調(diào)壓站內(nèi)天然氣熱值自平衡技術(shù)

摘 要

摘要：由于天然氣產(chǎn)地及生產(chǎn)工藝的不同，不同氣源的天然氣其熱值、組分及燃燒特性參數(shù)存在著較大差異。傳統(tǒng)調(diào)壓方式并不能調(diào)配調(diào)壓站出站天然氣的熱值和燃燒特性參數(shù)，對(duì)于進(jìn)入調(diào)
摘要：由于天然氣產(chǎn)地及生產(chǎn)工藝的不同，不同氣源的天然氣其熱值、組分及燃燒特性參數(shù)存在著較大差異。傳統(tǒng)調(diào)壓方式并不能調(diào)配調(diào)壓站出站天然氣的熱值和燃燒特性參數(shù)，對(duì)于進(jìn)入調(diào)壓站的熱值較高的天然氣，出站后的氣源難以完全滿足管網(wǎng)要求。為此，提出一種新穎的調(diào)壓站內(nèi)天然氣熱值自平衡技術(shù)，對(duì)于熱值較高的天然氣，依靠高壓天然氣降壓過(guò)程中“與生俱來(lái)”的壓力能，通過(guò)透平膨脹機(jī)膨脹降壓，同時(shí)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)生產(chǎn)壓縮空氣摻混于降壓后的天然氣中，有效降低天然氣的熱值，使高熱值天然氣的燃燒特性參數(shù)能滿足管網(wǎng)要求，以解決進(jìn)入天然氣管網(wǎng)各氣源熱值不相同帶來(lái)的難題。詳細(xì)介紹了實(shí)施該技術(shù)的設(shè)備構(gòu)成、原理及工作過(guò)程，并對(duì)相關(guān)系統(tǒng)：實(shí)施效果等進(jìn)行了分析。該技術(shù)對(duì)采用多種氣源供氣的城市燃?xì)馄髽I(yè)具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：天然氣；熱值；調(diào)配；透平膨脹機(jī)；壓力能回收
1 問(wèn)題的提出
為了提高天然氣氣源供應(yīng)穩(wěn)定性和可靠性，拓展氣源采購(gòu)范圍，降低采購(gòu)成本，城市燃?xì)馄髽I(yè)通常采用多氣源(管輸天然氣、液化天然氣)同時(shí)對(duì)同一管網(wǎng)供氣，構(gòu)成多氣源供應(yīng)格局。天然氣因?yàn)槠洚a(chǎn)地、生產(chǎn)工藝、來(lái)源的不同，導(dǎo)致其熱值、組分及燃燒特性參數(shù)存在較大差異。管輸氣熱值一般較低，而LNG熱值較高，兩者通常相差8%左右，有時(shí)甚至達(dá)12%(4.2MJ/m3)。
而作為統(tǒng)一的城市天然氣管網(wǎng)，所供應(yīng)的用戶是多種多樣的，情況復(fù)雜。既有對(duì)天然氣組分、熱值要求不太嚴(yán)格的鍋爐等工業(yè)用戶，也有對(duì)組分、熱值相當(dāng)敏感的一些特殊用戶，比如電視機(jī)顯像管及玻璃薄殼管加工企業(yè)等，其對(duì)溫度控制精度要求很高，希望燃?xì)饨M分和熱值相對(duì)平穩(wěn)。此外，還有眾多的擁有各種不同品牌燃?xì)庥镁叩木用裼脩?，天然氣汽車用戶、燃?xì)廨啓C(jī)用戶等。盡管各類用戶對(duì)天然氣氣質(zhì)穩(wěn)定性的具體要求有所不同，但有一點(diǎn)卻是共同的——力求進(jìn)入管網(wǎng)的各類天然氣熱值相同、燃燒特性相符[1]。
如果組分、熱值差異較大的天然氣同時(shí)進(jìn)入一個(gè)管網(wǎng)，將有可能出現(xiàn)如下問(wèn)題：
1) 居民用戶選用的是類別相同、品牌不同的燃具，將導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)不同方位用戶因燃燒不同熱值的天然氣，燃具的實(shí)際熱負(fù)荷有所不同。
2) 因管網(wǎng)各氣源間的“分界面”處于動(dòng)態(tài)變化之中，導(dǎo)致部分用戶(兩種氣源交匯點(diǎn))使用的氣源種類會(huì)反復(fù)變化。
3) 同網(wǎng)用戶同一價(jià)格，導(dǎo)致結(jié)算不公平，損害部分使用低熱值天然氣消費(fèi)者的利益。
4) 部分對(duì)燃?xì)饨M分、熱值要求嚴(yán)格的特殊用戶，使用熱值變化的氣源會(huì)影響其產(chǎn)品質(zhì)量。
2 技術(shù)思路
一般來(lái)說(shuō)，城市燃?xì)馄髽I(yè)的多路天然氣氣源均是從不同方位進(jìn)入接收門站，經(jīng)過(guò)過(guò)濾、計(jì)量、調(diào)節(jié)、加臭等環(huán)節(jié)后進(jìn)入天然氣高壓輸配管網(wǎng)，此時(shí)天然氣的壓力一般較高。來(lái)自高壓管網(wǎng)的高壓天然氣除部分直接供應(yīng)高壓用戶外，大部分則需要通過(guò)設(shè)在城市各個(gè)區(qū)域的調(diào)壓站調(diào)壓，比如減至中壓A級(jí)制(0.2～0.4MPa)后供應(yīng)統(tǒng)一的城市中壓輸配管網(wǎng)，然后供給中壓用戶或通過(guò)低壓調(diào)壓裝置減壓后供應(yīng)給居民用戶和公建、公商、公福等用戶使用。
蘊(yùn)含有大量壓力能的高壓天然氣，大多數(shù)情況下需要在調(diào)壓站通過(guò)調(diào)壓設(shè)備進(jìn)行降壓處理。采用這種傳統(tǒng)的調(diào)壓方式，天然氣自身蘊(yùn)含的壓力能在調(diào)壓設(shè)備降壓過(guò)程中被白白損失掉了，而且降壓過(guò)程還產(chǎn)生大量的噪音；另外，由于設(shè)備急劇降溫，還將有可能對(duì)調(diào)壓及管道設(shè)備運(yùn)行造成威脅甚至損害。同時(shí)，這種傳統(tǒng)調(diào)壓方式并不能調(diào)配調(diào)壓站出站天然氣的熱值和燃燒特性參數(shù)，各個(gè)調(diào)壓站的出站天然氣熱值不一致，燃燒特性參數(shù)也難以完全滿足管網(wǎng)要求。因此，需要實(shí)施一種新技術(shù)，能夠確保各個(gè)調(diào)壓站出站天然氣的熱值和燃燒特性滿足用戶需求。
對(duì)于熱值較高的天然氣(比如LNG)采取降熱值措施，使其保持與基準(zhǔn)氣(占總氣源比例最高的低熱值氣源，比如管輸天然氣)熱值一致，即：在調(diào)壓站安裝一套裝置，取代傳統(tǒng)的調(diào)壓設(shè)備，充分利用天然氣降壓過(guò)程中的壓力能，在解決調(diào)壓?jiǎn)栴}的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)熱值(包括燃燒特性)的調(diào)配(降低)自平衡，這將可以同時(shí)解決上述諸多問(wèn)題[2]。這就是調(diào)壓站內(nèi)天然氣熱值自平衡技術(shù)的基本思路。
3 調(diào)壓站內(nèi)天然氣熱值自平衡技術(shù)
3.1 基本原理
調(diào)壓站內(nèi)天然氣熱值自平衡技術(shù)基本工藝流程如圖1所示。它利用透平膨脹機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)壓設(shè)備將高壓天然氣降壓[3]，并將此過(guò)程的壓力能轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)能，帶動(dòng)壓氣機(jī)生產(chǎn)壓縮空氣[4～5]摻混到已降壓的高熱值天然氣中，使調(diào)壓站出站天然氣熱值得以降低，其壓力等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均與目標(biāo)值一致。一般情況下，此過(guò)程不需要外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，而是回收利用“與生俱來(lái)”的天然氣壓力能。
 

3.2 系統(tǒng)工作過(guò)程與運(yùn)行模式
3.2.1 工作過(guò)程
高壓、高熱值、常溫天然氣(比如氣相LNG)，經(jīng)過(guò)流量計(jì)H后，由調(diào)節(jié)閥A調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入透平膨脹機(jī)T，利用其本身攜帶的壓力能降壓膨脹做功，帶動(dòng)透平膨脹機(jī)T的渦輪旋轉(zhuǎn)。膨脹做功后，3處的天然氣壓力、溫度均下降，通過(guò)調(diào)節(jié)閥B調(diào)壓(有時(shí)還可通過(guò)某些裝置升溫，比如加熱器、壓氣機(jī)冷卻水回水等)后，在5處再與溫度、壓力較高的壓縮空氣摻混，形成4處的熱值、壓力、溫度及燃燒特性均符合要求的“LNG+AIR”混合氣(產(chǎn)品氣)。
透平膨脹機(jī)T同軸驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)C轉(zhuǎn)動(dòng)，從大氣8處吸取空氣并壓縮至一定壓力，溫度、壓力同時(shí)升高，成為6處的壓縮空氣。經(jīng)過(guò)緊急切斷閥L、止回閥E、流量計(jì)G后，由調(diào)節(jié)閥N調(diào)節(jié)流量后，在摻混點(diǎn)5處與LNG混合。經(jīng)壓縮后的高溫空氣與降壓膨脹做功后的低溫LNG混合后正好相互交換熱量，使得4處的混合氣(LNG+AIR)熱值降低，壓力及燃燒特性符合城市中壓管網(wǎng)要求。
3.2.2 運(yùn)行模式
系統(tǒng)還包括發(fā)電機(jī)G與透平膨脹機(jī)T的渦輪聯(lián)動(dòng)，由外部電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)M驅(qū)動(dòng)同軸的壓氣機(jī)C運(yùn)轉(zhuǎn)。1處的高壓LNG驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)T所產(chǎn)生的有效功(凈輸出功)WT與由外部電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)M輸出的有效功WM之和，等于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)C壓縮相應(yīng)流量空氣所需要的功WC、發(fā)電機(jī)G發(fā)電做的功WG及其他損耗所需要的功Wf，即：WT+WM=WC+WG+Wf。
當(dāng)透平膨脹機(jī)T凈輸出功WT大于壓氣機(jī)壓縮所需空氣的功WC與損耗功之和時(shí)，電動(dòng)機(jī)M空載或停運(yùn)，多余的能量驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)G旋轉(zhuǎn)做功，發(fā)出的電力供調(diào)壓站作為站用電自用；當(dāng)透平膨脹機(jī)T凈輸出功WT小于壓氣機(jī)C壓縮所需空氣的功WC與損耗功之和時(shí)，發(fā)電機(jī)G停運(yùn)，電動(dòng)機(jī)M通過(guò)外部電力補(bǔ)充其所需要的能量，電動(dòng)機(jī)M充當(dāng)“補(bǔ)能”角色，在用足LNG壓力能的前提下，起補(bǔ)充能量之作用。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)M與透平膨脹機(jī)T，共同驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)C運(yùn)轉(zhuǎn)。
4 系統(tǒng)相關(guān)說(shuō)明
4.1 備用外部壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)
考慮到主體裝置檢修等因素，系統(tǒng)還設(shè)置有外部空氣供應(yīng)系統(tǒng)，包括安裝在調(diào)壓站非防爆區(qū)域的電動(dòng)空壓機(jī)K、外部壓縮空氣控制閥I、外部壓縮空氣供應(yīng)流量計(jì)J，通過(guò)管道將壓縮空氣送至5處與LNG摻混，同樣可在4處形成符合要求的“LNG+AIR”混合氣(產(chǎn)品氣)。
外部空氣補(bǔ)充回路可彌補(bǔ)壓氣機(jī)C自產(chǎn)空氣不足的問(wèn)題，此時(shí)停運(yùn)電動(dòng)機(jī)M。此外，該空氣補(bǔ)充回路還可用于當(dāng)主體裝置處于故障狀態(tài)(比如透平膨脹機(jī)檢修)時(shí)，與備用調(diào)壓設(shè)備一道，實(shí)現(xiàn)調(diào)配LNG熱值和燃燒特性之目的。
4.2 冷卻水能量回收裝置
該回收裝置包括通過(guò)管道形成回路的壓氣機(jī)水冷系統(tǒng)和透平膨脹機(jī)外殼的水冷夾層。壓氣機(jī)C采用水冷系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)C后的高溫冷卻水由管道被送入透平膨脹機(jī)T外殼的水冷夾層，直接與低溫的渦輪膨脹機(jī)外殼換熱降溫后，再循環(huán)返回進(jìn)入壓氣機(jī)C水冷系統(tǒng)，用于對(duì)壓氣機(jī)軸承等溫升部位降溫，同時(shí)可起到適當(dāng)提高3處LNG溫度的作用。
4.3 壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)
為了確保4處混合氣的壓力恒定，設(shè)置有壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥A、B的開度，調(diào)整進(jìn)入摻混點(diǎn)5處的LNG流量，進(jìn)而確保4處的產(chǎn)品氣壓力符合要求。
4.4 產(chǎn)品熱值調(diào)控
自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)壓氣機(jī)風(fēng)量進(jìn)口控制葉片D和放散閥門F的開度，進(jìn)而調(diào)整在摻混點(diǎn)5處的空氣摻混量，確保4處的產(chǎn)品氣熱值符合要求。4處的檢測(cè)裝置對(duì)混合氣熱值(燃燒特性)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可以檢測(cè)產(chǎn)品氣壓力、組分、熱值、氧氣含量等參數(shù)。中央處理器接收檢測(cè)數(shù)據(jù)并運(yùn)算出壓縮空氣摻混流量，再輸出指令控制空氣摻混量；壓氣機(jī)進(jìn)氣控制葉片D和放散閥門F按中央處理器的輸出指令動(dòng)作達(dá)到適合的開度，對(duì)壓縮空氣進(jìn)氣流量或放散流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保摻混點(diǎn)5處與LNG摻混的空氣量符合要求，進(jìn)而確保4處混合氣熱值恒定。
4.5 安全連鎖裝置
當(dāng)監(jiān)測(cè)到4處混合氣熱值低于某一設(shè)定值、同時(shí)氧氣含量高于某一設(shè)定值時(shí)(兩套不同的檢測(cè)裝置共同實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè))，表明空氣摻混量過(guò)大，控制系統(tǒng)失靈，為安全起見，安全連鎖控制系統(tǒng)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)緊急切斷閥L關(guān)閉，切斷空氣供應(yīng)，確保裝置安全可靠運(yùn)行。止回閥E，可確保LNG不會(huì)竄入壓氣機(jī)空氣系統(tǒng)。壓氣機(jī)C在低負(fù)荷工作狀態(tài)有可能出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，當(dāng)LNG流量低時(shí)空氣放散閥F能夠確保壓氣機(jī)C仍然在高于某一負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，避免喘振現(xiàn)象發(fā)生，多余的空氣量通過(guò)放散閥F放空；發(fā)電機(jī)G出現(xiàn)故障時(shí)，也通過(guò)此放散閥F平衡系統(tǒng)負(fù)荷。
5 實(shí)施效果分析
5.1 特點(diǎn)
該裝置能顯著節(jié)能，同時(shí)可以省卻常規(guī)調(diào)壓設(shè)備的投資，消除運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪音及其相關(guān)管道、設(shè)備由于急冷而存在的安全隱患，具有投資省、運(yùn)行成本低、安全可靠性高、操作方便靈活等特點(diǎn)。
5.2 重質(zhì)組分凝結(jié)問(wèn)題
依據(jù)相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)某調(diào)壓站LNG氣源進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：LNG在透平膨脹機(jī)內(nèi)膨脹做功后的壓力、溫度均下降。以其組分計(jì)算，LNG膨脹做功后的溫度遠(yuǎn)高于其重質(zhì)組分的凝結(jié)溫度(露點(diǎn)溫度)，符合“國(guó)標(biāo)”要求，不具備凝結(jié)條件。況且，從降壓膨脹做功到與后續(xù)摻混點(diǎn)5處與壓縮空氣混合，其間的過(guò)程極短，即便具備條件，凝結(jié)也難以實(shí)現(xiàn)。可見，調(diào)壓過(guò)程不存在天然氣中重質(zhì)組分在透平膨脹機(jī)內(nèi)或管道內(nèi)液化問(wèn)題。待到天然氣與空氣混合，天然氣與空氣的混合氣體露點(diǎn)溫度即刻大幅度降低，更不存在天然氣重質(zhì)組分(C2+)凝結(jié)問(wèn)題。
5.3 混合氣安全性
依據(jù)可燃?xì)怏w爆炸極限計(jì)算公式，對(duì)于上述調(diào)壓站氣源進(jìn)行核算，其爆炸極限為4.49%～14.50%。
按照GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，可燃?xì)怏w允許混入的空氣量必須確?？扇?xì)怏w高于爆炸極限2倍以上，即可燃?xì)怏w含量必須高于29%，空氣含量必須低于61%，而系統(tǒng)中最大空氣含量為12%，安全性完全有保證。況且，混合后氣體溫度一般低于常溫，壓力也不高，安全性能完全夠得到保障。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：羅東曉1，2 1.廣州市煤氣公司；2.華南理工大學(xué))