大工業(yè)用戶天然氣用氣特點(diǎn)及配套工程設(shè)計(jì)

王澤宗 王振雨 宋朋飛 李 顥

(1.長(zhǎng)春燃?xì)鉄崃υO(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021； 2.遼源市公用事業(yè)服務(wù)中心，吉林 遼源 136200)

1 概述

隨著國(guó)內(nèi)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，配合國(guó)家能源戰(zhàn)略對(duì)天然氣資源的布局，除氣田自產(chǎn)氣外，新時(shí)期下我國(guó)天然氣資源將以進(jìn)口中亞、南亞、俄羅斯管道氣和海運(yùn)LNG為主，在“十四五”期間改變我國(guó)長(zhǎng)期天然氣資源供需矛盾突出的情況。隨著上游氣源的落實(shí)，下游市場(chǎng)開拓會(huì)迎來新一輪增長(zhǎng)期。

天然氣作為燃料及生產(chǎn)原料主要用于鋼鐵、化工、有色金屬冶煉、陶瓷、食品加工、裝備制造等行業(yè)。以吉林省天然氣消費(fèi)結(jié)構(gòu)為例，2019年工業(yè)用氣占比37.2%，高于居民用氣的18%。在天然氣資源供給充分可靠的情況下，工業(yè)企業(yè)“氣代煤”“氣代油”工程會(huì)越來越多，下面將簡(jiǎn)述大工業(yè)用戶的用氣特點(diǎn)和燃?xì)馀涮坠こ淘O(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

2 大工業(yè)用戶的用氣特點(diǎn)

1)企業(yè)生產(chǎn)不可間斷或生產(chǎn)間歇時(shí)間短。除非發(fā)生不可抗力情況，大工業(yè)用戶生產(chǎn)需嚴(yán)格遵照生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行，用氣設(shè)備負(fù)荷大，起爐相對(duì)困難且不可中斷。這要求燃?xì)馄髽I(yè)供氣同樣不可中斷，不能因燃?xì)夤?yīng)不穩(wěn)定影響用戶生產(chǎn)，對(duì)用戶造成經(jīng)濟(jì)損失。

2)大工業(yè)用戶生產(chǎn)用氣量較穩(wěn)定。大工業(yè)用戶根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃，一般月不均勻性波動(dòng)較小，日不均勻性基本不存在波動(dòng)。企業(yè)生產(chǎn)班次采用一班制、二班制、三班制不同，小時(shí)不均勻性存在波動(dòng)的特點(diǎn)。除非出現(xiàn)停產(chǎn)限產(chǎn)的情況外，大工業(yè)用戶其日用氣量和小時(shí)用氣量基本保持穩(wěn)定。

3)大工業(yè)用戶燃燒器要求供氣壓力穩(wěn)定。大工業(yè)用戶用氣設(shè)備配套的燃燒器對(duì)天然氣壓力要求較敏感，一般會(huì)給定供氣壓力區(qū)間，例如30 kPa～ 50 kPa，用氣設(shè)備燃燒器前燃?xì)鈮毫Σ豢筛哂趬毫^(qū)間上限，也不應(yīng)小于壓力區(qū)間下限。燃燒器生產(chǎn)廠家會(huì)根據(jù)工藝要求在燃燒器前設(shè)置天然氣穩(wěn)壓或減壓裝置。

4)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求或?qū)μ烊粴鉄嶂涤刑厥庖蟆４蠊I(yè)用戶根據(jù)其生產(chǎn)工藝，有些用氣設(shè)備對(duì)天然氣熱值要求較嚴(yán)格。以某陶瓷廠為例，其用氣設(shè)備要求天然氣低熱值穩(wěn)定在32 MJ/Nm3，高于或低于這個(gè)值都會(huì)造成煅燒時(shí)間增加或減少，對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定出品有嚴(yán)重影響。

5)燃?xì)夤九c用氣企業(yè)天然氣貿(mào)易計(jì)量結(jié)算。以某鋁廠為例，其在每個(gè)用氣車間都設(shè)置燃?xì)庥?jì)量表，作為考核每個(gè)車間單位產(chǎn)量成本的依據(jù)，出現(xiàn)結(jié)算時(shí)企業(yè)所有計(jì)量表計(jì)數(shù)之和與高中壓調(diào)壓計(jì)量撬中計(jì)量表計(jì)數(shù)有約0.75%的誤差，考慮到該企業(yè)約2 000萬m3的年用氣量，用氣企業(yè)有可能對(duì)此誤差提出異議。

6)廠區(qū)內(nèi)、廠房?jī)?nèi)生產(chǎn)設(shè)備及附屬設(shè)施管道設(shè)置較復(fù)雜。大工業(yè)用戶多為“煤改氣”“油改氣”項(xiàng)目，廠區(qū)內(nèi)、廠房?jī)?nèi)原有生產(chǎn)設(shè)備及附屬設(shè)施、管道設(shè)置復(fù)雜。有些企業(yè)完工較早，基礎(chǔ)資料提供不全，在進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工時(shí)只能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行布置。

3 燃?xì)馀涮坠こ淘O(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1 合理配置氣源、科學(xué)選擇工藝流程及工藝設(shè)備

在管道氣可到達(dá)的區(qū)域，應(yīng)優(yōu)先采用管輸氣資源，利用用氣企業(yè)附近已建天然氣管網(wǎng)。如企業(yè)供氣不可中斷，則應(yīng)根據(jù)企業(yè)周邊LNG接收站或LNG液化工廠的位置，結(jié)合輸氣管道事故狀態(tài)下的中斷時(shí)間，建設(shè)LNG氣化站，為企業(yè)用氣提供雙重氣源保障。

在管道氣無法到達(dá)的區(qū)域。根據(jù)GB/T 51098—2015城市燃?xì)庖?guī)劃規(guī)范相關(guān)條文要求，應(yīng)建設(shè)儲(chǔ)存規(guī)模達(dá)企業(yè)日用氣量3 d～10 d的LNG氣化站作為企業(yè)主氣源，保證應(yīng)急狀態(tài)下的天然氣供應(yīng)安全。

如企業(yè)周邊CNG資源供應(yīng)充足且CNG減壓站可滿足企業(yè)用氣需要，可采用CNG作為企業(yè)主氣源，利用CNG較LNG的價(jià)格差，可顯著降低企業(yè)用氣成本，提高企業(yè)用氣經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)可采用小型LNG儲(chǔ)罐氣化一體撬或儲(chǔ)罐氣化集成應(yīng)急供氣車等方式，保障企業(yè)應(yīng)急用氣需求。

在氣源場(chǎng)站設(shè)備選型和工藝流程確定上一定要考慮到大工業(yè)用戶供氣不可中斷的特點(diǎn)，具體可總結(jié)為過濾、調(diào)壓、計(jì)量應(yīng)設(shè)置備用路，互不影響；工藝設(shè)備用電應(yīng)保證二級(jí)負(fù)荷并與企業(yè)應(yīng)急供電設(shè)施相連；為防止閥門內(nèi)漏造成停氣事故，用氣設(shè)備前預(yù)留閥門設(shè)置雙閥串聯(lián)使用等。

3.2 合理確定供氣壓力

根據(jù)燃燒器的用氣參數(shù)，預(yù)選供氣壓力和管網(wǎng)管徑，根據(jù)廠區(qū)內(nèi)燃?xì)夤芫W(wǎng)的布置情況，對(duì)最不利支路和最有利環(huán)路進(jìn)行水力計(jì)算，避免最不利環(huán)路壓力過低或在其他設(shè)備停用的情況下最有利環(huán)路末端壓力超壓。天然氣經(jīng)濟(jì)流速根據(jù)經(jīng)驗(yàn)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)不宜大于8 m/s，中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)不宜大于20 m/s。

以水力計(jì)算結(jié)果為依據(jù)確定供氣壓力，優(yōu)化燃?xì)夤芫W(wǎng)管徑，提高燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)保障燃燒器在額定工況下工作。

3.3 采用天然氣摻混其他氣體穩(wěn)定熱值

深圳大鵬灣進(jìn)口LNG高熱值可達(dá)49.47 MJ/Nm3，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820—2018天然氣對(duì)二類天然氣高熱值要求不小于31.4 MJ/Nm3，可見不同氣源因氣體組分不同熱值差別較大。

如企業(yè)生產(chǎn)工藝對(duì)天然氣熱值有特殊要求，可在管道設(shè)置在線氣體色譜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)算天然氣熱值，并設(shè)置與氣體色譜儀連鎖的混氣裝置。如需要降低熱值，則可采用天然氣摻混空氣(工藝流程參照?qǐng)D1)；需要增加熱值則采用天然氣摻混氣態(tài)液化石油氣或液化天然氣，根據(jù)燃燒器需用熱值要求和來氣熱值，通過氣體色譜儀在線監(jiān)測(cè)，輔助計(jì)算機(jī)計(jì)算調(diào)整混氣流量。

以某玻璃廠為例，其天然氣氣源由大連LNG接收站海外液化天然氣和中俄東線俄氣組成，兩種氣源的不定期切換造成天然氣供應(yīng)熱值極不穩(wěn)定，自2019年12月～2020年 3月上游氣源熱值波動(dòng)記錄詳見表1。

表1 上游氣源熱值波動(dòng)記錄表

受天然氣熱值波動(dòng)影響，該玻璃廠減產(chǎn)達(dá)10%，產(chǎn)品性能下降，缺陷大幅增多，嚴(yán)重影響產(chǎn)品交付，對(duì)企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。在工程設(shè)計(jì)中，將上游管道天然氣熱值儀的反饋數(shù)據(jù)，連鎖增設(shè)的液化天然氣/空氣調(diào)壓混氣撬，根據(jù)上游來氣熱值相應(yīng)摻混液化天然氣和空氣，確保低位熱值穩(wěn)定在不低于34.32 MJ/Nm3,為生產(chǎn)提供穩(wěn)定熱值的天然氣氣源。

3.4 根據(jù)企業(yè)用氣工況確定計(jì)量方式和計(jì)量表選型

如企業(yè)天然氣用氣是工況穩(wěn)定，波動(dòng)較小的情況，可在調(diào)壓計(jì)量撬內(nèi)采用一塊總表計(jì)量，分成主路和備用路雙路設(shè)置。

如企業(yè)用氣工況不穩(wěn)，波動(dòng)較大，可根據(jù)用氣設(shè)備的用氣工況分組分表進(jìn)行計(jì)量，盡量保證在任意用氣工況下各支路燃?xì)饬髁吭谟?jì)量表的額定流量范圍內(nèi)，降低計(jì)量誤差。

如企業(yè)無法與燃?xì)夤踞槍?duì)燃?xì)庥?jì)量表示數(shù)結(jié)算達(dá)成一致，可在設(shè)備或管道計(jì)量管段前后設(shè)置兩塊相同的計(jì)量表，并保證計(jì)量表安裝的前后直管段要求，根據(jù)同樣壓力、流量的兩塊相同計(jì)量表的讀數(shù)進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算。

3.5 施工圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)廠區(qū)內(nèi)、廠房?jī)?nèi)現(xiàn)狀進(jìn)行優(yōu)化

首先，應(yīng)確認(rèn)廠房事故通風(fēng)設(shè)施設(shè)置情況，通過加設(shè)緊急切斷閥、可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)與防爆軸流風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)，保障廠房?jī)?nèi)用氣安全。其次，燃?xì)夤艿兰案綄俟苤Ъ馨惭b盡量依靠原有設(shè)施及建筑墻體，燃?xì)夤艿姥仄髽I(yè)外墻敷設(shè)應(yīng)確認(rèn)廠房的耐火等級(jí)及火災(zāi)危險(xiǎn)性分類。最后，燃?xì)夤艿啦贾脩?yīng)考慮到廠房?jī)?nèi)原有設(shè)施現(xiàn)狀及工作情況，不要影響到諸如高空天車的吊裝，叉車的搬卸等工作，同時(shí)避免受廢料處置，煙道清掏等作業(yè)影響。要充分考慮一切可能影響燃?xì)夤艿赖囊蛩兀瑢徤鬟x擇燃?xì)夤艿赖墓芪弧?/p>

4 結(jié)論和建議

大工業(yè)用戶是燃?xì)夤镜膬?yōu)質(zhì)客戶，其穩(wěn)定的用氣量和所提供的利潤(rùn)事實(shí)上彌補(bǔ)了燃?xì)夤驹诰用窆馍纤鶐淼奶潛p。一般用氣量3萬Nm3/d的大工業(yè)用戶，其年用氣量已大于一般縣級(jí)行政區(qū)域的居民、商業(yè)用戶年用氣量。因此，設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考量大工業(yè)用戶的特點(diǎn)，有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低大工業(yè)用戶燃?xì)庠O(shè)施的投資成本，保障其用氣的穩(wěn)定性。

在EPC或PC項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)單位應(yīng)對(duì)施工單位的施工全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，且施工過程中不應(yīng)影響大工業(yè)用戶正常生產(chǎn)或?qū)⑸a(chǎn)影響降到最低，同時(shí)施工單位要嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)安全生產(chǎn)規(guī)章制度，杜絕“三違”現(xiàn)象，做好對(duì)相關(guān)人員的教育培訓(xùn)、相關(guān)設(shè)備設(shè)施的維護(hù)保養(yǎng)及檢查等工作，切實(shí)保障施工安全，避免安全事故的發(fā)生。

建議天然氣大工業(yè)用戶可利用調(diào)壓站天然氣減壓過程的壓力能進(jìn)行發(fā)電和加熱天然氣。通過設(shè)置膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組，將加熱天然氣的熱泵機(jī)組使用剩余的發(fā)電功率作為場(chǎng)站自用電或提供給企業(yè)使用，一定程度上降低用電成本。