燃气-蒸汽联合循环电厂天然气调压站设计

窦珍伟，刘思琦

(1.青岛鸿瑞电力工程咨询有限公司，山东青岛266000；2.山东大学能源与动力工程学院，山东济南250061)

DOU Zhenwei1,LIU Siqi2

(1.Qingdao Hongrui Electric Power Engineering Consulting Co.Ltd.,Qingdao 266000;2.School of Energy and Power Engineering,Shandong University,Ji′nan 250061)



燃气-蒸汽联合循环电厂天然气调压站设计

窦珍伟1，刘思琦2

(1.青岛鸿瑞电力工程咨询有限公司，山东青岛266000；2.山东大学能源与动力工程学院，山东济南250061)

结合国际工程设计实践，介绍燃气-蒸汽联合循环电厂天然气调压站典型系统流程,重点阐述了ESD、超声波流量计、旋风分离器、凝聚式过滤器等主要设备的功能、选型和配置。同时对设计中常见问题及注意事项做了说明,指出了加热与调压单元的参数选择对电厂性能、厂用电率有较大影响，应为天然气调压站的设计重点，准确核算。

燃气-蒸汽联合循环电厂；天然气调压站；过滤器；性能加热器；增压机

DOU Zhenwei1,LIU Siqi2

(1.Qingdao Hongrui Electric Power Engineering Consulting Co.Ltd.,Qingdao 266000;2.School of Energy and Power Engineering,Shandong University,Ji′nan 250061)

燃气-蒸汽联合循环发电作为一种能源综合利用技术，具有热效率高、环保性能好、投资省、建设周期短、运行方式灵活等优点[1]。随着大功率F级、H级重型燃气轮机可靠性的提高和技术的成熟，燃气-蒸汽联合循环发电在世界范围内得到了蓬勃发展。

当前联合循环电厂的主要燃料分为天然气和液体燃料。联合循环电厂天然气系统由2个模块构成，即天然气调压站及燃气轮机天然气前置模块。因天然气前置模块属于燃机模块化设计的一部分，为厂家的供货范围，因此本文将着重探讨天然气调压站系统的设计，包括该系统的流程及主要设备，并根据国外工程经验，阐述了设计中常见问题，以供同行参考。

1　概述

天然气调压站的功能主要是清除天然气中的固体颗粒杂质及液滴，在各种运行工况下保证将来自上游输气管道的天然气，按照要求的压力、温度和流量，连续输入下游燃气轮机发电机组的配气管道中，供燃气轮机燃烧。

天然气调压站的设计，应根据气源状况、燃气轮机进气要求及当地环境条件等情况确定。典型的天然气调压站包括计量、分离/过滤、加热、压力调节、放散、排污、置换、安全监测、泄漏监测、电气控制、数据通信等装置，其系统流程图见图1。

图1　典型天然气调压站系统流程图

2　天然气调压站系统及设备

2.1入口单元

入口单元由绝缘接头及ESD(紧急切断阀)组成。

入口绝缘接头用于将静电隔离在调压站之外，确保调压站在运行中的安全。

ESD控制着整个调压站以及整个燃机系统的供气连通与关断，同时还承担着在特殊情况时，能够紧急切断天然气，确保整个供气系统乃至整个电厂的安全。该阀门为球阀，驱动方式为气动，动力气源为天然气，上游取气管和执行机构连通。在正常工作时，系统中的气压维持该阀门处于开启状态；当出现紧急情况时，从控制室断开螺线管的电路，电磁三通阀换向将执行机构内的气体泄压，执行机构起跳，球阀关闭，其关闭时间通常≤3 s。

全厂按1×100%配置ESD阀，并设有用于压力平衡的压力旁通阀，通过逆时针旋转紧急切断阀上的阀杠，可人工就地开启阀门。

2.2计量单元

在大型联合循环电厂设计中，因天然气流量较大，管道为中大口径，且国外业主要求较高，所以通常选用超声波流量计。其特点是：准确度高，可达±0.5%；无可动部件，坚固耐用；流量计可干校，准确度可达1%[2]。因介质中的固体颗粒等杂质对超声波流量计影响很小，计量单元可设在分离/过滤单元之前。

国内工程设计中，也常选用涡轮流量计，其计量精度较高，较超声波流量计价格便宜且安装尺寸要求较小。为了保护流量计不被天然气中大的颗粒所损坏，通常布置在过滤单元下游[3]。

计量单元，通常按2×100%考虑冗余配置。在对计量可靠性要求稍低的工程中，也可按1×100%加旁路的配置考虑。

2.3分离/过滤单元

天然气中含有的固体颗粒及少量水和重烃类，会严重影响燃气轮机燃烧室的正常工作。为确保机组长期、稳定运行，必须将杂质除去。

分离/过滤单元由旋风分离器和挡板/凝聚式双联过滤器组成。

2.3.1旋风分离器

旋风分离器的作用是去除天然气中大的固体颗粒及液滴，对10 μm及以上的颗粒，去除率可达100%。旋风分离器结构简单，器身无运动部件，设备故障率很低，且其功能短时可以被下游过滤装置所取代，因此1×100%的配置较为常见。另外，实际工程中发现，因电厂气源通常来自天然气门站，较为清洁，为降低工程成本，旋风分离器也可以取消。

2.3.2双联过滤器

旋风分离器下游的过滤器为挡板/凝聚式，是两段过滤分离器，其下半段为挡板分离器，上半段为装有凝聚式滤芯的过滤器，其作用是清除旋风分离器未能去除的天然气中细小液滴和固体颗粒。

在天然气温度<15 ℃、滤芯阻力<2 500 Pa情况下，对5 μm以上的颗粒清除效率可达100%，对0.5～5 μm的颗粒，除尘效率可达99.99%。

过滤器对于保证天然气品质起着重要作用，因此通常设置2×100%，一用一备。

2.4压力调节单元

2.4.1燃气轮机对天然气压力的要求

天然气调压站的功能之一是保证输出的天然气压力能够满足燃机的要求。不同等级、不同厂家的燃机所要求的燃气压力不同。同时，燃气压力还和天然气组分有关。现就常见机型所需天然气压力范围，根据实际工程经验进行了总结，详见表1。

表1常见燃机机型天然气压力要求值 kg·cm

燃机等级燃机类型MaxMinE级 AlstomGT13E23722.6 Siemens2000E3324.4 GE9E34.522.8F级 GE6FA34.524.8 GE9F37.928.3 Siemens4000F4731.1H级 AlstomGT266046.5 Siemens8000H5534.3 GE9H4536.5

注：表中Max所列为最大设计压力，而非最大允许运行压力；Min所列为最小运行压力，该值受天然气性质影响较大，各工程会有差异。表中数值为以往工程数值，仅供参考。

实际工程中，厂外所供天然气压力波动范围通常较大。经过过滤单元的天然气，根据其压力情况，会被切换至不同的支路。

2.4.2露点加热单元+调压单元

当来气压力较高需要减压时，天然气进入露点加热器+调压单元(减压阀组)支路。

1)露点加热单元。进入调压单元前，对天然气加热的目的有：①防止在天然气调压降温后产生凝析水或可能产生的水化物。天然气经节流降压后会产生降温冷却，即焦尔-汤姆逊效应。根据工程经验，天然气加热后的温度，应保证调压降温后仍高于露点温度20 ℃以上，同时还应考虑燃机对天然气温度的要求。②避免管道外壁大量结冰[4]。露点加热器一般选用水套加热锅炉，即水浴炉。调压单元下游的天然气通过减压支路，直接供给水浴炉作燃料在水浴炉内燃烧，以加热壳侧水。而被加热的天然气则走管侧，与热水换热。水浴炉出口的天然气温度通常不超过60 ℃，如有特殊要求，需要更高的燃气温度，则可选用带压水浴炉，或将加热介质换成硅油即油浴炉，即可获得120 ℃以上的燃气温度。水浴炉通常按2×100%配置，一用一备。

2)调压单元。调压阀组作为保证燃气压力稳定的重要单元，宜按每台机组设置1条调压支路[5]，并需考虑备用。当电厂规模较大，机组较多时，也可按2～3台机组设1条支路。

各调压支路设安全切断阀(SSV)、监控调压阀和工作调压控制阀，以保证天然气调压、稳压、连续输出。

安全切断阀(SSV)是安全保护装置。正常运行时，SSV处于开启状态，一旦系统压力高于或低于设定值，该阀会自动关闭切断天然气供应。

监控调压阀和工作调压控制阀串联设置，工作调压阀在上游，监控调压阀在下游。正常运行时，监控调节阀处于全开状态，当工作调压阀发生故障，监控调压阀则进入工作状态。

2.4.3天然气增压机单元

当来气压力较低，无法满足燃机要求时，天然气则需进入增压机压缩。

1)常用增压机类型。大型联合循环电厂常用的天然气压缩机主要有往复式和离心式2种，螺杆式压缩机因适用流量较小，很少使用。

往复式压缩机具有适应压力范围较宽、排出压力稳定、流量调节范围大、压比较高等优点，但其缺点在于气流有脉动、噪声大、易损件多、检修维护成本高。

离心式压缩机结构紧凑，排气均匀，排量大，工作平稳，易损件少，维修成本低，其缺点为流量过小时会产生喘振[6]。目前，离心式压缩机在大型电站设计中被广泛采用。

值得注意的是，当来气压力波动范围较大时，若选用离心式压缩机，入口前需设稳压阀，将来气压力调减到固定值(通常为最小来气压力)，以保证在固定压比的条件下出口压力的稳定。但如此一来，会增加压缩机电耗，导致厂用电率的增加。而选用往复式压缩机时，由于其适应的入口压力范围较宽，不需要将气压力统一调低，当来气压力较高，电耗相对较低。因此，选择压缩机时，需根据工程的具体情况综合判断。

2)增压机配置。根据《燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定》(DL/T 5174—2003)[5]，增压机宜每套燃机配1台，不设备用。该条文是基于国内联合循环电厂多为调峰电厂考虑。而随着能源结构的转变及功率的提升，国外大功率联合循环机组通常起着稳定电网保证供电的作用。因此，为保证电厂连续运行，增压机通常按全厂设2×100%或3×50%的冗余配置考虑，规模较大时，增压机也可设多台，采用母管制。

经压缩机压缩后的天然气温度升高，若燃机要求的燃气温度较低，则需在压缩机出口处设冷却装置，以降低排气温度。

2.4.4天然气性能加热器

燃机要求的天然气温度与其华白指数相关。天然气华白指数越高，则需要的燃气温度也越高。当所要求天然气温度为120～180 ℃，则需采用性能加热器。

性能加热器为管壳式，利用余热锅炉高(中)压省煤器出口的给水加热天然气，天然气走管侧，热水走壳侧。在机组简单循环运行工况下，由于没有来自余热锅炉的高温热水，为满足燃气加热要求，需单独考虑1套热水锅炉系统以提供热源。在实际工程中，也可采用带压水浴炉或油浴炉的方案以提高燃气温度(见本文2.4.2)。

天然气性能加热器，宜布置在燃机天然气模块附近，每台燃机按1×100%配置加热器，不设备用。

3　结语

在天然气调压站的设计中，加热单元及调压单元(包括减压阀组和增压机)为设计重点。首先，天然气的温度和压力直接影响到燃气轮机的性能。其次，提高或降低天然气压力关系到增压机电耗。增压机作为耗电较大的设备，对全厂厂用电率有着较大影响。最后，性能加热器所用热源为来自余热锅炉的热水，提高或降低燃气温度影响所需热水量，进而影响联合循环汽轮机侧性能。因此，天然气温度和压力的确定，需在燃气轮机要求值的基础上，充分考虑各部分的温降、压降准确计算。

从世界范围内看，各工程机型、规模各不相同，当地气候条件迥异，天然气组分更是千差万别，天然气调压站的设计需综合考虑各方面因素，实现经济和技术层面的双重优化。

[1]中国华电集团公司.大型燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书 综合分册[M].北京：中国电力出版社，2009：12-14.

[2]焦寰宇.天然气计量手段的改进[J].油气田地面工程，2007,26(12)：33-34.

[3]缪金华，沈存五.西门子燃气轮机天然气燃料供给系统介绍[J].热力透平，2008,37(2)：104-107.

[4]全国勘察设计注册工程师公用设备专业管理委员会秘书处.全国勘察设计注册公用设备工程师动力专业执业资格考试教材[M].北京：机械工业出版社，2014：640.

[5]中华人民共和国国家经济贸易委员会.燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定:DL/T 5174-2003[S].北京：中国标准出版社，2003：32.

[6]潘杰.天然气增压压缩机组的选择研究[J].化工管理，2013(2)：42.

责任编辑：陈亮

Design on Natural Gas Regulating and Metering Station for a Gas-steam Combined Cycle Power Plant

According to the international engineering design practice,the typical flow process of natural gas regulating and metering station in a gas-steam combined cycle power plant was described with the focus on the function,selection,configuration of major equipments such as ESD,ultrasonic flow meter,cyclone separator,coalescing filter,etc.Common problems and matters to be noted during design were illustrated.It was pointed out that the parameters of the heating unit and regulating unit had significant impacts on the plant performance and electrical consumption rate,which should be emphasized during design.

gas-steam combined cycle power plant;natural gas regulating and metering station;filter;performance;boosting

10.3969/j.issn.1671-0436.2016.04.005

2016- 06-17

窦珍伟(1983—)，男，硕士，注册公用设备工程师。

TM611.3

A

1671- 0436(2016)04- 0020- 04