第29卷第5期天然氣工業(yè)儲運(yùn)與集輸工程調(diào)壓站內(nèi)天然氣熱值自平衡技術(shù)羅東曉,21.廣州市煤氣公司2.華南理工大學(xué)羅東曉.調(diào)壓站內(nèi)天然氣熱值自平衡技術(shù),天然氣工業(yè),200929(5):101-103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(jī)膨脹降壓,同時(shí)驅(qū)動壓氣機(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的難題。詳細(xì)介紹了實(shí)施該抆術(shù)的設(shè)備構(gòu)成、原理及工作過程,并對相關(guān)系統(tǒng)、實(shí)施效果等進(jìn)行了分析。該技術(shù)對呆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(shí)進(jìn)入一個(gè)管網(wǎng),將有可能出現(xiàn)如下問題:為了提高天然氣氣源供應(yīng)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?xì)馄髽I(yè)通常具,將導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)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(shí)對同一天然氣燃具的實(shí)際熱負(fù)荷有所不同管網(wǎng)供氣,構(gòu)成多氣源供應(yīng)格局。天然氣因?yàn)槠洚a(chǎn)因管網(wǎng)各氣源間的“分界面”處于動態(tài)變化之地、生產(chǎn)工藝、來源的不同,導(dǎo)致其熱值、組分及燃燒中,導(dǎo)致部分用戶(兩種氣源交匯點(diǎn))使用的氣源種特性參數(shù)存在較大差異。管輸氣熱值一般較低,而類會反復(fù)變化。LNG熱值較高,兩者通常相差8%左右,有時(shí)甚至達(dá)3)同網(wǎng)用戶同一價(jià)格,導(dǎo)致結(jié)算不公平,損害部12%(4.2MJ/m3)。分使用低熱值天然氣消費(fèi)者的利益。而作為統(tǒng)一的城市天然氣管網(wǎng),所供應(yīng)的用戶4)部分對燃?xì)饨M分、熱值要求嚴(yán)格的特殊用戶是多種多樣的,情況復(fù)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(chǎn)品質(zhì)量。要求不太嚴(yán)格的鍋爐等工業(yè)用戶,也有對組分、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2技術(shù)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?xì)馄髽I(yè)的多路天然氣氣源均希望燃?xì)饨M分和熱值相對平穩(wěn)。此外,還有眾多的是從不同方位進(jìn)入接收門站,經(jīng)過過濾、計(jì)量、調(diào)節(jié)擁有各種不同品牌燃?xì)庥镁叩木用裼脩?天然氣汽加臭等環(huán)節(jié)后進(jìn)入天然氣高壓輸配管網(wǎng),此時(shí)天然車用戶、燃?xì)廨啓C(jī)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(wǎng)的高壓天然氣除氣質(zhì)穩(wěn)定性的具體要求有所不同,但有一點(diǎn)卻是共部分直接供應(yīng)高壓用戶外,大部分則需要通過設(shè)在同的——力求進(jìn)入管網(wǎng)的各類天然氣熱值相同、燃城市各個(gè)區(qū)域的調(diào)樂站調(diào)壓,比如減至中壓A級制燒特性相符(0.2~0.4MPa)后供應(yīng)統(tǒng)一的城市中壓輸配管網(wǎng)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(xué)、華南理工大學(xué)教授;從事天然氧高效利用及新能源技術(shù)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(yùn)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(diào)壓裝置減壓后供應(yīng)3.2系統(tǒng)工作過程與運(yùn)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(yùn)含有大量壓力能的高壓天然氣,大多數(shù)情況高壓、高熱值、常溫天然氣(比如氣相LNG),經(jīng)下需要在調(diào)壓站通過調(diào)壓設(shè)備進(jìn)行降壓處理。采用過流量計(jì)H后,由調(diào)節(jié)閥A調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入透平膨這種傳統(tǒng)的調(diào)壓方式,天然氣自身蘊(yùn)含的壓力能在脹機(jī)T利用其本身攜帶的壓力能降壓膨脹做功,帶調(diào)壓設(shè)備降壓過程中被白白損失掉了,而且降壓過動透平膨脹機(jī)T的渦輪旋轉(zhuǎn)。膨脹做功后,3處的程還產(chǎn)生大量的噪音;另外,由于設(shè)備急劇降溫,還天然氣壓力、溫度均下降,通過調(diào)節(jié)閥B調(diào)壓(有時(shí)將有可能對調(diào)壓及管道設(shè)備運(yùn)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(jī)冷卻水害。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(shù),各個(gè)調(diào)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(shù)也難以完全滿合要求的“LNG+AIR”混合氣(產(chǎn)品氣)。足管網(wǎng)要求。因此,需要實(shí)施一種新技術(shù),能夠確保透平膨脹機(jī)T同軸驅(qū)動壓氣機(jī)C轉(zhuǎn)動,從大氣各個(gè)調(diào)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(shí)升需求高,成為6處的壓縮空氣。經(jīng)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(jì)G后,由調(diào)節(jié)閥N調(diào)節(jié)流量后,在摻混值措施,使其保持與基準(zhǔn)氣(占總氣源比例最高的低點(diǎn)5處與LNG混合。經(jīng)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(diào)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(diào)壓設(shè)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(diào)壓問題的同時(shí),實(shí)燃燒特性符合城市中壓管網(wǎng)要求?，F(xiàn)熱值(包括燃燒特性)的調(diào)配(降低)自平衡,這將3.2.2運(yùn)行模式可以同時(shí)解決上述諸多問題121。這就是調(diào)壓站內(nèi)天系統(tǒng)還包括發(fā)電機(jī)G與透平膨脹機(jī)T的渦輪然氣熱值自平衡技術(shù)的基本思路。聯(lián)動,由外部電力驅(qū)動的電動機(jī)M驅(qū)動同軸的壓氣3調(diào)壓站內(nèi)天然氣熱值自平衡技術(shù)機(jī)C運(yùn)轉(zhuǎn)。1處的高壓LNG驅(qū)動透平膨脹機(jī)T所產(chǎn)生的有效功(凈輸出功)Wr與由外部電力驅(qū)動的3.1基本原理電動機(jī)M輸出的有效功WM之和,等于驅(qū)動壓氣機(jī)調(diào)壓站內(nèi)天然氣熱值自平衡技術(shù)基本工藝流程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(zhuǎn)化成WM=Wc+W+W1。驅(qū)動能,帶動壓氣機(jī)生產(chǎn)壓縮空氣摻混到已降壓當(dāng)透平膨脹機(jī)T凈輸出功Wr大于壓氣機(jī)壓縮的高熱值天然氣中,使調(diào)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(shí),電動機(jī)M空載降低,其壓力等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均與目標(biāo)值一致或停運(yùn),多余的能量驅(qū)動發(fā)電機(jī)G旋轉(zhuǎn)做功,發(fā)出的般情況下,此過程不需要外部動力驅(qū)動壓氣機(jī),而是電力供調(diào)壓站作為站用電自用;當(dāng)透平膨脹機(jī)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(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),電動機(jī)M通過外部電力補(bǔ)充其所需要的能量,電動機(jī)M充當(dāng)“補(bǔ)能”角EG1543色,在用足LNG壓力能的前提下,起補(bǔ)充能量之作用。此時(shí),電動機(jī)M與透平膨脹機(jī)T,共同驅(qū)動壓氣機(jī)C運(yùn)轉(zhuǎn)。4系統(tǒng)相關(guān)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(yīng)系統(tǒng)注:T透平膨脹機(jī);M外部電力驅(qū)動的電動機(jī);C.壓氣機(jī);G.發(fā)電機(jī):K.外部電力驅(qū)動的空氣壓縮機(jī);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(shè)置有外平膨脹機(jī)出口∷4,產(chǎn)品氣檢測點(diǎn)5氣體混合點(diǎn);6.壓氣機(jī)出口1、.部空氣供應(yīng)系統(tǒng),包括安裝在調(diào)壓站非防爆區(qū)域的空氣人口電動空壓機(jī)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(yùn)與集輸工程氣供應(yīng)流量計(jì)J,通過管道將壓縮空氣送至5處與放空;發(fā)電機(jī)G出現(xiàn)故障時(shí),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(fù)荷。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S實(shí)施效果分析足的問題,此時(shí)停運(yùn)電動機(jī)M。此外,該空氣補(bǔ)充回5.1特點(diǎn)路還可用于當(dāng)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(shí)可以省卻常規(guī)調(diào)壓設(shè)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備的投資,消除運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音及其相關(guān)管熱值和燃燒特性之目的。道、設(shè)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(yùn)行成本低、安全可靠性高操作方便靈活等特點(diǎn)。該回收裝置包括通過管道形成回路的壓氣機(jī)水5.2重質(zhì)組分凝結(jié)問題冷系統(tǒng)和透平膨脹機(jī)外殼的水冷夾層。壓氣機(jī)C采據(jù)相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件對某調(diào)壓站LNG氣源進(jìn)用水冷系統(tǒng),經(jīng)過壓氣機(jī)C后的高溫冷卻水由管道行模擬,結(jié)果表明:LNG在透平膨脹機(jī)內(nèi)膨脹做功被送入透平膨脹機(jī)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(jì)算,LNG膨脹的渦輪膨脹機(jī)外殼換熱降溫后,再循環(huán)返回進(jìn)入壓做功后的溫度遠(yuǎn)高于其重質(zhì)組分的凝結(jié)溫度(露點(diǎn)氣機(jī)C水冷系統(tǒng),用于對壓氣機(jī)軸承等溫升部位降溫度),符合“國標(biāo)”要求,不具備凝結(jié)條件。況且,從溫,同時(shí)可起到適當(dāng)提高3處LNG溫度的作用降壓膨脹做功到與后續(xù)摻混點(diǎn)5處與壓縮空氣混4.3壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)合,其間的過程極短,即便具備條件,凝結(jié)也難以實(shí)為了確保4處混合氣的壓力恒定,設(shè)置有壓力現(xiàn)。可見,調(diào)壓過程不存在天然氣中重質(zhì)組分在透自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)通過控制調(diào)節(jié)閥A、B平膨脹機(jī)內(nèi)或管道內(nèi)液化問題。待到天然氣與空氣的開度,調(diào)整進(jìn)入摻混點(diǎn)5處的LNG流量,進(jìn)而確混合,天然氣與空氣的混合氣體露點(diǎn)溫度即刻大幅保4處的產(chǎn)品氣壓力符合要求度降低,更不存在天然氣重質(zhì)組分(C2+)凝結(jié)問題。4.4產(chǎn)品熱值調(diào)控5.3混合氣安全性自動控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)壓氣機(jī)風(fēng)量進(jìn)口控制葉依據(jù)可燃?xì)怏w爆炸極限計(jì)算公式,對于上述調(diào)壓片D和放散閥門F的開度,進(jìn)而調(diào)整在摻混點(diǎn)5處站氣源進(jìn)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(chǎn)品氣熱值符合要求。4按照GB50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》的處的檢測裝置對混合氣熱值(燃燒特性)參數(shù)進(jìn)行實(shí)要求,可燃?xì)怏w允許混入的空氣量必須確?？扇?xì)鈺r(shí)監(jiān)控同時(shí)可以檢測產(chǎn)品氣壓力、組分、熱值、氧氣體高于爆炸極限2倍以上,即可燃?xì)怏w含量必須高含量等參數(shù)。中央處理器接收檢測數(shù)據(jù)并運(yùn)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(jī)進(jìn)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(dá)到適合的開度,對壓縮空氣進(jìn)氣流量或得到保障放散流量進(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。45安全連鎖裝置[1]賴元楷,羅東曉統(tǒng)一天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)是中國天然氣工業(yè)當(dāng)監(jiān)測到4處混合氣熱值低于某一設(shè)定值、同發(fā)展的需要[J.城市燃?xì)?2005(7)17-12時(shí)氧氣含量高于某一設(shè)定值時(shí)(兩套不同的檢測裝[2]羅東曉歐翔飛液化天然氣燃具基準(zhǔn)氣的選擇[門煤氣置共同實(shí)現(xiàn)對一個(gè)參數(shù)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?xì)廨斉銶北京:中國建筑工業(yè)出版動作,驅(qū)動緊急切斷閥L關(guān)閉,切斷空氣供應(yīng),確保社,2001.裝置安全可靠運(yùn)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(jī)[M北京:化學(xué)工業(yè)出版人壓氣機(jī)空氣系統(tǒng)。壓氣機(jī)C在低負(fù)荷工作狀態(tài)有[5】清華大學(xué)熱能工程系動力機(jī)械與工程研究所,深圳南山可能出現(xiàn)喘振現(xiàn)象,當(dāng)LNG流量低時(shí)空氣放散閥F熱電股份有限公司.燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)裝能夠確保壓氣機(jī)C仍然在高于某一負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)[M].北京:中國電力出版社,2007行,避免喘振現(xiàn)象發(fā)生,多余的空氣量通過放散閥F(修改回稿時(shí)間200903-31編輯何明)