山西省燃气电厂气源调度运行策略研究

2020-03-11霍小亮

天然气与石油 2020年1期

霍小亮

山西燃气产业集团有限公司, 山西太原 030032

0 前言

随着天然气工业的快速发展,天然气消费量呈井喷式增长,天然气资源的开发也从常规天然气逐步向煤层气、页岩气等非常规天然气迈进[1]。山西省拥有丰富的天然气资源,除陕京一、二、三线,西气东输一线及榆-济线等过境气源外,山西省还是国家煤层气的主要生产基地,包括河东煤层气田、沁水煤层气田等多个大型煤层气产区[2]。同时,山西省省级天然气管道已基本实现“互联互通”,逐渐形成网状结构。因此,山西省将面临因天然气气源多、气源情况复杂而产生的天然气互换性问题。

燃气电厂作为一种高效、环保、节能的发电模式,已在世界各国得到了广泛应用。近年来,随着我国天然气行业的快速发展以及环境保护要求的逐步提高,燃气电厂也陆续出现在我国大江南北。山西省为打造“碧水蓝天工程”,先后规划建设了嘉节燃气热电厂、东山燃气热电厂、保德燃气电厂、寿阳燃气电厂等多座燃气电厂[3]。

因燃气电厂用气量较大,山西省在运行燃气电厂用气量已占到山西省用气总量的25%。在电厂实际运行过程中存在燃气组分波动较大、热值不稳定及气质不干净等情况,给下游燃气电厂用户带来了安全和经济风险。本文主要结合山西省在用燃气电厂的实际情况,探讨多气源混输对燃气电厂的影响,并提供可行的调度运行方案,确保给电厂用户持续稳定地供应符合其要求的燃气。

1 燃气互换性及气源情况

1.1 燃气互换性判别方法

燃气互换性是指某一种燃具以X燃气为基准进行设计和调整,以Y燃气置换X燃气,如果燃烧器不加任何调整就能保证燃具正常工作,那Y燃气对于X燃气而言就具有互换性。目前,常用的研究燃气互换性的方法包括沃泊指数(华白数)法、燃烧特性曲线法、德尔布(Delbourg)-ff换性判定法、美国燃气协会(A.G.A)法等。

国际上以往最常用的是沃泊指数(华白数)法,目前则常采用华白数W和燃烧势CP(德尔布-ff换性判定法)来判定,即由一种燃气X置换另一种燃气Y时,控制燃气互换性的指标为华白数W和燃烧势CP。

华白数W代表热流量,是燃气互换性判定指数之一。燃气的华白数不变,表明供应的热量不变,燃具的热负荷也不变。华白数W计算式:

W=H/d1/2

(1)

式中:W为华白数,MJ/m3;H为燃气热值,MJ/m3;d为燃气相对密度(空气相对密度为1)。

燃烧势CP表示燃烧速度指数。燃气的燃烧速度不变,则火焰就稳定。燃烧势CP计算式:

(2)

根据我国GB 13611-2006《城镇燃气分类及基本特性》规定,城镇燃气按照高华白数及燃烧势可分为3大族13类，其中包括矿井气、沼气在内的天然气分为5类。由于矿井气为3 T、4 T,沼气为6 T,其燃烧特性接近于天然气,故归入天然气内。

在一般条件下,当燃气互换时,两种燃气必须属于相同参比条件下的同一类,且控制华白数值的变化范围在±5%～±10%[4-12]。

1.2 山西省天然气(煤层气)气源情况

山西省现有过境天然气陕京一线、二线及三线,西气东输一线,榆-济线,以及省内保德煤层气、永和煤层气等多种气源资源,通过分输、调压等工艺流程进入省天然气管网系统,气质组分及参数见表1[13]。

2 燃气电厂气源互换性分析

2.1 燃气电厂对气质的要求

目前山西省已正式投产运行的两座燃气电厂均是9F级,A燃气热电厂燃机系统采用“二拖一”F级燃气-蒸汽联合循环热电联产机组,装机容量为2×298 MW+1×264 MW,设计年平均效率可达65.8%;B燃气电厂是采用2台9F级燃气发电供热机组,总装机容量86×104kW。

9F级燃气电厂是先进的燃气发电机组,相对9E系列燃气发电机组具有更高的发电效率。为保证机组正常运行,9F燃机系统对天然气气质的CH4含量和华白数作出了要求。

2.1.1 CH4含量的要求

天然气中CH4组分体积含量,除去惰性气体外,应维持在85%～98%。然而,一旦运行的天然气确定,燃烧器根据天然气组分进行调整后,该天然气的CH4组分含量在除去燃气中的惰性组分含量外,变化范围应不超过±2%。

惰性气体包括N2、CO2成分,其体积分数总和在天然气中不能超过4%。

表1 气质组分及参数表

Tab.1 Components and parameters of gas

气质组分及参数陕京一线陕京二线陕京三线西一线保德煤层气永和煤层气CH493.523 394.722 394.272 796.230 091.940 097.040 0C2H63.809 22.687 32.984 01.770 00.030 00.870 0C3H80.664 50.439 00.431 30.300 0—0.070 0iC40.069 70.080 00.032 60.140 0——nC40.184 40.081 30.053 9———iC50.079 90.036 90.018 70.130 0——nC50.047 40.019 90.011 9———C+60.012 20.012 70.005 00.000 0——N20.852 00.235 40.311 50.960 05.010 00.810 0CO21.320 41.685 21.857 30.470 02.980 00.880 0H2——————He0.018 30.000 00.014 70.000 0——H2S————0.770 0—O2————0.040 00.330 0密度ρ/(kg·m-3)0.719 60.714 30.716 10.780 00.728 30.724 2相对密度0.587 40.583 10.585 00.578 00.604 70.573 5低热值Hi/(MJ·m-3)34.570 033.820 033.750 034.830 032.980 033.240 0低华白数Wi/(MJ·m-3)45.110 044.260 044.130 045.810 042.410 043.890 0高热值Hg/(MJ·m-3)38.320 037.510 037.440 038.710 034.010 036.830 0高华白数Wg/(MJ·m-3)50.000 049.110 049.330 050.920 043.730 049.570 0燃烧势CP39.960 039.850 035.450 037.680 035.490 039.210 0燃气类别12 T12 T12 T12 T12 T12 T

2.1.2 华白数的要求

大多数低热值天然气华白数一般为44.71 MJ/m3,有±15%的波动范围,但一旦用某一燃气调整后,其燃气指数(即低热值华白数)的波动值不能超过±2%。

低华白数的允许变化率为不大于4%/min[14-16]。

2.2 气质互换性计算

目前,A、B两座燃气电厂燃气气源主要包括陕京二、三线天然气以及保德煤层气、永和煤层气。根据前述9F燃气机组的性能要求,低华白数WI变化范围不大于±2%,CH4含量变化范围不大于±2%,惰性气体体积含量不超过4%。假定以两种气进行混合,得到不等式方程组(3):

式中:VCH4为基准气CH4含量,%;V1CH4为掺混气CH4含量,%;VWI为基准气低华白数值,MJ/m3;V1WI为掺混气低华白数值,MJ/m3;V惰为基准气中惰性气体含量,%;V1惰为掺混气中惰性气体含量,%。

根据电厂燃气机组供气的基准设定工况,运行模式可以分为4种[17-18]。

2.2.1 运行模式1

基准气1以陕京三线气为基准气,以保德煤层气(V1保)掺混基准气1(V基1),按照公式(3)进行计算,得到掺混界限比例V1保∶V基1=31.46∶68.54,即气质调整范围:保德煤层气体积含量0%～31.46%,陕三线气体积含量68.54%～100%。此掺混界限气的主要组分体积含量:φCH4=93.538 8%,φC2H4=2.054 7%,φCO2=2.210 5%,φN2=1.789 6%。物性参数:相对密度 0.591 2,低热值Hi33.507 8 MJ/m3,高热值Hg36.360 9 MJ/m3,低华白数Wi43.588 9 MJ/m3,高华白数Wg47.568 2 MJ/m3。

以永和煤层气(V1永)掺混基准气1,按照公式(3)进行计算,其掺混比例V1永∶V基1=84.72∶15.28,即气质调整范围:永和煤层气体积含量0%～84.72%,陕三线气体积含量15.28%～100%。此掺混界限气的主要组分体积含量:φCH4=96.617 2%,φC2H4=1.193%,φCO2=1.029 3%,φN2=0.733 8%。物性参数:相对密度 0.575 3,低热值Hi33.317 9 MJ/m3,高热值Hg36.923 2 MJ/m3,低华白数Wi43.926 7 MJ/m3,高华白数Wg49.533 3 MJ/m3。

2.2.2 运行模式2

基准气2以陕京二线气为基准气,以保德煤层气掺混基准气2(V基2),按照公式(3)进行计算,得到其掺混界限比例V1保∶V基2=34.26∶65.74,即气质调整范围:保德煤层气体积含量0%～34.26%,陕二线气体积含量调整65.74%～100%。此掺混界限气的主要组分体积含量:φCH4=93.769 1%,φC2H4=1.776 9%,φCO2=2.128 8%,φN2=1.871 2%。物性参数:相对密度 0.583 1,低热值Hi33.532 2 MJ/m3,高热值Hg36.310 9 MJ/m3,低华白数Wi43.626 2 MJ/m3,高华白数Wg47.266 8 MJ/m3。

以永和煤层气掺混基准气2,按照公式(3)进行计算,得到其掺混界限比例V1永∶V基2=81.74∶18.26,即气质调整范围:永和煤层气体积含量0%～81.74%,陕二线气体积含量18.26%～100%。此掺混界限气的主要组分体积含量:φCH4=96.616 8%,φC2H4=1.201 8%,φCO2=1.027%,φN2=0.705 1%。物性参数:相对密度 0.575 3,低热值Hi33.345 9 MJ/m3,高热值Hg36.954 2 MJ/m3,低华白数Wi43.957 6 MJ/m3,高华白数Wg49.486 MJ/m3。

2.2.3 运行模式3

基准气3为一种设定气,设定燃气华白数为陕京二线天然气和陕京三线天然气华白数的平均值,此掺混界限气的主要组分体积含量:φCH4=94.497 5%,φC2H4=2.835 7%,φCO2=1.771 3%,φN2=0.273 5%。物性参数:相对密度 0.584 05,低热值Hi33.785 MJ/m3,高热值Hg37.475 MJ/m3,低华白数Wi44.195 MJ/m3,高华白数Wg49.22 MJ/m3。

以保德煤层气掺混基准气3(V基3),按照公式(3)进行计算,得到其掺混界限比例V1保∶V基3=32.89∶67.11,即气质调整范围:保德煤层气体积含量0%～32.89%,基准气3体积含量67.11%～100%。此掺混界限气的主要组分体积含量:φCH4=93.656 3%,φC2H4=1.912 9%,φCO2=2.168 8%,φN2=1.831 3%。物性参数:相对密度 0.590 8,低热值Hi33.520 2 MJ/m3,高热值Hg36.335 4 MJ/m3,低华白数Wi43.607 9 MJ/m3,高华白数Wg47.414 3 MJ/m3。

以永和煤层气掺混基准气3,按照公式(3)进行计算,得到其掺混界限比例V1永∶V基3=74.33∶25.67,即气质调整范围:永和煤层气体积含量0%～74.33%,基准气3体积含量25.67%～100%。此掺混界限气的主要组分体积含量:φCH4=96.387 5%,φC2H4=2.892 3%,φCO2=1.806 7%,φN2=0.279 0%。物性参数:相对密度 0.595 7,低热值Hi34.460 7 MJ/m3,高热值Hg38.224 5 MJ/m3,低华白数Wi45.078 9 MJ/m3,高华白数Wg50.204 4 MJ/m3。

2.2.4 运行模式4

基准气4以永和煤层气为基准气,以保德煤层气掺混基准气4(V基4),按照公式(3)进行计算,得到掺混界限比例V1保∶V基4=63.33∶36.67,即气质调整范围:保德煤层气体积含量调整为0%～36.67%,永和煤层气体积含量调整为63.33%～100%。此掺混界限气的主要组分体积含量为:φCH4=95.169 8%,φC2H4=0.562 0%,φCO2=1.650 0%,φN2=2.350 1%。物性参数为:相对密度 0.680 4,低热值Hi33.144 7 MJ/m3,高热值Hg35.796 MJ/m3,低华白数Wi43.347 3 MJ/m3,高华白数Wg47.428 5 MJ/m3。

2.3 讨论与分析

2.3.1 陕京线气源混输模式

从第2.1节分析数据可知,陕京二线、三线两种气体CH4体积含量偏差为0.47%,低华白数偏差0.18%,惰性气体含量也均低于4%,因此,陕京二线、三线气体相互掺混具有最大的掺混比例。从图1可以看出,当以陕京二、三线气源为电厂供气时,两气源可以以任意比例进行混合。

图1 陕京线气源混输气比例范围曲线图Fig.1 Mixing proportion range of natural gas in Shaanxi-Beijing Line

2.3.2 陕京线气源与煤层气混输模式

因陕京二线、三线气体气源点接近,且相互实现互联互通,两气源已存在一定的混输情况,根据第2.1节分析可知,以保德煤层气掺混陕京二线、三线混合气,陕京线混合气的输气比例最小调整范围为68.54%～100%,最大调整范围为65.74%～100%;以永和煤层气掺混陕京线混合气时,陕京线混合气的输气比例最小调整范围为18.26%～100%,最大调整范围为15.28%～100%;若保德煤层气和永和煤层气掺混陕京线混合气时,陕京线混合气的输气比例最小调整范围为68.54%～100%,最大调整范围为15.28%～100%。因此,燃气电厂气源中陕京线输气量占比68.54%以上时,煤层气无论怎么混合,均可确保下游燃气电厂正常运行。

根据上述计算分析,利用Matlab数值统计分析软件建立了图2所示的数据曲线[19-20]。由此可以看出,在陕京线气源与煤层气(保德煤层气与永和煤层气混合气)进行混输的情况下,当确定保德煤层气在煤层气中的占比之后,便可确定陕京线气源的调节范围。