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2 0 0 6 年第1 期 上海 电力 燃气轮机对天然气的气质要求及调压站的配置 陆锡 恩 ( 上海市 电力公 司闸北发 电厂 ， 上海 2 0 0 4 3 8 ) 摘要： 天然气成分与品质是燃气轮机机型和燃烧喷口选型的重要依据， 也是燃机安全经济运行的重要条件。 厂区天然气处理系统的核心部分是天然气调压站， 调压站具有对天然气除尘、 过滤、 降压、 稳压、 温度控制以及 天然气分配、 排放、 排污、 在线监测及安全监控等功能。文章介绍了 9 F A燃气轮机的天然气品质要求； 分析了 天然气调压站系统的运行参数、 结构配置、 技术和安全要求以及撬装式( 模块化) 调压站的优点 关键词 ： 9 F A燃气 轮机 ； 天然气 品质 f 调压站 中围分类号 ： TK4 7 文献标识码 ： B l 引言 随着以洁净能源天然气为燃料 的燃气轮机大 量引入， 为燃气轮机提供合格的天然气是建造 电 厂业主和设计人员首先考虑的课题 。 业主在采购燃气轮机时 ， 已根据天然气 的成 分、 性质选定了燃气轮机的机型和燃烧喷口， 而燃 气轮机的正常燃烧取决于天然气的压力 、 温度 、 流 量和杂质等， 因此 ， 必须设计 、 建造厂区天然气处 理系统来控制天然气的指标。厂区天然气处理系 统是衔接燃气轮机前置处理模块进 口和厂外 天然 气供应商接口的一个独立系统 ， 主要 由天然气调 压站和引导至燃气轮机前置处理模块的天然气总 管组成。天然气调压站应能在电厂各种运行工况 下， 对来 自上游长输供气管道的天然气进行降压 和稳压， 使天然气按所要求的压力和流量， 连续输 入下游发电机组的配气管道中， 供燃气轮机燃烧 。 同时 ， 调压站应能有效清除天然气 中的固体颗粒 杂质及液滴 ， 以满足燃气轮机正常燃烧 时的清洁 度要求 。天然气调压站还应能保护其下游配气管 道及燃气轮机调节系统设备和燃烧器 ， 即使调压 器发生故障， 也不应使上游过高压力的天然气危 害到下游的设备和管道 。 2 燃气轮机对天然气的要求 重型燃气轮机燃用的气体燃料范围广泛 。为 了使燃气轮机正常安全运行 ， 要求天然气的压力、 温度 、 热值 、 华白数( 热负荷指数) 、 成分限度 、 杂质 限度等保持在一定范围内。燃气轮机燃烧喷 口的 选型取决于气体燃料特性和杂质的限制。表 1 和 表 2列示 了 GE公 司 P G9 3 5 1 F A燃气 轮机依照 “ 重 型 燃 气 轮 机 气 体 燃 料 处 理 规 范 G EI 4 1 0 4 0 G” 对天然气的要求 。 裹 1 G E气体燃料规范 燃气性质 最大 最小 压力 随机组及燃烧室类型变化 温度 高于烃 水露点 2 8。 C 低位热值 k J m一 。 无 3 7 2 8 l 1 1 8 4 华 白数 ( MWI ) 5 4 4 0 绝对限度 +5 5 限度 内范围 可燃率 ( 点火性能) 2 2 l l 成分 限度 甲烷 1 0 0 8 5 乙烷 1 5 O 丙烷 1 5 O 丁烷 +石蜡 5 0 氢 -微量 O 一 氧化碳 微量 O 氧 微量 O 总惰性气体 ( N2 + COz + Ar ) 1 5 O 芳香烃 ( 报告 ) O ( 苯 、 甲苯等) 硫 ( 报告 ) O 寰 2 F级燃机的燃气杂质质量分散限度 燃机人 口限度 X 1 0 燃料等价物限度 X 1 0 燃机人 口流量 燃料流 量 杂质 5 0 1 2 4 微 铅 2 0 1 0 0 O 2 4 0 0 8 量 钒 1 0 0 5 0 O 1 2 0 0 4 金 钙 ， 4 0 2 0 0 0 4 8 O 1 6 属 镁 4 0 2 O O 0 4 8 0 1 6 N K=2 8 Z 0 1 。 0 0 0 0 2 4 0 0 0 8 0 Na K 一 3 1 0 0 5 0 0 0 1 2 O 0 0 40 N a K 1 6 0 3 0 0 0 0 7 2 0 0 2 4 微 总量 6 0 0 3 0 0 7 2 2 4 粒 直径1 O“ m 6 0 3 0 0 0 0 7 2 0 0 2 4 2 5 维普资讯 上海 电力 2 0 0 6 年第1 期 2 1 压力 压力范围随机组及燃烧类 型而变化， 最高与 最低 燃 气 供 应 压 力 由燃 气 轮 机 制 造 商 提 供 。 P G9 3 5 I F A燃气轮机入 口处表压范围为 2 9 3 0 3 2 7 5 M Pa 。 2 2 温度 天然气的供气温度为环境温度。但在使用天然 气压缩机， 把天然气压缩到额定供给压力时 ， 天然气 温度应有高于任何可冷凝的烃 水露点 2 8 。 C 的过热 度。P ( 3 5 1 F A燃气轮机配置了一台性能加热器， 热 源为余热锅炉中压省煤器出口的热水， 在正常运行 工况下将天然气加热到 1 8 5， 启动时 由电加热装 置将天然气加热到 2 7 8 - - - 4 8 4 ， 使天然气的烃露 点和水露点过热度达到燃气轮机的要求。 2 3热位和 Wo b b e 指数 燃气轮机可使用热值变化范围很大的气体燃 料 ， 但燃烧喷 口一旦选定 ， 所能适应的变化量就很 小 。要修正的 w0 b b e 指 数与热值变化有 以下关 系( 式 中低位热值的单位取用每立方英尺的英热 单位热值 B t u s c f ， 温度为兰氏温度) ： Wo b b e 指数= 低位热值 相对密度( 以空气为基准) X绝对温度 。 允许的 Wo b b e 指数的变化范围是士5 。 2 4 可燃率 没有最大可燃率 限制 ， 可燃率明显高于天然 气的燃料可能需要启动燃料。天然气可燃率极限 比小于 2 2： 1时 ， 整个运行过程将难 以保持稳态 燃烧 。 2 5 杂质 供往燃气轮机的气体燃料不能含有任何明显 的液滴或固体微粒 ， 这些杂质需 由燃料供应商在 供给前清除干净 。1 )微粒。要求透平进 口处的 固体微粒的质量分数 不能超过 6 0 0 X 1 0 ， 而尺 寸大于 1 0 m 的颗粒 的重量含量不能大于 1 。 2 )液滴。进入燃烧室 的液滴可能 引起火焰温度 和透平负载的快速波动， 还会通过燃烧室在下游 的高温燃气通道 内燃烧， 引起超温甚至烧蚀高温 燃气通道部件。3 )微量金属。气体燃料 中若含 有钠、 钾 、 钒和铅 ， 会在高温燃气通道 中结垢。而 任何一种钠和钾 的化合物与燃气 中的硫反应时 ， 都会在热通道部件上形成有腐蚀作用的碱金属硫 酸盐 。 一 2 6 3 天然气调压站系统 3 1 主要运行 - 数 国华余 姚燃 气电厂 2台 9 F A燃气轮机联合 循环项 目中， 调压站 的运行参数是 ： 调压站进 口天 然气表压为 4 0 MP a 温度大于 1 2。 C； 出 口表压 为 3 2 8 2 “ - - 3 6 2 7 MP a 。前 置处理模块 压损为 0 0 3 6 5 M Pa； 2台燃气轮机最 大连续运行工况耗 气量： 进 口为 1 5 0 0 0 0 IT I 。 h 出口分 2 路， 各 7 5 0 0 0 IT I 。 h 燃机最小稳态负荷下的进气量约 1 3 t h 。最大压 力偏移量为 1 s 。 3 2 结构及配置 余姚燃气电厂燃 机项 目中， 进入 电厂 的天然 气管道与供应商接 口装了绝缘接 头， 以与燃气管 网的阴极保护相隔离 ， 防止厂外管网因各 原因漏 电导致厂内设备受损。绝缘接头后 的直管段配置 了 0 5级测量精度 的超声 波流量计 和气相色谱 仪 ， 便 于今后对天然气进行热值计价( 目前是 以体 积计价) 。之后安装了紧急切断阀( E S D) ， 用于发 生火灾和系统超 压时 紧急切断全厂天然气气源 ； 并按 DL T 5 1 7 4 -2 0 0 3规定设 置 了 1 0 0 9 ， 6 的旁 路 。E S D再后应设置一台全厂容量离心分离器 ， 用于运行初期 的过滤分离 ， 对 1 0 m 以上的颗粒 要求清除率 达到 9 9 9 ， 以保护 下游设 备 的安 全 。本项 目因紧靠 天然气供应商 的门站 ， 设置了 过滤分离装置 ， 故取 消了离心分离器。 由于天然 气 中含有水蒸气 ， 在系统节 流压降大 的部位会冷 凝结冰 ， 严重时会卡死调压器 ， 因此 ， 离 心分离器 后如有必要应设置天然气加热器 。本项 目进口天 然气表压约 4 0 MP a ， 温度大于 1 2。 C， 节l流压降 小 ， 因此不设 置天然气加热器。之后天然气进入 过滤分离单元 ， 该单元 由 2 X 1 0 0 ( 以两 台燃机 流量为 1 0 0 ) 容量 的过 滤分 离器 组成 ， 一 台工 作， 一 台备用。1 m 尘粒 的过滤效率不小于 9 9 9 ， 6 。调压支路按单元制设置 ， 每条调压支路设 工作线 和备用线， 各 自接受燃气轮机进 口天然气 压力的可编程序控制器( P L C ) 信号。工作线设工 作调压器 、 监控调压器和安全切断阀( S S V) ， 当工 作调压器出现故障， 启动监控调压器， 当监控调压 器出现故障， 则关 闭 S S V，启动备用线上 的工作 调压器。备用线上也同样设有监控调压器和工作 调压器。工作线工作调压器的出口压力设定值与 维普资讯 2 0 0 6 年 第1 期 上海 电力 备用线工作调压器 的出 口压力设定值有微小差 异。本项目的天然气调压站结构如图l 所示。 图 1 天然气调压站结构 图 4 天然气调压站系统的技术和安全要求 4 1 技术要求 ( 1 )天然气 调压站一般远离燃气轮机组 ， 当 燃机突然甩负荷， P L C信号立即使压力调节阀动 作 ， 但压力传递迟缓， 致使燃机的速度比例阀入 口 压力突然升高引起燃机跳车。可放大调压站与燃 气轮机组之间天然气引导管的管径， 或在其 间建 造一个稳压罐 ， 以解决上述问题。本项 目受场地 条件 限制， 在燃机入口处设置 了电磁放散阀， 以确 保燃机前 的燃气压力工况。 ( 2 ) E S D应有远传信号， 传输阀门的状态信 号至电厂的主控室 。与燃机遮断报警系统连锁， E S D应能在线维修 。当出现重大事故时 ， 由集 中 控制室分散控制系统 ( DC S ) 发 出紧急停气命 令， 或在就地操作事故按钮 ， E S D立 即关 闭， 关 闭时 间应不大于 3 s ， 但只能手工开启 。 ( 3 )选用工作调压器 、 监 控调压器时应考虑 其调节精度 、 流量范围和噪声 ， 并应考虑噪声频率 对超声波流量计的影响， 噪声增益最大的频率范 围应偏离超声波流量计的工作频率 。 ( 4 )调压站所有隔断阀门均应采用球阀 ， 且 应采用全通径 、 固定球、 软密封 、 耐火型球阀。 ( 5 )主放散阀的开启压力设定值为调压站出 口压力的 1 1 0 ， 当压力超过设定值时 ， 主放散阀 应 自动迅速开启， 开启速度为 5 0 ms ， 关闭时间小 于 1 s 。 4 2安全要求 ( 1 )调压站应配备完善 的氮气置换、 吹扫 系 统。在过滤器、 每条调压支管路、 每条母管线等处 均应设置足够的氮气吹扫接 口， 每个接 口的接管 上均应设置双阀隔断 。 ( 2 )吹扫系统 、 放散系统所产生的天然气 ， 均 应经同级压力的放空管集 中引至放空母管后 ， 再 接至远离天然气调压站 的放散塔 ， 集中放 散系统 设计流量为电厂的全流量 。 ( 3 )为保证整个调 压站 和电厂的安全 ， 需配 置可燃气体报警器 ， 所有监测装置 的信号均应能 送至主厂的集中控制室 。 ( 4 )所有现场仪表及控制装 置的防护等级均 应达到 I P 5 6标准 ， 所有现场仪表( 除压力表外) 及 控制装置均应采取防爆型。 5 天然气调压站型式 国华余姚燃气电厂燃机项 目的调压站 ， 采用 撬装式设计， 主要具有如下优点 ： ( 1 )由专业生产厂家设 计生产， 系统整体 配 合性较好 。同时， 调压站在工厂进行组装、 调试 ， 工厂的环境较施工现场环境优越得多 ， 施工中碰 到的不确定因素也较施工现场少 ， 因此撬装式 调 压站的稳定性、 可靠性较高 。 ( 2 ) 整体布局设计较紧凑， 减少了占地面积。 目前 ， 欧洲全部采用撬装式调压站。 ( 3 )施工管理和调试验收简单 。调压站整体 在工厂 内制造安装、 调试 、 监造合格后 出厂， 施工 时仅需运到现场进行现场安装 ， 将进 出口管 口对 接 ， 降低施工难度 ， 缩短施工时间 ， 减少工程施工 费用 。 ( 4 )现场安装 时， 生产厂家代表到现场指导 安装、 调试和试运行 ， 并负责解决在安装 、 调试 、 试 运行 中发现的制造质量及性能等有关问题 ( 5 )生产厂家免费培训运行和维护人员 。 6 结论 ( 1 )调压站供气分配宜采用互不干挠的独立 单元制