣源資源,通過分輸、調壓等工藝流程進入省天然氣管網系統,氣質組分及參數見表1[13]。

2 燃氣電廠氣源互換性分析

2.1 燃氣電廠對氣質的要求

目前山西省已正式投產運行的兩座燃氣電廠均是9F級,A燃氣熱電廠燃機系統采用“二拖一”F級燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組,裝機容量為2×298 MW+1×264 MW,設計年平均效率可達65.8%;B燃氣電廠是采用2臺9F級燃氣發電供熱機組,總裝機容量86×104kW。

9F級燃氣電廠是先進的燃氣發電機組,相對9E系列燃氣發電機組具有更高的發電效率。為保證機組正常運行,9F燃機系統對天然氣氣質的CH4含量和華白數作出了要求。

2.1.1 CH4含量的要求

天然氣中CH4組分體積含量,除去惰性氣體外,應維持在85%～98%。然而,一旦運行的天然氣確定,燃燒器根據天然氣組分進行調整后,該天然氣的CH4組分含量在除去燃氣中的惰性組分含量外,變化范圍應不超過±2%。

惰性氣體包括N2、CO2成分,其體積分數總和在天然氣中不能超過4%。

表1 氣質組分及參數表

Tab.1 Components and parameters of gas

氣質組分及參數陜京一線陜京二線陜京三線西一線保德煤層氣永和煤層氣CH493.523 394.722 394.272 796.230 091.940 097.040 0C2H63.809 22.687 32.984 01.770 00.030 00.870 0C3H80.664 50.439 00.431 30.300 0—0.070 0iC40.069 70.080 00.032 60.140 0——nC40.184 40.081 30.053 9———iC50.079 90.036 90.018 70.130 0——nC50.047 40.019 90.011 9———C+60.012 20.012 70.005 00.000 0——N20.852 00.235 40.311 50.960 05.010 00.810 0CO21.320 41.685 21.857 30.470 02.980 00.880 0H2——————He0.018 30.000 00.014 70.000 0——H2S————0.770 0—O2————0.040 00.330 0密度ρ/(kg·m-3)0.719 60.714 30.716 10.780 00.728 30.724 2相對密度0.587 40.583 10.585 00.578 00.604 70.573 5低熱值Hi/(MJ·m-3)34.570 033.820 033.750 034.830 032.980 033.240 0低華白數Wi/(MJ·m-3)45.110 044.260 044.130 045.810 042.410 043.890 0高熱值Hg/(MJ·m-3)38.320 037.510 037.440 038.710 034.010 036.830 0高華白數Wg/(MJ·m-3)50.000 049.110 049.330 050.920 043.730 049.570 0燃燒勢CP39.960 039.850 035.450 037.680 035.490 039.210 0燃氣類別12 T12 T12 T12 T12 T12 T

2.1.2 華白數的要求

大多數低熱值天然氣華白數一般為44.71 MJ/m3,有±15%的波動范圍,但一旦用某一燃氣調整后,其燃氣指數(即低熱值華白數)的波動值不能超過±2%。

低華白數的允許變化率為不大于4%/min[14-16]。

2.2 氣質互換性計算

目前,A、B兩座燃氣電廠燃氣氣源主要包括陜京二、三線天然氣以及保德煤層氣、永和煤層氣。根據前述9F燃氣機組的性能要求,低華白數WI變化范圍不大于±2%,CH4含量變化范圍不大于±2%,惰性氣體體積含量不超過4%。假定以兩種氣進行混合,得到不等式方程組(3):

式中:VCH4為基準氣CH4含量,%;V1CH4為摻混氣CH4含量,%;VWI為基準氣低華白數值,MJ/m3;V1WI為摻混氣低華白數值,MJ/m3;V惰為基準氣中惰性氣體含量,%;V1惰為摻混氣中惰性氣體含量,%。

根據電廠燃氣機組供氣的基準設定工況,運行模式可以分為4種[17-18]。

2.2.1 運行模式1

基準氣1以陜京三線氣為基準氣,以保德煤層氣(V1保)摻混基準氣1(V基1),按照公式(3)進行計算,得到摻混界限比例V1保∶V基1=31.46∶68.54,即氣質調整范圍:保德煤層氣體積含量0%～31.46%,陜三線氣體積含量68.54%～100%。此摻混界限氣的主要組分體積含量:φCH4=93.538 8%,φC2H4=2.054 7%,φCO2=2.210 5%,φN2=1.789 6%。物性參數:相對密度 0.591 2,低熱值Hi33.507 8 MJ/m3,高熱值Hg36.360 9 MJ/m3,低華白數Wi43.588 9 MJ/m3,高華白數Wg47.568 2 MJ/m3。

以永和煤層氣(V1永)摻混基準氣1,按照公式(3)進行計算,其摻混比例V1永∶V基1=84.72∶15.28,即氣質調整范圍:永和煤層氣體積含量0%～84.72%,陜三線氣體積含量15.28%～100%。此摻混界限氣的主要組分體積含量:φCH4=96.617 2%,φC2H4=1.193%,φCO2=1.029 3%,φN2=0.733 8%。物性參數:相對密度 0.575 3,低熱值Hi33.317 9 MJ/m3,高熱值Hg36.923 2 MJ/m3,低華白數Wi43.926 7 MJ/m3,高華白數Wg49.533 3 MJ/m3。

2.2.2 運行模式2

基準氣2以陜京二線氣為基準氣,以保德煤層氣摻混基準氣2(V基2),按照公式(3)進行計算,得到其摻混界限比例V1保∶V基2=34.26∶65.74,即氣質調整范圍:保德煤層氣體積含量0%～34.26%,陜二線氣體積含量調整65.74%～100%。此摻混界限氣的主要組分體積含量:φCH4=93.769 1%,φC2H4=1.776 9%,φCO2=2.128 8%,φN2=1.871 2%。物性參數:相對密度 0.583 1,低熱值Hi33.532 2 MJ/m3,高熱值Hg36.310 9 MJ/m3,低華白數Wi43.626 2 MJ/m3,高華白數Wg47.266 8 MJ/m3。

以永和煤層氣摻混基準氣2,按照公式(3)進行計算,得到其摻混界限比例V1永∶V基2=81.74∶18.26,即氣質調整范圍:永和煤層氣體積含量0%～81.74%,陜二線氣體積含量18.26%～100%。此摻混界限氣的主要組分體積含量:φCH4=96.616 8%,φC2H4=1.201 8%,φCO2=1.027%,φN2=0.705 1%。物性參數:相對密度 0.575 3,低熱值Hi33.345 9 MJ/m3,高熱值Hg36.954 2 MJ/m3,低華白數Wi43.957 6 MJ/m3,高華白數Wg49.486 MJ/m3。

2.2.3 運行模式3

基準氣3為一種設定氣,設定燃氣華白數為陜京二線天然氣和陜京三線天然氣華白數的平均值,此摻混界限氣的主要組分體積含量:φCH4=94.497 5%,φC2H4=2.835 7%,φCO2=1.771 3%,φN2=0.273 5%。物性參數:相對密度 0.584 05,低熱值Hi33.785 MJ/m3,高熱值Hg37.475 MJ/m3,低華白數Wi44.195 MJ/m3,高華白數Wg49.22 MJ/m3。

以保德煤層氣摻混基準氣3(V基3),按照公式(3)進行計算,得到其摻混界限比例V1保∶V基3=32.89∶67.11,即氣質調整范圍:保德煤層氣體積含量0%～32.89%,基準氣3體積含量67.11%～100%。此摻混界限氣的主要組分體積含量:φCH4=93.656 3%,φC2H4=1.912 9%,φCO2=2.168 8%,φN2=1.831 3%。物性參數:相對密度 0.590 8,低熱值Hi33.520 2 MJ/m3,高熱值Hg36.335 4 MJ/m3,低華白數Wi43.607 9 MJ/m3,高華白數Wg47.414 3 MJ/m3。

以永和煤層氣摻混基準氣3,按照公式(3)進行計算,得到其摻混界限比例V1永∶V基3=74.33∶25.67,即氣質調整范圍:永和煤層氣體積含量0%～74.33%,基準氣3體積含量25.67%～100%。此摻混界限氣的主要組分體積含量:φCH4=96.387 5%,φC2H4=2.892 3%,φCO2=1.806 7%,φN2=0.279 0%。物性參數:相對密度 0.595 7,低熱值Hi34.460 7 MJ/m3,高熱值Hg38.224 5 MJ/m3,低華白數Wi45.078 9 MJ/m3,高華白數Wg50.204 4 MJ/m3。

2.2.4 運行模式4

基準氣4以永和煤層氣為基準氣,以保德煤層氣摻混基準氣4(V基4),按照公式(3)進行計算,得到摻混界限比例V1保∶V基4=63.33∶36.67,即氣質調整范圍:保德煤層氣體積含量調整為0%～36.67%,永和煤層氣體積含量調整為63.33%～100%。此摻混界限氣的主要組分體積含量為:φCH4=95.169 8%,φC2H4=0.562 0%,φCO2=1.650 0%,φN2=2.350 1%。物性參數為:相對密度 0.680 4,低熱值Hi33.144 7 MJ/m3,高熱值Hg35.796 MJ/m3,低華白數Wi43.347 3 MJ/m3,高華白數Wg47.428 5 MJ/m3。

2.3 討論與分析

2.3.1 陜京線氣源混輸模式

從第2.1節分析數據可知,陜京二線、三線兩種氣體CH4體積含量偏差為0.47%,低華白數偏差0.18%,惰性氣體含量也均低于4%,因此,陜京二線、三線氣體相互摻混具有最大的摻混比例。從圖1可以看出,當以陜京二、三線氣源為電廠供氣時,兩氣源可以以任意比例進行混合。

圖1 陜京線氣源混輸氣比例范圍曲線圖Fig.1 Mixing proportion range of natural gas in Shaanxi-Beijing Line

2.3.2 陜京線氣源與煤層氣混輸模式

因陜京二線、三線氣體氣源點接近,且相互實現互聯互通,兩氣源已存在一定的混輸情況,根據第2.1節分析可知,以保德煤層氣摻混陜京二線、三線混合氣,陜京線混合氣的輸氣比例最小調整范圍為68.54%～100%,最大調整范圍為65.74%～100%;以永和煤層氣摻混陜京線混合氣時,陜京線混合氣的輸氣比例最小調整范圍為18.26%～100%,最大調整范圍為15.28%～100%;若保德煤層氣和永和煤層氣摻混陜京線混合氣時,陜京線混合氣的輸氣比例最小調整范圍為68.54%～100%,最大調整范圍為15.28%～100%。因此,燃氣電廠氣源中陜京線輸氣量占比68.54%以上時,煤層氣無論怎么混合,均可確保下游燃氣電廠正常運行。

根據上述計算分析,利用Matlab數值統計分析軟件建立了圖2所示的數據曲線[19-20]。由此可以看出,在陜京線氣源與煤層氣(保德煤層氣與永和煤層氣混合氣)進行混輸的情況下,當確定保德煤層氣在煤層氣中的占比之后,便可確定陜京線氣源的調節范圍。

圖2 在煤層氣不同組分配比下陜京線氣源調節比例曲線圖Fig.2 Proportion range of natural gas in Shaanxi-Beijing Line under different proportion of coalbed methane

2.3.3 煤層氣混輸模式

從山西省全年用氣結構來看,省內煤層氣資源在用氣淡季完全可滿足省內燃氣需求。省內現有燃氣電廠在用氣淡季主要以保德煤層氣和永和煤層氣區塊氣源為主,因此需對兩種煤層氣的混輸模式進行分析計算。

因保德煤層氣φN2和φCO2含量合計高達8%,必須摻混其他煤層氣才能達到電廠供氣要求。從第2.1節分析數據可知,若以永和煤層氣摻混保德煤層氣,應保證永和煤層氣供氣比例在63.33%以上,永和煤層氣摻混保德煤層氣范圍見圖3。

圖3 永和煤層氣摻混保德煤層氣比例范圍曲線圖Fig.3 Mixing proportion range of Yonghe coalbed methane and Baode coalbed methane

3 結論

本文結合山西省在用燃氣電廠的實際情況,探討多氣源混輸對燃氣電廠的影響,研究得出:

1)若陜京線氣源單獨給燃氣電廠供氣,陜京線氣源之間可以以任意比例進行摻混。

2)若陜京線氣源與煤層氣混合給燃氣電廠供氣,根據煤層氣中保德煤層氣的占比情況,可確定陜京線氣源的調節范圍。

3)若煤層氣單獨給燃氣電廠供氣,應保證永和煤層氣的比例大于63.33%。