燃机电厂天然气调压站分析及优化

李双琦

摘要：本文将分析燃机电厂燃气轮机对天然气的实际要求，并以此为基础完善天然气调压站设计及配置，以期能够为业内人士提供理论参考。

关键词：燃机电厂;天然气调压站;设计及配置

前言：近些年来，随着国民环保意识的逐渐兴起，如今相比较燃煤发电更加清洁高效的天然气发电技术已经逐步应用普及。然而由于在不同地域、不同气源的影响下、天然气的实际组分情况也不尽相同，为能够有效确保燃气轮机的实际运行稳定性、安全性，需要对天然气组分进行一定限制，该限制过程便会需要天然气调压站，所以对燃机电厂天然气调压站进行分析研究，提出相应的设计及配置将有着极为重要的现实意义。

一、燃气轮机对天然气的实际要求

以三菱公司M701F4型燃气轮机为例，指出燃气轮机对天然气的实际要求。

1.1成分要求

1.1.1惰性气体

在天然气中，诸如氮气、二氧化碳等惰性气体的含量不应超过4mol.%。

1.1.2甲烷

除去惰性气体以外，天然气中甲烷的含量应保持在80-98mol.%范围区间内，且即便是受到天然气中惰性气体含量的影响，甲烷的实际含量也不应减少标准值范围的±9%。

1.2发热量要求

天然气的发热量将会直接影响到燃气轮机的燃烧能力，所以需要对天然气的发热量进行充分考虑。天然气的热值和比重关系式如下：

在公式中：

GI：燃气指数;

LHV：天然气的低位发热值，单位kJ/Nm3;

S.G.：天然气的相对密度，即在标准工况下，天然气密度与空气密度的比值。

通常来说，天然气在供应过程中的GI值变化不应超过±5%，变化速度不应超过5%/min。

1.3压力要求

通常来说，燃气轮机GT包入口处的天然气压力值需要控制在2.8-4.6MPa/g的范围区间内，在确定入口处的压力后，还需要确保天然气在供应过程中的压力值波动控制在±0.14MPa/g内;压力变化速度控制在0.08MPa/s[1]。

1.4可凝结液体要求

燃气轮机要求输送到燃烧系统喷嘴的天然气不能够含有液体成分，即要求气液混合天然气在达到最高饱和温度时，要确保过热度达到11℃以上。结合实际情况来看，天然气的供应温度应控制在5℃以上，防止因天然气供应温度过低导致供应管道或者使用设备出现结冰问题。

1.5固体颗粒要求

燃气轮机所使用的天然气固体颗粒应控制在30ppmwt以下，且固体颗粒的粒径应小于5μm。

二、燃机电厂天然气调压站设计优化

2.1天然气调压站的作用

天然气调压站作为燃机电厂天然气处理的主要外接口，结合燃气轮机对天然气的实际要求，天然气调压站应具备以下几点作用：

（1）天然氣调压及设备保护作用。在上游设备出现故障或者天然气供应压力出现较大波动的时候，天然气调压站能够有效控制天然气供应压力，防止下游管道和设备受到上游波动的影响;

（2）精准计量和校对进入燃机电厂的天然气量;

（3）将上游气源点所提供的天然气进行降压或稳压至下游燃气轮机所需要的压力、温度及流量要求，并确保天然气输送过程中的平稳性效果;

（4）除去天然气中的可凝结液体和固体杂质颗粒，确保天然气质量符合要求。

2.2构成及配置

通常来说，燃机电厂天然气调压站主要由入口单元、计量单元和综合处理单元、调压电压和集中放散单元等5大单元共同组成。各单元基本配置情况如图1所示。

2.3单元功能优化配置

2.3.1入口单元

入口单元的优化配置主要是针对入口单元绝缘接头的优化，进而增强调压站的电绝缘效果同时，提高上游管线与调压站之间的绝缘隔离效果。对此，需要在入口单元绝缘接头后侧配置有启动紧急切断阀，确保上游管线在发生泄漏、起火，超压等紧急事件时，实现调压站与上游管线的紧急切断隔离，确保下游管线与设备的安全性。另外，为确保入口单元的实际隔离效果，还需要确保配置的气动紧急切断阀的紧急响应时间控制在3s以内，且该切断阀的开启仅能够通过手动方式开启，防止出现误操作问题，造成额外损失[2]。

2.3.2计量单元

（1）KO分离单元

KO分离单元的主要作用是去除天然气中含有的大颗粒物质以及可凝结液体。在设计中，KO分离单元主要由离心分离设备构成，确保天然气中可凝结液体以及大颗粒物质的实际清除效果。

（2）加热单元

结合上文要求。调压站在设计过程中通常会选择水浴炉、电加热或者管壳式换热器等加热方式，然而结合三种加热方式的实际应用情况来看，三种加热方式各有各的优缺点，在实际设计过程中需要结合调压站以及上游气源的实际情况进行合理选择。

（3）分离过滤单元

在进行设计优化时，分离过滤单元的过滤器可选用“两运行一备用”或者是“一运行一备用”组合。具体情况应结合调压站的实际需求进行选择，需要满足天然气中固体颗粒、可凝结液体的进一步清除。

（4）凝淅液收集单元

凝淅液收集单元的主要作用是收集分离过滤单元和KO分离单元所离析出的固体颗粒、可凝结液体。由于天然气的实际特点，其中所蕴含的固体颗粒、可凝结液体也属于易燃易爆物质，需要进行妥善处理。在设计中，凝淅液收集单元中收集罐的容量需要满足燃气轮机从满负荷运行到安全停机整个过程所需的天然气量，所以在设计时需要结合实际需求预留出一定的容量预留。

2.3.4调压单元

根据实际需求，天然气调压站的调压单元可以选用“两运行一备用”或者“两、三运行一备用”的机组组合。在设计中，需要确保每条调压支路均能够串联配置隔离球阀、监控调压器、工作调压器以及安全切断阀。其中，工作调压器通常肩负着调节调压站出口天然气压力的作用，确保输出天然气能够满足燃气轮机的实际要求;而当工作调压器出现故障情况时，监控调压器将会自行投入运行。另外，在设计优化中，各工作支路与备用支路之间将会处于互为热备用状态，确保天然气的持续供应效果。

2.3.5集中放散单元

集中放散单元的主要作用是收集和排放天然气管道、设备所渗出、残留的天然气，防止出现天然气外泄，确保整个调压站的安全性。

三、结语

综上所述，天然气调压站在燃机电厂运行过程中将会发挥极为重要的作用，需要在进行天然气调压站设计过程中进行合理配置。本文结合燃机电厂中燃气轮机的运行要求，提出天然气调压站的理论设计方案，从而为燃机电厂的天然气调压站设计配置提供理论参考。

参考文献

[1]王国磊，张秀娟.无人值守天然气调压站的功能实现及安全防护管理[J].化工管理，2019，000（013）：135-136.

[2]任渊源，张卫灵，光旭，等.三菱M701F4联合循环机组天然气调压站优化设计[J].浙江电力，2018，37（10）：79-83.