调压站内天然气热值自平衡技术

第29卷第5期天然气工业储运与集输工程调压站内天然气热值自平衡技术罗东晓,21.广州市煤气公司2.华南理工大学罗东晓.调压站内天然气热值自平衡技术,天然气工业,200929(5):101-103摘要由于天然气产地及生产工艺的不同,不同气源的天然气其热值、组分及燃烧特性参数存在着较大差异。传统调压方式并不能调配调压站出站天然气的热值和燃烧特性参数,对于进入调压站的热值较高的天然气,出站后的气源难以完全满足管网要求,为此,提出一种新颖的调压站内天然气热值自平衡技术,对于热值较高的天然气,依靠高压天然气降压过程中“与生俱来”的压力能,通过透平膨胀机膨胀降压,同时驱动压气机生产压缩空气掺混于降压后的天然气中,有效降低天然气的热值,使高热值天然气的燃烧特性参数能满足管网要求,以解决进入天然气管网各气源热值不相同带来的难题。详细介绍了实施该抆术的设备构成、原理及工作过程,并对相关系统、实施效果等进行了分析。该技术对呆用多种气源供气的城市燃气企业具有现实的指导意义关键词天然气热值调配透平膨胀机压力能回收Dl:10.3787/j.issn.1000976.2009.05.0241问题的提出如果组分、热值差异较大的天然气同时进入一个管网,将有可能出现如下问题:为了提高天然气气源供应稳定性和可靠性,拓1)居民用户选用的是类别相同、品牌不同的燃展气源采购范围降低采购成本城市燃气企业通常具,将导致管网内不同方位用户因燃烧不同热值的采用多气源(管输天然气、液化天然气)同时对同一天然气燃具的实际热负荷有所不同管网供气,构成多气源供应格局。天然气因为其产因管网各气源间的“分界面”处于动态变化之地、生产工艺、来源的不同,导致其热值、组分及燃烧中,导致部分用户(两种气源交汇点)使用的气源种特性参数存在较大差异。管输气热值一般较低,而类会反复变化。LNG热值较高,两者通常相差8%左右,有时甚至达3)同网用户同一价格,导致结算不公平,损害部12%(4.2MJ/m3)。分使用低热值天然气消费者的利益。而作为统一的城市天然气管网,所供应的用户4)部分对燃气组分、热值要求严格的特殊用户是多种多样的,情况复杂。既有对天然气组分、热值使用热值变化的气源会影响其产品质量。要求不太严格的锅炉等工业用户,也有对组分、热值相当敏感的一些特殊用户,比如电视机显像管及玻2技术思路璃薄壳管加工企业等,其对温度控制精度要求很高般来说,城市燃气企业的多路天然气气源均希望燃气组分和热值相对平稳。此外,还有众多的是从不同方位进入接收门站,经过过滤、计量、调节拥有各种不同品牌燃气用具的居民用户,天然气汽加臭等环节后进入天然气高压输配管网,此时天然车用户、燃气轮机用户等。尽管各类用户对天然气气的压力一般较高。来自高压管网的高压天然气除气质稳定性的具体要求有所不同,但有一点却是共部分直接供应高压用户外,大部分则需要通过设在同的——力求进入管网的各类天然气热值相同、燃城市各个区域的调乐站调压,比如减至中压A级制烧特性相符(0.2~0.4MPa)后供应统一的城市中压输配管网作者简介:罗东晓,1961年生,教授级高级τ程师;广州市煤气公司副总工程师,中山大学、华南理工大学教授;从事天然氧高效利用及新能源技术研究工作。地址:(510060)广州市环市东路416号,电话:(020)87787253,13501520589。Emaldx2005@vipsohu.com储运与集输工程天然气工业2009年5月然后供给中压用户或通过低压调压装置减压后供应3.2系统工作过程与运行模式给居民用户和公建、公商、公福等用户使用3.2.1工作过程蕴含有大量压力能的高压天然气,大多数情况高压、高热值、常温天然气(比如气相LNG),经下需要在调压站通过调压设备进行降压处理。采用过流量计H后,由调节阀A调节流量后进入透平膨这种传统的调压方式,天然气自身蕴含的压力能在胀机T利用其本身携带的压力能降压膨胀做功,带调压设备降压过程中被白白损失掉了,而且降压过动透平膨胀机T的涡轮旋转。膨胀做功后,3处的程还产生大量的噪音;另外,由于设备急剧降温,还天然气压力、温度均下降,通过调节阀B调压(有时将有可能对调压及管道设备运行造成威胁甚至损还可通过某些装置升温,比如加热器、压气机冷却水害。同时,这种传统调压方式并不能调配调压站出回水等)后,在5处再与温度、压力较高的压缩空气站天然气的热值和燃烧特性参数,各个调压站的出掺混,形成4处的热值、压力、温度及燃烧特性均符站犬然气热值不一致,燃烧特性参数也难以完全满合要求的“LNG+AIR”混合气(产品气)。足管网要求。因此,需要实施一种新技术,能够确保透平膨胀机T同轴驱动压气机C转动,从大气各个调压站出站天然气的热值和燃烧特性满足用户8处吸取空气并压缩至一定压力,温度、压力同时升需求高,成为6处的压缩空气。经过紧急切断阀L、止回对于热值较髙的天然气(比如LNG)采取降热阀E、流量计G后,由调节阀N调节流量后,在掺混值措施,使其保持与基准气(占总气源比例最高的低点5处与LNG混合。经压缩后的高温空气与降压热值气源,比如管输天然气)热值一致,即:在调压站膨胀做功后的低温LNG混合后正好相互交换热量,安装一套装置,取代传统的调压设备,充分利用天然使得4处的混合气(LNG十AIR)热值降低,压力及气降压过程中的压力能,在解决调压问题的同时,实燃烧特性符合城市中压管网要求。现热值(包括燃烧特性)的调配(降低)自平衡,这将3.2.2运行模式可以同时解决上述诸多问题121。这就是调压站内天系统还包括发电机G与透平膨胀机T的涡轮然气热值自平衡技术的基本思路。联动,由外部电力驱动的电动机M驱动同轴的压气3调压站内天然气热值自平衡技术机C运转。1处的高压LNG驱动透平膨胀机T所产生的有效功(净输出功)Wr与由外部电力驱动的3.1基本原理电动机M输出的有效功WM之和,等于驱动压气机调压站内天然气热值自平衡技术基本工艺流程C压缩相应流量空气所需要的功Wc发电机G发电如图1所示。它利用透平膨胀机代替传统调压设备做的功W及其他损耗所需要的功W1,即:Wr+将高压天然气降压3),并将此过程的压力能转化成WM=Wc+W+W1。驱动能,带动压气机生产压缩空气掺混到已降压当透平膨胀机T净输出功Wr大于压气机压缩的高热值天然气中,使调压站出站天然气热值得以所需空气的功Wc与损耗功之和时,电动机M空载降低,其压力等各项技术参数均与目标值一致或停运,多余的能量驱动发电机G旋转做功,发出的般情况下,此过程不需要外部动力驱动压气机,而是电力供调压站作为站用电自用;当透平膨胀机T净回收利用“与生俱来”的天然气压力能。输出功Wr小于压气机C压缩所需空气的功Wc与损耗功之和时,发电机G停运,电动机M通过外部电力补充其所需要的能量,电动机M充当“补能”角EG1543色,在用足LNG压力能的前提下,起补充能量之作用。此时,电动机M与透平膨胀机T,共同驱动压气机C运转。4系统相关说明图1基本工艺流程示意图4.1备用外部压缩空气供应系统注:T透平膨胀机;M外部电力驱动的电动机;C.压气机;G.发电机:K.外部电力驱动的空气压缩机;1,2.高热值天然气人口;3.透考虑到主体装置检修等因素,系统还设置有外平膨胀机出口∷4,产品气检测点5气体混合点;6.压气机出口1、.部空气供应系统,包括安装在调压站非防爆区域的空气人口电动空压机K、外部压缩空气控制阀I、外部压缩空第29卷第5期天然气工业储运与集输工程气供应流量计J,通过管道将压缩空气送至5处与放空;发电机G出现故障时,也通过此放散阀F平衡LNG掺混,同样可在4处形成符合要求的“LNG十系统负荷。AIR”混合气(产品气)。外部空气补充回路可弥补压气机C自产空气不S实施效果分析足的问题,此时停运电动机M。此外,该空气补充回5.1特点路还可用于当主体装置处于故障状态(比如透平膨该装置能显著节能,同时可以省却常规调压设胀机检修)时,与备用调压设备一道,实现调配LNG备的投资,消除运行过程中产生的噪音及其相关管热值和燃烧特性之目的。道、设备由于急冷而存在的安全隐患,具有投资省、4.2冷却水能量回收装置运行成本低、安全可靠性高操作方便灵活等特点。该回收装置包括通过管道形成回路的压气机水5.2重质组分凝结问题冷系统和透平膨胀机外壳的水冷夹层。压气机C采据相关计算机软件对某调压站LNG气源进用水冷系统,经过压气机C后的高温冷却水由管道行模拟,结果表明:LNG在透平膨胀机内膨胀做功被送入透平膨胀机T外壳的水冷夹层,直接与低温后的压力、温度均下降。以其组分计算,LNG膨胀的涡轮膨胀机外壳换热降温后,再循环返回进入压做功后的温度远高于其重质组分的凝结温度(露点气机C水冷系统,用于对压气机轴承等温升部位降温度),符合“国标”要求,不具备凝结条件。况且,从温,同时可起到适当提高3处LNG温度的作用降压膨胀做功到与后续摻混点5处与压缩空气混4.3压力自动调节系统合,其间的过程极短,即便具备条件,凝结也难以实为了确保4处混合气的压力恒定,设置有压力现。可见,调压过程不存在天然气中重质组分在透自动调节系统。自动控制系统通过控制调节阀A、B平膨胀机内或管道内液化问题。待到天然气与空气的开度,调整进入掺混点5处的LNG流量,进而确混合,天然气与空气的混合气体露点温度即刻大幅保4处的产品气压力符合要求度降低,更不存在天然气重质组分(C2+)凝结问题。4.4产品热值调控5.3混合气安全性自动控制系统通过调节压气机风量进口控制叶依据可燃气体爆炸极限计算公式,对于上述调压片D和放散阀门F的开度,进而调整在掺混点5处站气源进行核算,其爆炸极限为4.49%~14.50%的空气掺混量,确保4处的产品气热值符合要求。4按照GB50028-2006《城镇燃气设计规范》的处的检测装置对混合气热值(燃烧特性)参数进行实要求,可燃气体允许混入的空气量必须确保可燃气时监控同时可以检测产品气压力、组分、热值、氧气体高于爆炸极限2倍以上,即可燃气体含量必须高含量等参数。中央处理器接收检测数据并运算出压于29%空气含量必须低于61%而系统中最大空缩空气掺混流量,再输出指令控制空气掺混量;压气气含量为12%安全性完全有保证。况且,混合后气机进气控制叶片D和放散阀门F按中央处理器的输体温度一般低于常温,压力也不高,安全性能完全够出指令动作达到适合的开度,对压缩空气进气流量或得到保障放散流量进行调节,确保掺混点5处与LNG摻混的空气量符合要求,进而确保4处混合气热值恒定。45安全连锁装置[1]赖元楷,罗东晓统一天然气热值标准是中国天然气工业当监测到4处混合气热值低于某一设定值、同发展的需要[J.城市燃气,2005(7)17-12时氧气含量高于某一设定值时(两套不同的检测装[2]罗东晓欧翔飞液化天然气燃具基准气的选择[门煤气置共同实现对一个参数的监测)表明空气掺混量过与热力,2006(2):31-33.大控制系统失灵,为安全起见,安全连锁控制系统[3]段长贵,王民生燃气输配M北京:中国建筑工业出版动作,驱动紧急切断阀L关闭,切断空气供应,确保社,2001.装置安全可靠运行。止回阀E,可确保LNG不会窜[4]黄钟岳,王晓放透平式压缩机[M北京:化学工业出版人压气机空气系统。压气机C在低负荷工作状态有[5】清华大学热能工程系动力机械与工程研究所,深圳南山可能出现喘振现象,当LNG流量低时空气放散阀F热电股份有限公司.燃气轮机与燃气一蒸汽联合循环装能够确保压气机C仍然在高于某一负荷状态下运[M].北京:中国电力出版社,2007行,避免喘振现象发生,多余的空气量通过放散阀F(修改回稿时间200903-31编辑何明)