聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組調(diào)壓站天然氣加熱方案選擇與應(yīng)用分析

游 健，羅玉威

（廣東粵電新會發(fā)電有限公司，廣東江門 529152）

1 天然氣發(fā)電項(xiàng)目

廣東省江門市新會某發(fā)電廠規(guī)劃建設(shè)容量8×390 MW級天然氣發(fā)電項(xiàng)目，本期工程建設(shè)2×450 MW F級（改進(jìn)型）燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。該項(xiàng)目天然氣調(diào)壓站緊鄰廣東省天然氣管網(wǎng)崖門分輸站布置。調(diào)壓站到天然氣前置模塊管道采用部分埋地、部分架空的布置方式，其中埋地管道約180 m，架空管架約350 m。分輸站提供的供氣參數(shù)為4.0 MPa，冬季最低供氣溫度不低于0℃。

9F.05燃?xì)廨啓C(jī)對天然氣供氣（燃機(jī)天然氣前置模塊流量計(jì)進(jìn)口處）具體參數(shù)要求如下：最大供應(yīng)壓力3.79 MPa，最小供應(yīng)壓力3.63 MPa；溫度8～60℃；單臺燃機(jī)100%負(fù)荷性能保證工況下天然氣流量53 860 kg/h；單臺燃機(jī)100%負(fù)荷最大天然氣流量（冬季工況）56 470 kg/h。

天然氣壓力：天然氣調(diào)壓站入口壓力4.0 MPa，調(diào)壓站出口壓力3.7 MPa。

上游天然氣溫度：0℃（調(diào)壓站入口氣溫，該溫度是天然氣降壓之前的上游來氣溫度）。

降壓過程由于湯姆森效應(yīng)，天然氣溫度降低，按照每1 MPa降低5℃來考慮：從4.0 MPa降低到3.7 MPa，最高降溫1.5℃，則降壓后的天然氣最低溫度為-1.5℃[1-3]。

由于上游氣源的影響，本工程上游交付天然氣氣源溫度為0℃以上，經(jīng)調(diào)壓單元后溫度還將下降1.5℃，而燃機(jī)供氣分界點(diǎn)所需最低溫度為8℃。為滿足燃機(jī)的進(jìn)氣溫度要求，調(diào)壓站內(nèi)需設(shè)置天然氣加熱單元。

2 3種加熱方案

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組天然氣調(diào)壓站內(nèi)的燃?xì)饧訜嵊卸喾N方案，結(jié)合實(shí)際情況，主要考慮凝汽器循環(huán)水回水加熱、余熱鍋爐尾部熱水加熱、電加熱3種方案并進(jìn)行對比分析[4-5]。

方案一：凝汽器循環(huán)水回水加熱方案。在機(jī)組正常運(yùn)行工況下，取自回水母管的循環(huán)水由于已經(jīng)在凝汽器或者其他工藝輔助設(shè)備完成熱交換，具有相對較高溫度，所以送至調(diào)壓站循環(huán)水換熱器后可以滿足把天然氣加熱到燃機(jī)前置模塊入口所需要的溫度。但在冬季首臺機(jī)組啟動工況下，由于整個(gè)機(jī)組尚未啟動，供至調(diào)壓站循環(huán)水換熱器的循環(huán)水回水水溫還比較低，無法把天然氣加熱至燃機(jī)前置模塊需要的溫度，所以此時(shí)需要設(shè)置啟動電加熱系統(tǒng)。

方案二：對鍋爐尾部熱水加熱方案。在機(jī)組正常運(yùn)行工況下，工業(yè)水供至余熱鍋爐尾部換熱器經(jīng)尾部煙氣加熱后，再經(jīng)升壓泵輸送至調(diào)壓站天然氣熱水加熱器，把天然氣加熱至燃機(jī)前置模塊入口要求的溫度。但在冬季首臺機(jī)組啟動工況下，由于機(jī)組尚未啟動，未經(jīng)余熱鍋爐尾部煙氣加熱而供至調(diào)壓站熱水加熱器的工業(yè)水水溫較低，無法把天然氣加熱至燃機(jī)前置模塊需要的溫度，所以此時(shí)需要設(shè)置啟動電加熱系統(tǒng)。方案配置包括2臺50%容量鍋爐尾部換熱器、2臺全容量熱水加熱器和2臺全容量的電加熱器，鍋爐尾部換熱器2臺并聯(lián)運(yùn)行，熱水換熱和電加熱一用一備。

方案三：電加熱器加熱方案。此方案系統(tǒng)簡單，投資較省，但運(yùn)行費(fèi)用較高。

3 3種加熱方案的計(jì)算

3.1 循環(huán)水換熱器容量及啟動電加熱器功率計(jì)算

循環(huán)水換熱方案配置包括2×100%容量的循環(huán)水換熱器，滿足2臺機(jī)組的天然氣加熱需求，換熱器及其輔助設(shè)備一用一備。另外，配置啟動電加熱器，電加熱器容量按滿足單臺機(jī)組的30%流量設(shè)計(jì)。冬季工況的換熱器及其電加熱器功率計(jì)算如表1所示，冬季工況啟動電加熱器計(jì)算結(jié)果如表2所示。在夏季正常運(yùn)行工況下，循環(huán)水換熱器水側(cè)進(jìn)口溫度為40.9℃，若供至換熱器的循環(huán)水流量與冬季工況相同，則換熱器出口天然氣溫度將高于10℃，在燃機(jī)可接受溫度范圍內(nèi)。

表1 冬季機(jī)組正常運(yùn)行工況下循環(huán)水換熱器計(jì)算結(jié)果

表2 冬季工況啟動電加熱器計(jì)算結(jié)果

3.2 鍋爐尾部換熱器、天然氣熱水加熱器容量及啟動電加熱器功率計(jì)算

冬季機(jī)組正常運(yùn)行工況下，鍋爐尾部換熱器、天然氣熱水加熱器計(jì)算結(jié)果如表3所示，冬季工況啟動電加熱器計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 冬季機(jī)組正常運(yùn)行工況下鍋爐尾部換熱器、天然氣熱水加熱器計(jì)算結(jié)果

表4 冬季工況啟動電加熱器計(jì)算結(jié)果

3.3 電加熱器功率計(jì)算

冬季工況電加熱器計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 冬季工況電加熱器計(jì)算結(jié)果

4 靜態(tài)投資和運(yùn)行費(fèi)用比較

4.1 靜態(tài)投資

以上計(jì)算中提到的功率均為額定功率，循環(huán)水換熱器、鍋爐尾部換熱器、熱水加熱器和電加熱器功率按照經(jīng)驗(yàn)一般選擇10%的裕量，根據(jù)計(jì)算過程中制造廠提供的報(bào)價(jià)及考慮設(shè)備容量的裕量后各加熱器單價(jià)如表6所示，3種方案的加熱系統(tǒng)設(shè)備靜態(tài)投資估算如表7所示。

表6 加熱器單價(jià)估算表萬元

表7 3種加熱方案的設(shè)備靜態(tài)投資比較

4.2 運(yùn)行費(fèi)用

3種加熱方案的運(yùn)行費(fèi)用比較如表8所示。

表8 3種加熱方案的運(yùn)行費(fèi)用比較

5 發(fā)電機(jī)組天然氣加熱方案選擇建議

5.1 方案計(jì)算分析結(jié)果

通過以上計(jì)算分析，可得到如下結(jié)果。

a）3種加熱方案中，方案三設(shè)備總價(jià)最低，方案一最高。

b）方案二運(yùn)用鍋爐尾部煙氣加熱的熱水來加熱天然氣，可以充分利用尾部煙氣熱量，僅需要設(shè)置小功率的熱水泵，可以節(jié)省廠用電，設(shè)備估計(jì)造價(jià)稍低于方案一的設(shè)備估計(jì)造價(jià)；但該方案需要在鍋爐尾部增設(shè)加熱器，該加熱器的存在，常年加大了煙道運(yùn)行的阻力，對整個(gè)機(jī)組的出力和效率都有一定影響，與鍋爐廠的配合工作量也較大。

c）方案一利用凝汽器循環(huán)水回水加熱天然氣，可以充分利用回水熱能，僅需要設(shè)置小功率的循環(huán)水升壓泵，節(jié)省廠用電，提高了電廠的熱能利用率。但因?yàn)檠h(huán)水有腐蝕性，循環(huán)水加熱系統(tǒng)的設(shè)備和管道容易受到腐蝕，保養(yǎng)工作量大。

d）方案三投資低，但運(yùn)行費(fèi)用較高，需要消耗較多的廠用電，按目前的年投運(yùn)小時(shí)數(shù)，此方案無優(yōu)勢。

5.2 方案選擇建議

根據(jù)9F.05型燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣使用參數(shù)推薦采用方案一，具體方案如下。

調(diào)壓站設(shè)置2臺采用并聯(lián)方式運(yùn)行的天然氣循環(huán)水熱交換器，正常運(yùn)行時(shí)一運(yùn)一備。熱交換器是一種管殼式換熱器，管側(cè)為天然氣，殼側(cè)為循環(huán)水。凝汽器出口的循環(huán)水通過循環(huán)水升壓泵升壓后，在熱交換器中對天然氣進(jìn)行加熱，換熱后的循環(huán)水經(jīng)過氣水分離器后，回到機(jī)力冷卻塔。

在氣水分離器上設(shè)置有燃?xì)庑孤﹫?bào)警檢測儀，當(dāng)有燃?xì)庑孤﹫?bào)警時(shí)，表明熱交換器有天然氣泄漏。在熱交換器水側(cè)出口管道設(shè)置有流量開關(guān)和溫度開關(guān)，當(dāng)流量開關(guān)顯示流量低于0.5 m3/s，或溫度開關(guān)低于5℃時(shí)，給出報(bào)警信號，表明熱交換器有結(jié)冰的危險(xiǎn)。

冬季啟動時(shí)，凝汽器循環(huán)水回水溫度較低，單用天然氣循環(huán)水熱交換器無法滿足燃機(jī)對天然氣的加熱要求。這時(shí)，熱交換器和電加熱器串聯(lián)使用，共同加熱來滿足燃機(jī)對天然氣的溫度要求。當(dāng)循環(huán)水溫度低于天然氣溫度時(shí)，可停運(yùn)天然氣循環(huán)水熱交換器，采用1臺電加熱器運(yùn)行加熱天然氣。電加熱器由可控硅整流器輸出電流到加熱管進(jìn)行加熱，出口溫控儀表設(shè)定當(dāng)出口天然氣溫度小于25℃時(shí)加熱器輸出功率加熱，超過25℃時(shí)不輸出功率，超溫報(bào)警儀表設(shè)定在加熱器天然氣溫度達(dá)到45℃停止加熱器并發(fā)出超溫報(bào)警。

因聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組多以調(diào)峰為主，早起晚停，以常規(guī)9F.05燃機(jī)天然氣系統(tǒng)參數(shù)為例，調(diào)壓站天然氣進(jìn)氣溫度在-1.2℃～0℃之間，機(jī)組啟動前，采用循環(huán)水換熱器加熱天然氣，調(diào)壓段天然氣出口母管溫度大于11.5℃，仍能滿足燃機(jī)最低工況運(yùn)行，在汽機(jī)并網(wǎng)后循環(huán)水回水溫度逐漸升高，循環(huán)水換熱器效果逐漸穩(wěn)定，天然氣滿足機(jī)組滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行要求。

6 結(jié)束語

綜合考慮整套機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響、靜態(tài)投資、運(yùn)行費(fèi)用等因素，對比凝汽器循環(huán)水回水加熱、余熱鍋爐尾部熱水加熱、電加熱3種方案，凝汽器循環(huán)水回水加熱天然氣的方案雖靜態(tài)投資高，但對機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性影響較小，可避免大量運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)降低機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，且運(yùn)行費(fèi)用小，在安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行上都有較為明顯的優(yōu)勢。另外，從廣東省江門市新會某發(fā)電廠一期2套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組2年時(shí)間的商業(yè)運(yùn)行情況看，凝汽器循環(huán)水回水加熱天然氣的方案完全能滿足燃機(jī)對天然氣溫度的使用要求。