第29卷第5期天然氣工業(yè)儲運與集輸工程調壓站內天然氣熱值自平衡技術羅東曉,21.廣州市煤氣公司2.華南理工大學羅東曉.調壓站內天然氣熱值自平衡技術,天然氣工業(yè),200929(5):101-103摘要由于天然氣產地及生產工藝的不同,不同氣源的天然氣其熱值、組分及燃燒特性參數存在著較大差異。傳統(tǒng)調壓方式并不能調配調壓站出站天然氣的熱值和燃燒特性參數,對于進入調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要求,為此,提出一種新穎的調壓站內天然氣熱值自平衡技術,對于熱值較高的天然氣,依靠高壓天然氣降壓過程中“與生俱來”的壓力能,通過透平膨脹機膨脹降壓,同時驅動壓氣機生產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能滿足管網要求,以解決進入天然氣管網各氣源熱值不相同帶來的難題。詳細介紹了實施該抆術的設備構成、原理及工作過程,并對相關系統(tǒng)、實施效果等進行了分析。該技術對呆用多種氣源供氣的城市燃氣企業(yè)具有現實的指導意義關鍵詞天然氣熱值調配透平膨脹機壓力能回收Dl:10.3787/j.issn.1000976.2009.05.0241問題的提出如果組分、熱值差異較大的天然氣同時進入一個管網,將有可能出現如下問題:為了提高天然氣氣源供應穩(wěn)定性和可靠性,拓1)居民用戶選用的是類別相同、品牌不同的燃展氣源采購范圍降低采購成本城市燃氣企業(yè)通常具,將導致管網內不同方位用戶因燃燒不同熱值的采用多氣源(管輸天然氣、液化天然氣)同時對同一天然氣燃具的實際熱負荷有所不同管網供氣,構成多氣源供應格局。天然氣因為其產因管網各氣源間的“分界面”處于動態(tài)變化之地、生產工藝、來源的不同,導致其熱值、組分及燃燒中,導致部分用戶(兩種氣源交匯點)使用的氣源種特性參數存在較大差異。管輸氣熱值一般較低,而類會反復變化。LNG熱值較高,兩者通常相差8%左右,有時甚至達3)同網用戶同一價格,導致結算不公平,損害部12%(4.2MJ/m3)。分使用低熱值天然氣消費者的利益。而作為統(tǒng)一的城市天然氣管網,所供應的用戶4)部分對燃氣組分、熱值要求嚴格的特殊用戶是多種多樣的,情況復雜。既有對天然氣組分、熱值使用熱值變化的氣源會影響其產品質量。要求不太嚴格的鍋爐等工業(yè)用戶,也有對組分、熱值相當敏感的一些特殊用戶,比如電視機顯像管及玻2技術思路璃薄殼管加工企業(yè)等,其對溫度控制精度要求很高般來說,城市燃氣企業(yè)的多路天然氣氣源均希望燃氣組分和熱值相對平穩(wěn)。此外,還有眾多的是從不同方位進入接收門站,經過過濾、計量、調節(jié)擁有各種不同品牌燃氣用具的居民用戶,天然氣汽加臭等環(huán)節(jié)后進入天然氣高壓輸配管網,此時天然車用戶、燃氣輪機用戶等。盡管各類用戶對天然氣氣的壓力一般較高。來自高壓管網的高壓天然氣除氣質穩(wěn)定性的具體要求有所不同,但有一點卻是共部分直接供應高壓用戶外,大部分則需要通過設在同的——力求進入管網的各類天然氣熱值相同、燃城市各個區(qū)域的調樂站調壓,比如減至中壓A級制燒特性相符(0.2~0.4MPa)后供應統(tǒng)一的城市中壓輸配管網作者簡介:羅東曉,1961年生,教授級高級τ程師;廣州市煤氣公司副總工程師,中山大學、華南理工大學教授;從事天然氧高效利用及新能源技術研究工作。地址:(510060)廣州市環(huán)市東路416號,電話:(020)87787253,13501520589。Emaldx2005@vipsohu.com儲運與集輸工程天然氣工業(yè)2009年5月然后供給中壓用戶或通過低壓調壓裝置減壓后供應3.2系統(tǒng)工作過程與運行模式給居民用戶和公建、公商、公福等用戶使用3.2.1工作過程蘊含有大量壓力能的高壓天然氣,大多數情況高壓、高熱值、常溫天然氣(比如氣相LNG),經下需要在調壓站通過調壓設備進行降壓處理。采用過流量計H后,由調節(jié)閥A調節(jié)流量后進入透平膨這種傳統(tǒng)的調壓方式,天然氣自身蘊含的壓力能在脹機T利用其本身攜帶的壓力能降壓膨脹做功,帶調壓設備降壓過程中被白白損失掉了,而且降壓過動透平膨脹機T的渦輪旋轉。膨脹做功后,3處的程還產生大量的噪音;另外,由于設備急劇降溫,還天然氣壓力、溫度均下降,通過調節(jié)閥B調壓(有時將有可能對調壓及管道設備運行造成威脅甚至損還可通過某些裝置升溫,比如加熱器、壓氣機冷卻水害。同時,這種傳統(tǒng)調壓方式并不能調配調壓站出回水等)后,在5處再與溫度、壓力較高的壓縮空氣站天然氣的熱值和燃燒特性參數,各個調壓站的出摻混,形成4處的熱值、壓力、溫度及燃燒特性均符站犬然氣熱值不一致,燃燒特性參數也難以完全滿合要求的“LNG+AIR”混合氣(產品氣)。足管網要求。因此,需要實施一種新技術,能夠確保透平膨脹機T同軸驅動壓氣機C轉動,從大氣各個調壓站出站天然氣的熱值和燃燒特性滿足用戶8處吸取空氣并壓縮至一定壓力,溫度、壓力同時升需求高,成為6處的壓縮空氣。經過緊急切斷閥L、止回對于熱值較髙的天然氣(比如LNG)采取降熱閥E、流量計G后,由調節(jié)閥N調節(jié)流量后,在摻混值措施,使其保持與基準氣(占總氣源比例最高的低點5處與LNG混合。經壓縮后的高溫空氣與降壓熱值氣源,比如管輸天然氣)熱值一致,即:在調壓站膨脹做功后的低溫LNG混合后正好相互交換熱量,安裝一套裝置,取代傳統(tǒng)的調壓設備,充分利用天然使得4處的混合氣(LNG十AIR)熱值降低,壓力及氣降壓過程中的壓力能,在解決調壓問題的同時,實燃燒特性符合城市中壓管網要求?，F熱值(包括燃燒特性)的調配(降低)自平衡,這將3.2.2運行模式可以同時解決上述諸多問題121。這就是調壓站內天系統(tǒng)還包括發(fā)電機G與透平膨脹機T的渦輪然氣熱值自平衡技術的基本思路。聯動,由外部電力驅動的電動機M驅動同軸的壓氣3調壓站內天然氣熱值自平衡技術機C運轉。1處的高壓LNG驅動透平膨脹機T所產生的有效功(凈輸出功)Wr與由外部電力驅動的3.1基本原理電動機M輸出的有效功WM之和,等于驅動壓氣機調壓站內天然氣熱值自平衡技術基本工藝流程C壓縮相應流量空氣所需要的功Wc發(fā)電機G發(fā)電如圖1所示。它利用透平膨脹機代替?zhèn)鹘y(tǒng)調壓設備做的功W及其他損耗所需要的功W1,即:Wr+將高壓天然氣降壓3),并將此過程的壓力能轉化成WM=Wc+W+W1。驅動能,帶動壓氣機生產壓縮空氣摻混到已降壓當透平膨脹機T凈輸出功Wr大于壓氣機壓縮的高熱值天然氣中,使調壓站出站天然氣熱值得以所需空氣的功Wc與損耗功之和時,電動機M空載降低,其壓力等各項技術參數均與目標值一致或停運,多余的能量驅動發(fā)電機G旋轉做功,發(fā)出的般情況下,此過程不需要外部動力驅動壓氣機,而是電力供調壓站作為站用電自用;當透平膨脹機T凈回收利用“與生俱來”的天然氣壓力能。輸出功Wr小于壓氣機C壓縮所需空氣的功Wc與損耗功之和時,發(fā)電機G停運,電動機M通過外部電力補充其所需要的能量,電動機M充當“補能”角EG1543色,在用足LNG壓力能的前提下,起補充能量之作用。此時,電動機M與透平膨脹機T,共同驅動壓氣機C運轉。4系統(tǒng)相關說明圖1基本工藝流程示意圖4.1備用外部壓縮空氣供應系統(tǒng)注:T透平膨脹機;M外部電力驅動的電動機;C.壓氣機;G.發(fā)電機:K.外部電力驅動的空氣壓縮機;1,2.高熱值天然氣人口;3.透考慮到主體裝置檢修等因素,系統(tǒng)還設置有外平膨脹機出口∷4,產品氣檢測點5氣體混合點;6.壓氣機出口1、.部空氣供應系統(tǒng),包括安裝在調壓站非防爆區(qū)域的空氣人口電動空壓機K、外部壓縮空氣控制閥I、外部壓縮空第29卷第5期天然氣工業(yè)儲運與集輸工程氣供應流量計J,通過管道將壓縮空氣送至5處與放空;發(fā)電機G出現故障時,也通過此放散閥F平衡LNG摻混,同樣可在4處形成符合要求的“LNG十系統(tǒng)負荷。AIR”混合氣(產品氣)。外部空氣補充回路可彌補壓氣機C自產空氣不S實施效果分析足的問題,此時停運電動機M。此外,該空氣補充回5.1特點路還可用于當主體裝置處于故障狀態(tài)(比如透平膨該裝置能顯著節(jié)能,同時可以省卻常規(guī)調壓設脹機檢修)時,與備用調壓設備一道,實現調配LNG備的投資,消除運行過程中產生的噪音及其相關管熱值和燃燒特性之目的。道、設備由于急冷而存在的安全隱患,具有投資省、4.2冷卻水能量回收裝置運行成本低、安全可靠性高操作方便靈活等特點。該回收裝置包括通過管道形成回路的壓氣機水5.2重質組分凝結問題冷系統(tǒng)和透平膨脹機外殼的水冷夾層。壓氣機C采據相關計算機軟件對某調壓站LNG氣源進用水冷系統(tǒng),經過壓氣機C后的高溫冷卻水由管道行模擬,結果表明:LNG在透平膨脹機內膨脹做功被送入透平膨脹機T外殼的水冷夾層,直接與低溫后的壓力、溫度均下降。以其組分計算,LNG膨脹的渦輪膨脹機外殼換熱降溫后,再循環(huán)返回進入壓做功后的溫度遠高于其重質組分的凝結溫度(露點氣機C水冷系統(tǒng),用于對壓氣機軸承等溫升部位降溫度),符合“國標”要求,不具備凝結條件。況且,從溫,同時可起到適當提高3處LNG溫度的作用降壓膨脹做功到與后續(xù)摻混點5處與壓縮空氣混4.3壓力自動調節(jié)系統(tǒng)合,其間的過程極短,即便具備條件,凝結也難以實為了確保4處混合氣的壓力恒定,設置有壓力現?？梢?調壓過程不存在天然氣中重質組分在透自動調節(jié)系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)通過控制調節(jié)閥A、B平膨脹機內或管道內液化問題。待到天然氣與空氣的開度,調整進入摻混點5處的LNG流量,進而確混合,天然氣與空氣的混合氣體露點溫度即刻大幅保4處的產品氣壓力符合要求度降低,更不存在天然氣重質組分(C2+)凝結問題。4.4產品熱值調控5.3混合氣安全性自動控制系統(tǒng)通過調節(jié)壓氣機風量進口控制葉依據可燃氣體爆炸極限計算公式,對于上述調壓片D和放散閥門F的開度,進而調整在摻混點5處站氣源進行核算,其爆炸極限為4.49%~14.50%的空氣摻混量,確保4處的產品氣熱值符合要求。4按照GB50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》的處的檢測裝置對混合氣熱值(燃燒特性)參數進行實要求,可燃氣體允許混入的空氣量必須確?？扇細鈺r監(jiān)控同時可以檢測產品氣壓力、組分、熱值、氧氣體高于爆炸極限2倍以上,即可燃氣體含量必須高含量等參數。中央處理器接收檢測數據并運算出壓于29%空氣含量必須低于61%而系統(tǒng)中最大空縮空氣摻混流量,再輸出指令控制空氣摻混量;壓氣氣含量為12%安全性完全有保證。況且,混合后氣機進氣控制葉片D和放散閥門F按中央處理器的輸體溫度一般低于常溫,壓力也不高,安全性能完全夠出指令動作達到適合的開度,對壓縮空氣進氣流量或得到保障放散流量進行調節(jié),確保摻混點5處與LNG摻混的空氣量符合要求,進而確保4處混合氣熱值恒定。45安全連鎖裝置[1]賴元楷,羅東曉統(tǒng)一天然氣熱值標準是中國天然氣工業(yè)當監(jiān)測到4處混合氣熱值低于某一設定值、同發(fā)展的需要[J.城市燃氣,2005(7)17-12時氧氣含量高于某一設定值時(兩套不同的檢測裝[2]羅東曉歐翔飛液化天然氣燃具基準氣的選擇[門煤氣置共同實現對一個參數的監(jiān)測)表明空氣摻混量過與熱力,2006(2):31-33.大控制系統(tǒng)失靈,為安全起見,安全連鎖控制系統(tǒng)[3]段長貴,王民生燃氣輸配M北京:中國建筑工業(yè)出版動作,驅動緊急切斷閥L關閉,切斷空氣供應,確保社,2001.裝置安全可靠運行。止回閥E,可確保LNG不會竄[4]黃鐘岳,王曉放透平式壓縮機[M北京:化學工業(yè)出版人壓氣機空氣系統(tǒng)。壓氣機C在低負荷工作狀態(tài)有[5】清華大學熱能工程系動力機械與工程研究所,深圳南山可能出現喘振現象,當LNG流量低時空氣放散閥F熱電股份有限公司.燃氣輪機與燃氣一蒸汽聯合循環(huán)裝能夠確保壓氣機C仍然在高于某一負荷狀態(tài)下運[M].北京:中國電力出版社,2007行,避免喘振現象發(fā)生,多余的空氣量通過放散閥F(修改回稿時間200903-31編輯何明)