調壓站內天然氣熱值自平衡技術

摘 要

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
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。詳細介紹了實施該技術的設備構成、原理及工作過程，并對相關系統：實施效果等進行了分析。該技術對采用多種氣源供氣的城市燃氣企業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
1 問題的提出
為了提高天然氣氣源供應穩定性和可靠性，拓展氣源采購范圍，降低采購成本，城市燃氣企業通常采用多氣源(管輸天然氣、液化天然氣)同時對同一管網供氣，構成多氣源供應格局。天然氣因為其產地、生產工藝、來源的不同，導致其熱值、組分及燃燒特性參數存在較大差異。管輸氣熱值一般較低，而LNG熱值較高，兩者通常相差8%左右，有時甚至達12%(4.2MJ/m3)。
而作為統一的城市天然氣管網，所供應的用戶是多種多樣的，情況復雜。既有對天然氣組分、熱值要求不太嚴格的鍋爐等工業用戶，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璃薄殼管加工企業等，其對溫度控制精度要求很高，希望燃氣組分和熱值相對平穩。此外，還有眾多的擁有各種不同品牌燃氣用具的居民用戶，天然氣汽車用戶、燃氣輪機用戶等。盡管各類用戶對天然氣氣質穩定性的具體要求有所不同，但有一點卻是共同的——力求進入管網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進入一個管網，將有可能出現如下問題：
1) 居民用戶選用的是類別相同、品牌不同的燃具，將導致管網內不同方位用戶因燃燒不同熱值的天然氣，燃具的實際熱負荷有所不同。
2) 因管網各氣源間的“分界面”處于動態變化之中，導致部分用戶(兩種氣源交匯點)使用的氣源種類會反復變化。
3) 同網用戶同一價格，導致結算不公平，損害部分使用低熱值天然氣消費者的利益。
4) 部分對燃氣組分、熱值要求嚴格的特殊用戶，使用熱值變化的氣源會影響其產品質量。
2 技術思路
一般來說，城市燃氣企業的多路天然氣氣源均是從不同方位進入接收門站，經過過濾、計量、調節、加臭等環節后進入天然氣高壓輸配管網，此時天然氣的壓力一般較高。來自高壓管網的高壓天然氣除部分直接供應高壓用戶外，大部分則需要通過設在城市各個區域的調壓站調壓，比如減至中壓A級制(0.2～0.4MPa)后供應統一的城市中壓輸配管網，然后供給中壓用戶或通過低壓調壓裝置減壓后供應給居民用戶和公建、公商、公福等用戶使用。
蘊含有大量壓力能的高壓天然氣，大多數情況下需要在調壓站通過調壓設備進行降壓處理。采用這種傳統的調壓方式，天然氣自身蘊含的壓力能在調壓設備降壓過程中被白白損失掉了，而且降壓過程還產生大量的噪音；另外，由于設備急劇降溫，還將有可能對調壓及管道設備運行造成威脅甚至損害。同時，這種傳統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，各個調壓站的出站天然氣熱值不一致，燃燒特性參數也難以完全滿足管網要求。因此，需要實施一種新技術，能夠確保各個調壓站出站天然氣的熱值和燃燒特性滿足用戶需求。
對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：在調壓站安裝一套裝置，取代傳統的調壓設備，充分利用天然氣降壓過程中的壓力能，在解決調壓問題的同時，實現熱值(包括燃燒特性)的調配(降低)自平衡，這將可以同時解決上述諸多問題[2]。這就是調壓站內天然氣熱值自平衡技術的基本思路。
3 調壓站內天然氣熱值自平衡技術
3.1 基本原理
調壓站內天然氣熱值自平衡技術基本工藝流程如圖1所示。它利用透平膨脹機代替傳統調壓設備將高壓天然氣降壓[3]，并將此過程的壓力能轉化成驅動能，帶動壓氣機生產壓縮空氣[4～5]摻混到已降壓的高熱值天然氣中，使調壓站出站天然氣熱值得以降低，其壓力等各項技術參數均與目標值一致。一般情況下，此過程不需要外部動力驅動壓氣機，而是回收利用“與生俱來”的天然氣壓力能。
 

3.2 系統工作過程與運行模式
3.2.1 工作過程
高壓、高熱值、常溫天然氣(比如氣相LNG)，經過流量計H后，由調節閥A調節流量后進入透平膨脹機T，利用其本身攜帶的壓力能降壓膨脹做功，帶動透平膨脹機T的渦輪旋轉。膨脹做功后，3處的天然氣壓力、溫度均下降，通過調節閥B調壓(有時還可通過某些裝置升溫，比如加熱器、壓氣機冷卻水回水等)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(產品氣)。
透平膨脹機T同軸驅動壓氣機C轉動，從大氣8處吸取空氣并壓縮至一定壓力，溫度、壓力同時升高，成為6處的壓縮空氣。經過緊急切斷閥L、止回閥E、流量計G后，由調節閥N調節流量后，在摻混點5處與LNG混合。經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要求。
3.2.2 運行模式
系統還包括發電機G與透平膨脹機T的渦輪聯動，由外部電力驅動的電動機M驅動同軸的壓氣機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)WT與由外部電力驅動的電動機M輸出的有效功WM之和，等于驅動壓氣機C壓縮相應流量空氣所需要的功WC、發電機G發電做的功WG及其他損耗所需要的功Wf，即：WT+WM=WC+WG+Wf。
當透平膨脹機T凈輸出功WT大于壓氣機壓縮所需空氣的功WC與損耗功之和時，電動機M空載或停運，多余的能量驅動發電機G旋轉做功，發出的電力供調壓站作為站用電自用；當透平膨脹機T凈輸出功WT小于壓氣機C壓縮所需空氣的功WC與損耗功之和時，發電機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 系統相關說明
4.1 備用外部壓縮空氣供應系統
考慮到主體裝置檢修等因素，系統還設置有外部空氣供應系統，包括安裝在調壓站非防爆區域的電動空壓機K、外部壓縮空氣控制閥I、外部壓縮空氣供應流量計J，通過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(產品氣)。
外部空氣補充回路可彌補壓氣機C自產空氣不足的問題，此時停運電動機M。此外，該空氣補充回路還可用于當主體裝置處于故障狀態(比如透平膨脹機檢修)時，與備用調壓設備一道，實現調配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管道形成回路的壓氣機水冷系統和透平膨脹機外殼的水冷夾層。壓氣機C采用水冷系統，經過壓氣機C后的高溫冷卻水由管道被送入透平膨脹機T外殼的水冷夾層，直接與低溫的渦輪膨脹機外殼換熱降溫后，再循環返回進入壓氣機C水冷系統，用于對壓氣機軸承等溫升部位降溫，同時可起到適當提高3處LNG溫度的作用。
4.3 壓力自動調節系統
為了確保4處混合氣的壓力恒定，設置有壓力自動調節系統。自動控制系統通過控制調節閥A、B的開度，調整進入摻混點5處的LNG流量，進而確保4處的產品氣壓力符合要求。
4.4 產品熱值調控
自動控制系統通過調節壓氣機風量進口控制葉片D和放散閥門F的開度，進而調整在摻混點5處的空氣摻混量，確保4處的產品氣熱值符合要求。4處的檢測裝置對混合氣熱值(燃燒特性)參數進行實時監控，同時可以檢測產品氣壓力、組分、熱值、氧氣含量等參數。中央處理器接收檢測數據并運算出壓縮空氣摻混流量，再輸出指令控制空氣摻混量；壓氣機進氣控制葉片D和放散閥門F按中央處理器的輸出指令動作達到適合的開度，對壓縮空氣進氣流量或放散流量進行調節，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。
4.5 安全連鎖裝置
當監測到4處混合氣熱值低于某一設定值、同時氧氣含量高于某一設定值時(兩套不同的檢測裝置共同實現對一個參數的監測)，表明空氣摻混量過大，控制系統失靈，為安全起見，安全連鎖控制系統動作，驅動緊急切斷閥L關閉，切斷空氣供應，確保裝置安全可靠運行。止回閥E，可確保LNG不會竄入壓氣機空氣系統。壓氣機C在低負荷工作狀態有可能出現喘振現象，當LNG流量低時空氣放散閥F能夠確保壓氣機C仍然在高于某一負荷狀態下運行，避免喘振現象發生，多余的空氣量通過放散閥F放空；發電機G出現故障時，也通過此放散閥F平衡系統負荷。
5 實施效果分析
5.1 特點
該裝置能顯著節能，同時可以省卻常規調壓設備的投資，消除運行過程中產生的噪音及其相關管道、設備由于急冷而存在的安全隱患，具有投資省、運行成本低、安全可靠性高、操作方便靈活等特點。
5.2 重質組分凝結問題
依據相關計算機軟件對某調壓站LNG氣源進行模擬，結果表明：LNG在透平膨脹機內膨脹做功后的壓力、溫度均下降。以其組分計算，LNG膨脹做功后的溫度遠高于其重質組分的凝結溫度(露點溫度)，符合“國標”要求，不具備凝結條件。況且，從降壓膨脹做功到與后續摻混點5處與壓縮空氣混合，其間的過程極短，即便具備條件，凝結也難以實現。可見，調壓過程不存在天然氣中重質組分在透平膨脹機內或管道內液化問題。待到天然氣與空氣混合，天然氣與空氣的混合氣體露點溫度即刻大幅度降低，更不存在天然氣重質組分(C2+)凝結問題。
5.3 混合氣安全性
依據可燃氣體爆炸極限計算公式，對于上述調壓站氣源進行核算，其爆炸極限為4.49%～14.50%。
按照GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》的要求，可燃氣體允許混入的空氣量必須確保可燃氣體高于爆炸極限2倍以上，即可燃氣體含量必須高于29%，空氣含量必須低于61%，而系統中最大空氣含量為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
[1] 賴元楷，羅東曉.統一天然氣熱值標準是中國天然氣工業發展的需要[J].城市燃氣，2005(7)：7-12.
[2] 羅東曉，歐翔飛.液化天然氣燃具基準氣的選擇[J].煤氣與熱力，2006(2)：31-33.
[3] 段長貴，王民生.燃氣輸配[M].北京：中國建筑工業出版社，2001.
[4] 黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機[M].北京：化學工業出版社，2004.
[5] 清華大學熱能工程系動力機械與工程研究所，深圳南山熱電股份有限公司.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯合循環裝置[M].北京：中國電力出版社，2007.
　
(本文作者：羅東曉1，2 1.廣州市煤氣公司；2.華南理工大學)