燃机电厂天然气调压站配置探讨

燃机电厂天然气调压站配置探讨第20卷第3期2007年9月《燃气轮机技术》GAS【瓜B]ETECHN0L0GYV0l_2ONo.3Sept,,2O07燃机电厂天然气调压站配置探讨吕小兰(广东省电力设计研究院，广州510600)摘要:天然气用于燃气轮机发电在我国越来越多，但燃气轮机对天然气的压力，温度等都有一定的要求.天然气调压站是天然气的主要处理系统，直接影响到燃气轮机的安全稳定运行.根据已投产燃气轮机的运行经验，对天然气调压站的系统设备配置作了分析探讨，对设备提出了经济合理地配置的建议.关键词:燃气轮机;天然气;调压站;加热器;配置中图分类号:TM611.31文献标识码:B文章编号:1009—2889(200r7)o3—O006—04近年来燃气轮机联合循环机组以其整体循环效率高,造价低，污染小,占地少，建设周期短，运行灵活，适合调峰等优点在我国得到迅速发展，特别是在沿海珠三角以及长三角地区，许多大型燃气轮机联合循环电厂已经建成投产，还有相当部分正在规划和建设中.天然气调压站是燃气轮机联合循环电厂的重要组成部分之一，它是天然气的主要处理系统,直接影响到燃气轮机联合循环机组的运行可靠性和经济性.根据已运行机组的实际情况及经验，新建机组合理优化配置天然气调压站的系统设备，在保证系统设备稳定和安全可靠运行的前提下，可以提高机组运行的经济性，降低造价，减少能耗.本文根据已运行燃气轮机的实际情况,对天然气调压站的系统设备配置进行了分析探讨.l燃气轮机对天然气的要求天然气作为燃气轮机的气源，需要满足燃气轮机运行的要求，燃气轮机对天然气的要求主要有以下几方面：应控制天然气的温度，以满足过热要求，避免结露，同时要满足燃气轮机天然气入口温度的要求.根据文献［1］，天然气要求的最低温度为和中的较大值，其计算公式如下：Th=T.h+d}l(dh为烃的露点温度)T=+(为水汽的露点温度)DDT.h=2.33()一2.8Dsm=5?l5()—7式中:为高出碳氢化合物露点的温度(oF);P脚为燃机燃料控制系统前天然气的压力(psia);为高出水汽露点的温度(.F).应控制天然气中的粉尘，杂质含量,否则会引起颗粒阻塞燃料喷嘴；应控制天然气的压力波动，使其稳定燃烧；应保证天然气的热值，对于不同的燃料系统，可使用的燃气热值取值范围是不同的.故对于某一固定的燃料系统，为了保证稳定燃烧，热值的取值只能在某一范围内.2天然气调压站的作用目前，国内燃气轮机电厂的天然气来源主要有两种:一种为液化天然气(LNG),气源主要来自国外;一种为国内气源，主要通过西气东输管线接入电厂.对于来自国外的LNG气源，液化天然气首先经海上船运至LNG接收站，在接收站内经过气化，然后通过天然气管道送到各个电厂.在每个电厂供气收稿日期:21307.05.08改稿日期:21307—05—21作者简介:吕小兰(1975一)，毕业于浙江大学工程热物理专业，工学硕士，现就职于广东省电力设计研究院机务部，任热能动力工程师,从事电力工程热机专业设计.第3期燃机电厂天然气调压站配置探讨7方均设置供气末站,将较高压力的天然气进行减压，然后送人电厂设置的天然气调压站.对于国内的气源,天然气从输气干线上接出的一条支线进入分输站，在分输站进行调压后再送入电厂设置的天然气调压站.天然气调压站是燃气轮机电厂对天然气的主要处理系统，其主要作用如下：降压，稳压，将上游供气末站提供的压力较高的天然气降至下游燃气轮机所需要的压力和流量,并达到稳定的状态；清除天然气中的杂质；保护下游管道和燃烧设备，在发生故障时不会让上游高压的天然气危害到下游的设备及管道.3天然气调压站优化配置探讨天然气调压站一般包括天然气入口切断，过滤，计量，加热，压力调节,天然气分配，放空，排污，安全监测，电气，仪表控制，数据通信等装置.天然气调压站通常配置的工艺单元示意图见图1:图1调压站通常配置工艺单元示意图3.1入口单元人口单元主要包含绝缘接头和紧急切断阀.在天然气调压站的人口处，首先接人绝缘接头，实现输气管线与天然气调压站系统电绝缘.绝缘接头后装设紧急切断阀(ESD)，ESD阀采用气动装置,驱动气源可以采用仪用压缩空气，也可以采用天然气.ESD阀通过电磁阀实现远程控制，在发生天然气泄漏,电厂起火或其他紧急事件时迅速切断气源，保证电厂的安全.3.2计量单元ESD阀后为计量单元，一般采用超声波流量计.计量单元的作用是与上游供气商的天然气流量数据进行准确性校对.流量计设有一个旁路，在流量计进行标定时开启.3.3粗分离单元主要用于清除天然气中的大颗粒及游离液滴，保护后续设备，并考虑在电厂初期运行阶段，受施工等多种因素影响导致管道内部存留杂质等污物需要清除.主要设备为旋风分离器，分离出来的污物沉落到过滤器的底部,天然气从顶部引出.维修时可采用球阀旁路短期供气.调压站一般采用整体撬装式，站内设备及阀门在现场一般都是采用法兰连接，在施工中不会有太多污物.根据天然气的品质特性分析，若含杂质量少,如液化天然气，调压站配置中可以不设置粗分离单元.3.4加热单元天然气在降压时温度相应下降,为了保证供气温度满足燃气轮机运行以及不腐蚀管道和设备的要求,需要对天然气进行加热.天然气可以通过以下三种方式加热：水浴炉加热器水浴炉是集热水锅炉和换热器为一体的设备，由炉本体及燃烧器等组成.它利用除盐水为中间热质传热，吸收火筒中燃烧天然气产生的热量，传递给盘管内的天然气,达到加热天然气的目的.不同型号的燃气轮机需要的天然气压力一般在2.0〜3.5MPa左右,而水浴炉燃烧器需要的天然气压力一般在0.2MPa左右,因此还需要配置一套天然气减压单元以满足水浴炉的需求.由于天然气降压幅度大，当天然气温度过低时，无法达到水浴炉燃烧的要求，还需要配置一台电加热器，使天然气温度达到点燃水浴炉和稳定燃烧所需的温度.水浴炉加热燃用天然气，运行成本高且系统复杂，投资成本也高.目前广东有几个液化天然气电厂配置了水浴炉加热器.电加热器利用电能直接加热天然气，加热方式简单，但电耗很高.启动锅炉用的天然气调压站可以配置电加热器，只是短时间使用.由于天然气调压站属于防爆区域，电加热器需要选用防爆型的，造价也比较高.管壳式换热器以燃气轮机系统中产生的过热水或蒸汽为热源，通过管壳式换热器对天然气加热，这种换热方式运行可靠,系统配置简单，造价低，运行经济.但对于距离主厂房区较远的天然气调压站，就需要铺设较长的管道，需要综合考虑其可靠性和经济性.新建机组应考虑调压站人口天然气的实际特性,在主机设备订货前合理设置天然气加热器的位置和型式.不同的燃气轮机供应商,系统设备配置及要求也不同.对于燃气轮机供应商不配供天然气加热器的,要详细分析供气点的天然气参数.若调压幅度较小，温降不大,离天然气结露点还远，就可8燃气轮机技术第20卷以不考虑在调压站区域设置加热器，选择在主厂房区设置管式热水换热器.需要与余热锅炉及凝汽器供货商配合进行热力平衡，从余热锅炉的省煤器抽取热水加热天然气来满足燃气轮机的进气要求，换热器的出水直接回到凝汽器.在机组刚启动时可以配置一台电加热器加热天然气.这种设计配置可以减少投资,减少运行成本，达到整个机组节能降耗的目的.广东某(LNG)燃气一蒸汽联合循环电厂采用GE公司提供的PG9351FA型燃气轮机.此工程合同里供气末站交付点天然气的压力为3.8~4.4MPa，温度为一19〜38°C;燃气轮机的燃气模块人口所需的压力为3.o4〜3.45MPa，温度为185C.GE公司在主厂房区域配套提供了天然气前置模块，其中设置有机组启动用电加热器以及机组正常运行用性能加热器.性能加热器是热水管式换热器，热水来自余热锅炉的中压省煤器.由于天然气调压站降压幅度小,温降相应也小，此工程燃气轮机用的调压站未设置任何型式的加热器.即使在冬季最寒冷的天气，调压站人口的天然气温度在一5°C左右，远高于合同里规定的供气点最低温度.调压站未设置加热单元，系统和控制简单，占地少,既节省了投资，也节省了运行费用.3.5分离/过滤单元该单元为精过滤单元，过滤器可根据实际情况设置两用一备或一用一备.过滤装置的型式应能清除天然气中的固体颗粒，灰尘和雾状液滴，以保证燃机系统，管道系统及设备的正常运行.同时，过滤段和分离段分别配置有连锁控制的自动排污阀和高低液位开关，将沉积于过滤段底部及分离段底部的固体颗粒及液滴等杂质自动经排污总管排人凝淅液收集罐;为保证可靠排放,还配置有手动排污阀.每台过滤装置的进出口均安装手动隔断球阀，两阀之间设置放散点.燃气人口端手动隔断球阀设置有开启缓注用的旁路，旁路含一个手动球阀，一个手动截止阀.在燃气轮机正常满负荷运行时,若上游供气出现事故导致调压站人口单元的紧急切断阀（ESD阀）突然关闭,燃气轮机要被迫停机.但燃气轮机从满负荷到安全停机需要一定的时间，那么天然气管道以及调压站系统需要存有足够的天然气来保证机组安全停机.因此在考虑天然气管道能够储存天然气量的前提下，过滤器储罐容量的设计要考虑到事故时燃气轮机从满负荷到安全停机所需要的天然气量，即过滤器也要作为事故时机组安全停机所需的天然气储罐.3.6调压单元调压单元有多种配置方式，每台燃气轮机可以配置一用一备的调压支路，或两台燃气轮机共配置三路调压支路，两台机组共用一条备用支路的形式.每条调压支路通常串连配置有进出口手动隔离球阀，监控调压器，工作调压器，安全切断阀.正常工况下,工作调压器调节天然气调压站出口压力，当工作调压器故障时，监控调压器自动投入运行;如果监控调压器也发生故障，监控调压器为事故常关配置,该调压支路关闭;如果下游压力非正常继续上升至放散阀设定压力,放散阀启动;如果压力继续上升达到切断阀设定压力时，切断阀启动保证系统安全.监控调压器与工作调压器之间配备了压力表，监视工作调压器的工作状态，正常工况下,监控调压器全开,工作调压器调节压力，此时压力表显示数值为上游进口压力，如果工作调压器失效，监控调压器工作,此时压力表显示压力下降,以便运行人员及时发现工作调压器失效并及时维修.调压阀的型式有自力式和浮动给定值式两种，自力式调压阀的压力反馈信号是在调压阀出口，即保证调压阀出口压力为定值;浮动给定值式是指压力反馈信号来自燃机前,保证燃机前的压力是定值.燃气轮机负荷不同时所需天然气压力也不同.从调压阀出口到燃气模块人口,天然气经过管道，设备的压降也随着天然气流量不同而变化.调压阀型式的选择必须满足在机组任何负荷下,天然气供应到燃机人口的压力必须满足燃气轮机的压力要求.调压阀选型时，要根据不同的燃气轮机要求以及现场布置条件,综合考虑选择调压阀的型式.如果燃气轮机给定的人口天然气压力范围较大，可以配置自力式调压阀，其初投资低些.如果电厂的调压站距离主厂房区域远且天然气前置模块的压降大，自力式调节阀在燃气轮机低负荷时不能满足燃气轮机的进气压力要求，调压阀可以选择浮动给定值式，精确地控制燃气轮机前的压力稳定，这种型式的调节阀初投资略高些.3.7其它除上述单元之外,调压站还包括天然气的集中放散单元以及天然气凝淅液收集单元等.天然气的集中放散单元主要是排放设备和管道中渗漏和残留第3期燃机电厂天然气调压站配置探讨9的天然气,确保整个调压站系统的安全.天然气凝淅液收集单元主要收集过滤器分离的凝淅液，凝淅液中有碳氢化合物等，属于易燃易爆的物质,需要收集在储罐中,定期进行安全处理.4结论在燃气轮机电厂中,天然气调压站系统是非常重要的系统，它直接关系到机组的安全稳定运行.调压站选型设计时，在保证机组安全,稳定运行的前提下,结合燃料的实际特性，并与燃气轮机,余热锅炉,凝汽器等供货商配合，优化调压站系统的配置，降低投资，提高机组运行的经济性，达到最大程度的节能降耗.(1)调压站粗分离单元根据天然气的品质特性分析，判断是否有必要设置.调压站加热单元当调压站距离主厂房区域很近时，加热器选型建议不选择水浴炉，而是考虑热水管式加热器.设计选型时与主设备厂家沟通配合，余热锅炉设计考虑给加热器提供热水，凝汽器考虑设计接收加热器的出水.当调压站距离主厂房区域相对较远时，根据调压站人口天然气的实际参数以及燃气轮机天然气人口参数的要求判断，若降压幅度不大,天然气经降压后温度不会达到结露的温度,天然气对调压站及管道等不会造成腐蚀，建议在调压站区域不设置加热器而是设置在主厂房区域.同样，加热器选用热水管式加热器，以节约投资及运行费用，提高机组整体循环效率.调压站分离/过滤单元调压站分离/过滤罐的容量设计需要考虑事故时燃气轮机从满负荷到安全停机所需要的天然气耗量.调压站调压单元调压支路的配置方式以及调压阀型式的选用，具体根据主设备需求，机组可靠性要求以及现场布置条件等综合考虑确定.参考文献：［1］葛莺鏖.燃气轮机对天然气燃料的特性要求和杂质限制［J］.燃气轮机发电技术，20o4,6<2).⑵焦树建.燃气一蒸汽联合循环［M】.北京:机械工业出版社，2O0O.［3］黎国强，张洪波.液化天然气调压站优化设计思路［J］.燃气轮机发电技术,2OO6,8.Discussionofconfigurationonnaturalgaspressurereducings