制氮系統在聯合循環電廠應用及效益分析

吳詠康

（福建晉江天然氣發電有限公司 福建晉江 362251）

0 引言

晉江氣電公司#1～#4 機組為F 級燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，每套機組由1 臺S109FA 型燃氣輪機、1 臺D10 型蒸汽輪機、1 臺390H 型發電機和1 臺NG-109FA-R 型余熱鍋爐組成。燃氣輪機所需燃料為天然氣，經中海油LNG 站送到天然氣調壓站系統再分配至各機組。全廠天然氣系統龐大，涉及啟動鍋爐燃料、各機組前置站及燃燒系統。天然氣有易燃易爆特性，投用天然氣設備時，應用氮氣進行吹掃管內空氣，使氧氣濃度小于4%，然后用天然氣吹掃氮氣，使天然氣濃度大于95%。同時由于聯合循環機組啟停靈活的特點，在電網用電低、表現季節性特征情況時，通常需要一部分機組長時間備用，這就需要考慮對余熱鍋爐進行保養，通常使用的也是氮氣。因為聯合循環電廠系統繁雜，通常情況還存在氫氣系統，例如發電機及供氫管線及壓力容器，氮氣也能在檢修工作中使用。

1 制氮系統介紹

1.1 系統介紹

在未安裝制氮系統時，廠區涉及氫氣及天然氣系統，通常使用臨時氮氣瓶組為用戶進行充壓、吹掃、保養或者置換工作，工作繁重且效率低下。在增設制氮設備和氮氣系統后，氮氣直達各用戶，方便運行人員的操作，提升了工作效率。

1.2 制氮原理介紹

目前工業制造生產氮氣方法主要有三種：冷空分法、分子篩空分法、薄膜空分法。晉江氣電公司配備的制氮機使用的方法為分子篩空分法，基本原理就是利用氧氣和氮氣在分子篩吸附劑微孔內擴散速度不同。當空氣經過分子篩時，直徑較小的氧氣以較快的速度向微孔內擴散，并優先被分子篩所吸附，剩下直徑較大的氮分子供用戶使用，而后再采用解吸方法排放分子篩中的含氧量多的成分。因此分子篩空分法要連續生產需使用2 個吸附罐，切換使用。

生產流程如圖1 所示，空氣首先經空壓機壓縮后壓力升為0.8 MPa，經干燥機凈化系統后至全廠公用的儀用空氣儲氣罐，后進入二個填裝吸附劑的變壓吸附分離系統。潔凈的壓縮空氣由吸附塔底端進入，氣流經空氣擴散器擴散以后，均勻進入吸附塔，進行氧、氮吸附分離，然后從出口端流出氮氣，進入氮氣緩沖罐。這一產氮過程約1 min，之后經均壓和減壓，排放出所吸附的氧氣等雜質，完成吸附劑的再生。二個吸附塔交替循環操作，連續送入原料空氣，生產出純度≥99.9%的氮氣，產量為500 Nm3/h，壓力為0.5 MPa～0.7 MPa 之間，可調整。因為壓縮空氣系統為儀用氣已存在，故制氮機可直接從儀用空氣系統接入經處理后的空氣，節約了成本。

圖1 制氮系統生產工藝流程圖

2 氮氣系統布置及應用分析

2.1 全廠氮氣系統的布置

氮氣系統作為易燃易爆壓力容器置換的中間氣體和余熱鍋爐的保養用氣，在聯合循環電廠廣泛應用。全廠氮氣系統的布置主要分為4 個區域：4 臺機組余熱鍋爐和前置站天然氣系統、調壓站天然氣系統、氫站氫氣系統、啟動鍋爐房天然氣系統，具體分布如圖2 所示。

圖2 氮氣用戶系統圖

2.2 應用分析

（1）機組余熱鍋爐充氮保養。為了最大限度減緩聯合循環機組余熱鍋爐水汽系統在長時間機組停機備用期間的腐蝕，提高余熱鍋爐水汽系統的運行安全穩定性。通常在機組備用時間≥7 d 的情況下，采取余熱鍋爐放水，水汽系統采取充氮保養。充氮法保護范圍包括低壓省煤器入口門至進入汽輪機之前的高、中、低壓主蒸汽門之間的全部水汽系統。機組長時間停運后，首先采用熱爐放水余熱烘干法，待整個水汽完成系統放水和余熱烘干后，當汽包溫度降至≤80 ℃時，開始進行充氮氣置換系統內的空氣。汽水系統氮氣置換充壓后，若系統嚴密性良好，則維持系統微正壓，控制汽包壓力在10 kPa～30 kPa范圍內。若系統嚴密性達不到微正壓的要求，則每天向汽水系統內補充氮氣。

（2）天然氣系統、氫氣系統的置換。聯合循環電廠燃料大多數為天然氣，發電機多為氫氣冷卻，因為生產的需要，聯合循環電廠有著復雜的天然氣和氫氣系統。因為氮氣不活潑且價格低廉，為了確保天然氣、氫氣系統的安全運行，常被作為中間氣體置換空氣和危險氣體。在正常使用前，多采用氮氣置換的方式對天然氣、氫氣管道進行吹掃置換。通常在天然氣、氫氣系統投運或者檢修后，使用氮氣進行置換空氣或者危險氣體。氮氣作為中間氣體在系統中可以使天然氣、氫氣和空氣不發生混合，不會發生爆炸事故。

3 制氮機的效益分析

3.1 經濟性分析

當前電網對于燃氣蒸汽聯合循環機組受氣價和電價的影響，通常年運行小時數偏低，電廠從自身經濟利益考慮，會將個別機組作為長時間或者短時間備用。充氮保養對余熱鍋爐汽水系統保護有著積極意義，然而余熱鍋爐氮氣保養對于氮氣消耗是巨大的。同時在天然氣、氫氣系統檢修過程，需要使用大量氮氣進行置換工作。采用三個作業方式對于采購氮氣瓶組與使用制氮機制氮成本進行分析比對，見表1。

表1 用戶使用氮氣瓶組與制氮機經濟分析

余熱鍋爐充氮保養瓶組損耗85 瓶，每瓶氮氣容積40 L，壓力在12 MPa～15 MPa，每瓶氮氣瓶組釋放約6 m3氮氣，經查詢每瓶70 元。余熱鍋爐放水后制氮機運轉約3 h～4 h 方可完成充氮保養，因空氣壓縮機廠用需求為1 臺，在制氮機啟動后需要增開1 臺空壓機，每小時多損耗110 kW，設取平均，電費0.5元/kWh。

故使用氮氣瓶組余熱鍋爐放水后充氮所消耗的金額為：70 元/瓶×85 瓶=5950 元

使用制氮機余熱鍋爐放水后充氮所消耗的金額為：110 kW×4 h×0.5 元/kWh=220 元

使用氮氣瓶組前置站充氮所消耗的金額為：70 元/瓶×20瓶=1400 元

使用制氮機前置站充氮置換所消耗的金額為：150 kWh×0.5 元/kWh=75 元

從余熱鍋爐充氮保養可以看出，相對于氮氣瓶組，制氮機所花費的金額為氮氣瓶組的1/19，其余系統置換工作也類似。因為系統泄漏，處理缺陷時通常需要置換工作。天然氣系統的置換工作較為頻繁，查詢2019 年晉江氣電MIS 涉及氮氣置換天然氣和空氣的操作票共有37 份、涉及余熱鍋爐保養的操作票共有84 份（高、中、低汽包分開保養）。從以上資料得出使用制氮機在聯合循環電廠日常的檢修、維護工作中節約的金額約25 萬元～30 萬元氮氣瓶組花費。但制氮機前期投入大，設備采購及安裝70 萬元，3 年內可回收成本。

3.2 節約人力資源分析

安裝制氮機前，晉江氣電公司在涉及氮氣采購、充氮操作、氮氣瓶組回收及存儲消耗大量的人力資源。在機組停運保養前或者檢修置換工作時，需要通知負責的專業人員提出外委購買氮氣，經計劃經營部批準后，協調氮氣車到廠時間，同時安排倉儲位置，安監部還需監控人員及車輛廠區內的安全，整體工作效率較慢。在遇到節假日期間可能存在氮氣供應不及時，影響檢修和維護工作。運行人員隨時可掌控制氮機，便于產出氮氣后直接接入系統，無需要切換氣瓶，大大提高了工作效率。

4 總結

制氮機在聯合循環電廠使用范圍廣且設備使用率高，運行可靠，運行成本低，是一種高效的現場制氮裝置。在增設制氮設備和氮氣系統后，氮氣直達各用戶，方便操作，避免頻繁采購氮氣瓶組，提升工作效率。