天然氣增壓系統(tǒng)在工業(yè)用戶的應(yīng)用

摘 要

摘要：針對(duì)工業(yè)用戶小流量、高壓力的實(shí)際用氣需要，提出增壓系統(tǒng)工藝流程和壓縮機(jī)及附屬設(shè)備的選型方案，對(duì)調(diào)試運(yùn)行過程中遇到的噪聲問題提出了解決措施。關(guān)鍵詞：天然氣；增壓系統(tǒng)；工
摘要：針對(duì)工業(yè)用戶小流量、高壓力的實(shí)際用氣需要，提出增壓系統(tǒng)工藝流程和壓縮機(jī)及附屬設(shè)備的選型方案，對(duì)調(diào)試運(yùn)行過程中遇到的噪聲問題提出了解決措施。
關(guān)鍵詞：天然氣；增壓系統(tǒng)；工業(yè)用戶；壓縮機(jī)選型
Application of Natural Gas Boosting System to Industrial Users
WANG Ming
Abstract：According to the actual gas consumption requirements of industrial users for small flow rate and high pressure，the technological process of boosting system as well as the selection scheme of compressor and its accessories are put forward. Measures for solving noise problem encountered in commissioning of boosting system are given.
Key words：natural gas；boosting system；industrial user；compressor type selection
1 概述
   隨著天然氣在工業(yè)上應(yīng)用逐漸普及，越來越多的工業(yè)用戶開始改用天然氣作燃料。管網(wǎng)的壓力往往一定，但工業(yè)用戶的用氣壓力卻各不相同。個(gè)別工業(yè)用戶需要的用氣壓力可能會(huì)超過管網(wǎng)的供應(yīng)壓力，這就需要進(jìn)行天然氣增壓。
    天然氣增壓系統(tǒng)主要在氣田、大型氣站[1]和電力行業(yè)[2]運(yùn)用較多，但在工業(yè)用戶的小用氣量增壓上目前應(yīng)用較少。因此一些用戶在有管道氣供應(yīng)的情況下不得不采用液化石油氣瓶組[3]或者液化天然氣瓶組[4]供氣來保證特殊生產(chǎn)要求，增加了運(yùn)行成本和安全成本。針對(duì)這類用氣情況，需要一種合適的增壓系統(tǒng)來滿足用戶需求，同時(shí)該系統(tǒng)應(yīng)具有資金投入少、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、使用方便安全、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
2 工程實(shí)例概況
    北方地區(qū)一家工業(yè)用戶，生產(chǎn)工藝過程有一道工序需要燃?xì)鈮毫?.10～0.12MPa，用氣量為30m3/h，但是管網(wǎng)供應(yīng)壓力范圍為0.08～0.12MPa，大部分時(shí)間穩(wěn)定在0.10MPa，一旦供氣壓力低于0.10MPa，生產(chǎn)就面臨停產(chǎn)。用戶經(jīng)過討論后對(duì)增壓系統(tǒng)提出以下要求：當(dāng)管網(wǎng)供應(yīng)的天然氣壓力在0.10MPa以上時(shí)直接使用管網(wǎng)供氣，增壓系統(tǒng)不工作；當(dāng)管網(wǎng)供應(yīng)的天然氣壓力在0.10MPa以下時(shí)靠增壓系統(tǒng)供氣，當(dāng)一臺(tái)壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作后，出口溫度高于70℃時(shí)自動(dòng)切換到另外一臺(tái)壓縮機(jī)工作。
3 工程分析
    用戶提出的要求，在實(shí)際中雖然能夠?qū)崿F(xiàn)，但是實(shí)施起來會(huì)面臨兩個(gè)問題：
    ① 用戶要求的系統(tǒng)是兩臺(tái)設(shè)備交替使用，沒有備用設(shè)備，如果一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)供應(yīng)。
    ② 系統(tǒng)的布置和控制要求比較繁瑣復(fù)雜，在使用的考慮上傾向于自動(dòng)，增加了不可靠度。
    出于投資和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、使用方便安全、維護(hù)簡(jiǎn)單的考慮，我們對(duì)用戶的要求進(jìn)行了修正并且對(duì)用戶顧慮的問題進(jìn)行了考慮。壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)必然導(dǎo)致運(yùn)行部件的溫度升高，效率降低，因此需要間歇停機(jī)以保證壓縮機(jī)有冷卻時(shí)間。因此，可以考慮使用儲(chǔ)氣罐進(jìn)行氣體儲(chǔ)存，能夠保證臨時(shí)供氣，使壓縮機(jī)具有足夠的冷卻時(shí)間。
    另外，入口氣體溫度和壓縮比的增加也會(huì)使出口氣體溫度增加，同時(shí)使設(shè)備工作部件溫度升高，因此，壓縮機(jī)的壓縮比不能過高，當(dāng)環(huán)境氣溫過高時(shí)可考慮采用水冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。這樣就解決了單機(jī)運(yùn)行溫度過高的問題，從而可以采用一開一備的運(yùn)行模式，即使單臺(tái)壓縮機(jī)出現(xiàn)問題，備用壓縮機(jī)可以很快地投入工作，不至于對(duì)生產(chǎn)造成影響。同時(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜性和組成部件數(shù)量都大大降低。
4 設(shè)計(jì)總體思路
增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路見圖1。
 

   按照GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》要求，增壓裝置前需有緩沖裝置。壓縮機(jī)的排氣量不能超過管網(wǎng)供氣量，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)有一段長(zhǎng)度約100m的DN 200mm的管道專用于該道工序，管道的額定供氣量在200m3/h以上，遠(yuǎn)超過實(shí)際用氣量，因此該管道可視為緩沖裝置。壓縮機(jī)設(shè)備嚴(yán)禁水、塵進(jìn)入，增壓前要具有氣液分離、氣體過濾等程序，最后氣體升壓后要進(jìn)入儲(chǔ)氣罐緩沖儲(chǔ)存，由于壓縮機(jī)停機(jī)后儲(chǔ)氣罐上游壓力將低于儲(chǔ)氣罐，因此進(jìn)入儲(chǔ)氣罐前應(yīng)設(shè)置止回閥。儲(chǔ)氣罐的高壓氣體不能直接應(yīng)用于工序，需要經(jīng)過調(diào)壓裝置調(diào)壓后方能使用。由于旁通路連接上游，必然導(dǎo)致儲(chǔ)氣罐調(diào)壓后壓力高于旁通路的上游壓力，因此旁通路也要設(shè)置止回閥。
5 方案設(shè)計(jì)
5.1 壓縮機(jī)出口溫度的計(jì)算
壓縮機(jī)出口溫度是整個(gè)方案設(shè)計(jì)考慮的核心因素，因此首先要計(jì)算在不同壓縮比下的壓縮機(jī)出口溫度，以選擇合適的壓縮比。壓縮機(jī)出口溫度的近似計(jì)算公式為：
 
式中T2——壓縮機(jī)出口溫度，K
    T1——壓縮機(jī)入口溫度，K
    p1——壓縮機(jī)出口壓力，MPa
    p2——壓縮機(jī)入口壓力，MPa
    κ——等熵指數(shù)，天然氣等熵指數(shù)取1.27
    管網(wǎng)出現(xiàn)最不利壓力為0.08MPa，夏天天然氣入口溫度為303K，冬天天然氣入口溫度為273K，計(jì)算結(jié)果見表1、2。
表1 夏天壓縮機(jī)出口溫度
入口絕對(duì)壓力/MPa
出口絕對(duì)壓力/MPa
壓縮比
出口溫度/℃
0.18
0.20
1.11
36.86
0.18
0.30
1.67
64.76
0.18
0.40
2.22
86.06
0.18
0.50
2.78
103.51
0.18
0.60
3.33
118.39
表2 冬天壓縮機(jī)出口溫度
入口絕對(duì)壓力/MPa
出口絕對(duì)壓力/MPa
壓縮比
出口溫度/℃
0.18
0.20
1.11
6.18
0.18
0.30
1.67
31.32
0.18
0.40
2.22
50.51
0.18
0.50
2.78
66.23
0.18
0.60
3.33
79.64
    根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，夏季壓縮機(jī)壓縮比達(dá)到2.22時(shí)，壓縮機(jī)出口絕對(duì)壓力為0.4MPa，此時(shí)溫度達(dá)到了86.06℃，已經(jīng)超過了用戶所要求的70℃，因此需要采取水冷降溫。另外，隨著溫度的升高，氣體體積膨脹，可壓縮性降低，壓縮機(jī)的工作效率也會(huì)降低。冬季出于設(shè)備安全考慮，停用水冷系統(tǒng)，則壓縮比為2.78比較合適，此時(shí)的出口絕對(duì)壓力為0.5MPa，出口溫度為66.23℃，滿足用戶的要求。因此確定設(shè)計(jì)壓縮比為2.78，春季和秋季在該壓縮比下根據(jù)平均進(jìn)氣溫度計(jì)算也需采用水冷系統(tǒng)降溫。按照確定的壓縮比，出口絕對(duì)壓力為0.5MPa，儲(chǔ)罐增壓到該壓力時(shí)，壓縮機(jī)就停機(jī)冷卻。這樣，在冬季僅靠風(fēng)冷就能滿足使用要求，春夏秋季都需要開啟水冷系統(tǒng)降溫。
5.2 儲(chǔ)氣罐的選擇
    由于儲(chǔ)氣罐后有調(diào)壓設(shè)備，因此儲(chǔ)氣罐內(nèi)要保證0.2MPa以上的壓力，后續(xù)的調(diào)壓設(shè)備才有足夠的入口壓力進(jìn)行調(diào)壓。而壓縮機(jī)冷卻時(shí)間以10min左右為合適，因此儲(chǔ)氣罐的儲(chǔ)存量要保證10min用氣量。按照30m3/h的用氣量，10min用氣量約5m3。儲(chǔ)氣罐從0.4MPa降壓到0.2MPa要保證氣量為5m3，換算成工況體積為2.5m3，考慮安全余量，按計(jì)算結(jié)果的1.2倍選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格儲(chǔ)罐為3m3。
5.3 壓縮機(jī)的選擇
   壓縮機(jī)工作時(shí)間為每1h工作50min，要同時(shí)供應(yīng)生產(chǎn)用氣和儲(chǔ)罐儲(chǔ)存用氣，合計(jì)為35m3。這里采用保守計(jì)算，近似地按照標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的氣量來確定活塞的排氣量，計(jì)算出壓縮機(jī)排氣量需滿足42m3/h。
   由于用氣量小，可以選擇小型活塞式壓縮機(jī)。壓縮的介質(zhì)為可燃?xì)怏w，對(duì)密封要求較高，可采用雙密封無油潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)來保證密封效果。要保證壓縮機(jī)在夏天出口溫度不要過高，壓縮機(jī)上還需帶有水循環(huán)系統(tǒng)，保證壓縮機(jī)正常使用和效率。電機(jī)及其他檢測(cè)設(shè)備均要采用隔爆產(chǎn)品，適用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。
5.4 調(diào)壓設(shè)備的選擇
   調(diào)壓設(shè)備也采取一開一備形式，壓力從0.2～0.4MPa調(diào)到0.12MPa后供生產(chǎn)使用。調(diào)壓設(shè)備流量要滿足最小壓差下30m3/h即可。
6 方案確定
6.1 方案簡(jiǎn)介
   采用活塞式壓縮機(jī)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力下降到0.2MPa時(shí)候，壓縮機(jī)工作，將壓力提升到0.4MPa。由于場(chǎng)地大小限制，整體進(jìn)行橇裝，以節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)空間，與入口緩沖管道及儲(chǔ)氣罐的連接到現(xiàn)場(chǎng)后再進(jìn)行。控制系統(tǒng)及其附件也集成到橇體。當(dāng)采取壓縮機(jī)路供氣的時(shí)候，旁通路處于自動(dòng)關(guān)閉狀態(tài)。由于管道和閥門管路存在壓力損失，因此實(shí)際設(shè)置管網(wǎng)壓力要高于0.11MPa時(shí)才使用旁通路，以保證進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)的壓力能達(dá)到最低要求(0.1MPa)。
6.2 工藝流程
   增壓系統(tǒng)工藝流程見圖2。

   增壓前天然氣經(jīng)過緩沖管道，這樣能夠讓氣體有一定的緩沖，避免壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)上游管道壓力下降；入口處設(shè)置有P-1號(hào)壓力變送器，用于檢測(cè)管網(wǎng)壓力是否滿足使用要求，以便決定是采用增壓系統(tǒng)供氣還是采用管網(wǎng)供氣；入口處的S-1號(hào)電磁閥主要是用于出現(xiàn)緊急情況時(shí)切斷。
    壓縮機(jī)采用一開一備形式，工作壓縮機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī)報(bào)警后，值班人員可關(guān)閉故障壓縮機(jī)進(jìn)出閥門，等待維修，同時(shí)打開備用壓縮機(jī)進(jìn)出口閥門進(jìn)行控制操作后接替運(yùn)行，以滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要。壓縮機(jī)進(jìn)出口都采用金屬軟管連接，防止機(jī)械振動(dòng)順管道傳遞；壓縮機(jī)入口設(shè)置有帶過濾的氣液分離器，防止管壁內(nèi)銹蝕物和水分進(jìn)入壓縮機(jī)；壓縮機(jī)出口設(shè)置有溫度變送器，用于檢測(cè)壓縮機(jī)出口的排氣溫度，進(jìn)行連鎖保護(hù)。
    進(jìn)入儲(chǔ)氣罐前設(shè)置止回閥，防止壓縮機(jī)停機(jī)后儲(chǔ)罐內(nèi)氣體倒流。儲(chǔ)氣罐能夠儲(chǔ)存一定量的氣體供生產(chǎn)工序使用，從而保證壓縮機(jī)有間歇的冷卻時(shí)間。儲(chǔ)氣罐出口設(shè)置有P-2號(hào)壓力變送器，用于檢測(cè)儲(chǔ)氣罐的壓力，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行連鎖控制，以保證儲(chǔ)氣罐壓力保持在設(shè)定范圍內(nèi)。
    由于儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力高于生產(chǎn)工序需要的壓力，因此需要對(duì)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體經(jīng)過調(diào)壓后再進(jìn)行使用。調(diào)壓后設(shè)置有S-3號(hào)電磁閥，當(dāng)使用增壓系統(tǒng)時(shí)S-3號(hào)電磁閥打開，S-2號(hào)電磁閥關(guān)閉；當(dāng)使用旁通路時(shí)，S-2號(hào)電磁閥打開，S-3號(hào)電磁閥關(guān)閉。由于采用增壓路時(shí)一般要取生產(chǎn)工藝要求的最優(yōu)工作壓力，因此設(shè)置調(diào)壓器出口壓力為0.12MPa，比管網(wǎng)的壓力要高，故旁通路生產(chǎn)工藝要設(shè)置止回閥。   
6.3 控制系統(tǒng)
增壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)見圖3。
 

由于兩臺(tái)壓縮機(jī)為一開一備，控制操作相同，為方便圖示，圖3中以單臺(tái)壓縮機(jī)的控制為例。該套系統(tǒng)需設(shè)置弱電K1控制箱和強(qiáng)電K2控制箱，K1控制箱用于接收檢測(cè)儀器的信號(hào)來控制電磁閥的關(guān)開，同時(shí)發(fā)信號(hào)給K2控制箱以啟動(dòng)和關(guān)閉電機(jī)。
    該套控制系統(tǒng)分為供氣選擇控制、儲(chǔ)氣罐增壓控制和保護(hù)控制3部分。
    供氣選擇控制：入口P-1號(hào)壓力變送器檢測(cè)到管網(wǎng)壓力高于0.11MPa時(shí)，調(diào)壓設(shè)備出口的S-3號(hào)電磁閥關(guān)閉，此時(shí)旁通路S-2號(hào)電磁閥打開，由管網(wǎng)直接供氣。當(dāng)入口檢測(cè)出來的壓力低于0.105MPa時(shí)，旁通路S-2號(hào)電磁閥關(guān)閉，S-3號(hào)電磁閥打開，開始使用儲(chǔ)氣罐中的氣體。
    儲(chǔ)氣罐增壓控制：在使用儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體時(shí)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐的出口P-2號(hào)壓力變送器檢測(cè)的壓力低于0.2MPa時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)儲(chǔ)氣罐中的壓力增到0.4MPa時(shí)，壓縮機(jī)停機(jī)。
    保護(hù)控制：當(dāng)壓縮機(jī)出口溫度變送器檢測(cè)到溫度超過70℃時(shí)，壓縮機(jī)停機(jī)，并進(jìn)行報(bào)警，此時(shí)壓縮機(jī)不能再次啟動(dòng)，待排除故障后才能再次啟動(dòng)。
    當(dāng)泄漏報(bào)警探頭檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)泄漏，入口處S-1號(hào)電磁閥關(guān)閉，壓縮機(jī)停機(jī)，并進(jìn)行報(bào)警，此時(shí)壓縮機(jī)不能再次啟動(dòng)，待排除故障后才能再次啟動(dòng)。
7 項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)行情況
該套系統(tǒng)于2011年8月上旬開始?jí)嚎s機(jī)系統(tǒng)整體成橇和控制系統(tǒng)制作，8月下旬橇體運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行管道連接、棚架安裝、電氣安裝，9月初運(yùn)行調(diào)試。經(jīng)過一段時(shí)間的使用，工作情況保持穩(wěn)定。增壓系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)見圖4。
 

    該增壓系統(tǒng)試運(yùn)行時(shí)噪聲較大，主要出現(xiàn)在儲(chǔ)氣罐處。由于現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)進(jìn)出口都采用軟管連接，并且噪聲是在增壓的高壓階段出現(xiàn)，因此不是振動(dòng)引起。我們對(duì)此進(jìn)行了分析，噪聲可能是由以下原因造成：進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣流速度過快，產(chǎn)生了噪聲(聽起來類似口哨聲)，同時(shí)儲(chǔ)氣罐的體積較大且罐壁薄，對(duì)噪聲進(jìn)行了放大。如果能夠分散進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣流，噪聲可能會(huì)相應(yīng)降低。于是制作了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的擋板(見圖5)裝于儲(chǔ)氣罐內(nèi)部進(jìn)氣口處。安裝完成后，經(jīng)過實(shí)際使用驗(yàn)證，整體噪聲大大降低。
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(本文作者：王明 廣州多美時(shí)燃?xì)庠O(shè)備有限公司 廣東廣州 510170)