燃機電廠天然氣調(diào)壓站分析及優(yōu)化

李雙琦

摘要：本文將分析燃機電廠燃氣輪機對天然氣的實際要求，并以此為基礎(chǔ)完善天然氣調(diào)壓站設(shè)計及配置，以期能夠為業(yè)內(nèi)人士提供理論參考。

關(guān)鍵詞：燃機電廠;天然氣調(diào)壓站;設(shè)計及配置

前言：近些年來，隨著國民環(huán)保意識的逐漸興起，如今相比較燃煤發(fā)電更加清潔高效的天然氣發(fā)電技術(shù)已經(jīng)逐步應用普及。然而由于在不同地域、不同氣源的影響下、天然氣的實際組分情況也不盡相同，為能夠有效確保燃氣輪機的實際運行穩(wěn)定性、安全性，需要對天然氣組分進行一定限制，該限制過程便會需要天然氣調(diào)壓站，所以對燃機電廠天然氣調(diào)壓站進行分析研究，提出相應的設(shè)計及配置將有著極為重要的現(xiàn)實意義。

一、燃氣輪機對天然氣的實際要求

以三菱公司M701F4型燃氣輪機為例，指出燃氣輪機對天然氣的實際要求。

1.1成分要求

1.1.1惰性氣體

在天然氣中，諸如氮氣、二氧化碳等惰性氣體的含量不應超過4mol.%。

1.1.2甲烷

除去惰性氣體以外，天然氣中甲烷的含量應保持在80-98mol.%范圍區(qū)間內(nèi)，且即便是受到天然氣中惰性氣體含量的影響，甲烷的實際含量也不應減少標準值范圍的±9%。

1.2發(fā)熱量要求

天然氣的發(fā)熱量將會直接影響到燃氣輪機的燃燒能力，所以需要對天然氣的發(fā)熱量進行充分考慮。天然氣的熱值和比重關(guān)系式如下：

在公式中：

GI：燃氣指數(shù);

LHV：天然氣的低位發(fā)熱值，單位kJ/Nm3;

S.G.：天然氣的相對密度，即在標準工況下，天然氣密度與空氣密度的比值。

通常來說，天然氣在供應過程中的GI值變化不應超過±5%，變化速度不應超過5%/min。

1.3壓力要求

通常來說，燃氣輪機GT包入口處的天然氣壓力值需要控制在2.8-4.6MPa/g的范圍區(qū)間內(nèi)，在確定入口處的壓力后，還需要確保天然氣在供應過程中的壓力值波動控制在±0.14MPa/g內(nèi);壓力變化速度控制在0.08MPa/s[1]。

1.4可凝結(jié)液體要求

燃氣輪機要求輸送到燃燒系統(tǒng)噴嘴的天然氣不能夠含有液體成分，即要求氣液混合天然氣在達到最高飽和溫度時，要確保過熱度達到11℃以上。結(jié)合實際情況來看，天然氣的供應溫度應控制在5℃以上，防止因天然氣供應溫度過低導致供應管道或者使用設(shè)備出現(xiàn)結(jié)冰問題。

1.5固體顆粒要求

燃氣輪機所使用的天然氣固體顆粒應控制在30ppmwt以下，且固體顆粒的粒徑應小于5μm。

二、燃機電廠天然氣調(diào)壓站設(shè)計優(yōu)化

2.1天然氣調(diào)壓站的作用

天然氣調(diào)壓站作為燃機電廠天然氣處理的主要外接口，結(jié)合燃氣輪機對天然氣的實際要求，天然氣調(diào)壓站應具備以下幾點作用：

（1）天然氣調(diào)壓及設(shè)備保護作用。在上游設(shè)備出現(xiàn)故障或者天然氣供應壓力出現(xiàn)較大波動的時候，天然氣調(diào)壓站能夠有效控制天然氣供應壓力，防止下游管道和設(shè)備受到上游波動的影響;

（2）精準計量和校對進入燃機電廠的天然氣量;

（3）將上游氣源點所提供的天然氣進行降壓或穩(wěn)壓至下游燃氣輪機所需要的壓力、溫度及流量要求，并確保天然氣輸送過程中的平穩(wěn)性效果;

（4）除去天然氣中的可凝結(jié)液體和固體雜質(zhì)顆粒，確保天然氣質(zhì)量符合要求。

2.2構(gòu)成及配置

通常來說，燃機電廠天然氣調(diào)壓站主要由入口單元、計量單元和綜合處理單元、調(diào)壓電壓和集中放散單元等5大單元共同組成。各單元基本配置情況如圖1所示。

2.3單元功能優(yōu)化配置

2.3.1入口單元

入口單元的優(yōu)化配置主要是針對入口單元絕緣接頭的優(yōu)化，進而增強調(diào)壓站的電絕緣效果同時，提高上游管線與調(diào)壓站之間的絕緣隔離效果。對此，需要在入口單元絕緣接頭后側(cè)配置有啟動緊急切斷閥，確保上游管線在發(fā)生泄漏、起火，超壓等緊急事件時，實現(xiàn)調(diào)壓站與上游管線的緊急切斷隔離，確保下游管線與設(shè)備的安全性。另外，為確保入口單元的實際隔離效果，還需要確保配置的氣動緊急切斷閥的緊急響應時間控制在3s以內(nèi)，且該切斷閥的開啟僅能夠通過手動方式開啟，防止出現(xiàn)誤操作問題，造成額外損失[2]。

2.3.2計量單元

（1）KO分離單元

KO分離單元的主要作用是去除天然氣中含有的大顆粒物質(zhì)以及可凝結(jié)液體。在設(shè)計中，KO分離單元主要由離心分離設(shè)備構(gòu)成，確保天然氣中可凝結(jié)液體以及大顆粒物質(zhì)的實際清除效果。

（2）加熱單元

結(jié)合上文要求。調(diào)壓站在設(shè)計過程中通常會選擇水浴爐、電加熱或者管殼式換熱器等加熱方式，然而結(jié)合三種加熱方式的實際應用情況來看，三種加熱方式各有各的優(yōu)缺點，在實際設(shè)計過程中需要結(jié)合調(diào)壓站以及上游氣源的實際情況進行合理選擇。

（3）分離過濾單元

在進行設(shè)計優(yōu)化時，分離過濾單元的過濾器可選用“兩運行一備用”或者是“一運行一備用”組合。具體情況應結(jié)合調(diào)壓站的實際需求進行選擇，需要滿足天然氣中固體顆粒、可凝結(jié)液體的進一步清除。

（4）凝淅液收集單元

凝淅液收集單元的主要作用是收集分離過濾單元和KO分離單元所離析出的固體顆粒、可凝結(jié)液體。由于天然氣的實際特點，其中所蘊含的固體顆粒、可凝結(jié)液體也屬于易燃易爆物質(zhì)，需要進行妥善處理。在設(shè)計中，凝淅液收集單元中收集罐的容量需要滿足燃氣輪機從滿負荷運行到安全停機整個過程所需的天然氣量，所以在設(shè)計時需要結(jié)合實際需求預留出一定的容量預留。

2.3.4調(diào)壓單元

根據(jù)實際需求，天然氣調(diào)壓站的調(diào)壓單元可以選用“兩運行一備用”或者“兩、三運行一備用”的機組組合。在設(shè)計中，需要確保每條調(diào)壓支路均能夠串聯(lián)配置隔離球閥、監(jiān)控調(diào)壓器、工作調(diào)壓器以及安全切斷閥。其中，工作調(diào)壓器通常肩負著調(diào)節(jié)調(diào)壓站出口天然氣壓力的作用，確保輸出天然氣能夠滿足燃氣輪機的實際要求;而當工作調(diào)壓器出現(xiàn)故障情況時，監(jiān)控調(diào)壓器將會自行投入運行。另外，在設(shè)計優(yōu)化中，各工作支路與備用支路之間將會處于互為熱備用狀態(tài)，確保天然氣的持續(xù)供應效果。

2.3.5集中放散單元

集中放散單元的主要作用是收集和排放天然氣管道、設(shè)備所滲出、殘留的天然氣，防止出現(xiàn)天然氣外泄，確保整個調(diào)壓站的安全性。

三、結(jié)語

綜上所述，天然氣調(diào)壓站在燃機電廠運行過程中將會發(fā)揮極為重要的作用，需要在進行天然氣調(diào)壓站設(shè)計過程中進行合理配置。本文結(jié)合燃機電廠中燃氣輪機的運行要求，提出天然氣調(diào)壓站的理論設(shè)計方案，從而為燃機電廠的天然氣調(diào)壓站設(shè)計配置提供理論參考。

參考文獻

[1]王國磊，張秀娟.無人值守天然氣調(diào)壓站的功能實現(xiàn)及安全防護管理[J].化工管理，2019，000（013）：135-136.

[2]任淵源，張衛(wèi)靈，光旭，等.三菱M701F4聯(lián)合循環(huán)機組天然氣調(diào)壓站優(yōu)化設(shè)計[J].浙江電力，2018，37（10）：79-83.