F级燃机电厂天然气调压站设计研究

摘 要：随着以洁净能源天然气为燃料的燃气轮机联合循环机组的大量引入，为燃气轮机提供合格的天然气成为燃气轮机电厂设计需要考虑的问题。本文针对厂区天然气处理系统的核心部分天然气调压站，介绍了M701F4型燃气轮机对天然气品质的要求，分析和讨论了天然气调压站的系统配置和设计要求，并提出了优化设计配置的建议。

关键词：燃气轮机；天然气；调压站

1 引言

近些年，随着经济的高速发展，我国的能源消费结构也在逐渐发生着变化。电力工业长期以来都被以煤炭为主的燃煤发电机组所占据，而现在这种情况正在悄然地发生着变化，以高效清洁的绿色能源天然气为燃料的燃气轮机联合循环发电机组已经逐渐发展了起来。

在燃机选型设计之初，根据工程燃用天然气的组分和性质，相应的机型和燃烧喷口会率先被确定下来。这时，燃气轮机的正常、稳定燃烧就将取决于天然气的压力、温度、流量和杂质等因素。安全、合理、高效的设计和建造厂区天然气处理系统，为机组提供合格稳定的气源，保证机组安全可靠的运行，就成为了我们目前首要研究的问题。

厂区天然气处理系统是衔接燃气轮机燃气前置处理模块和厂外天然气供应商的一个独立系统，主要由天然气调压站和引导至燃机燃气前置模块前的天然气管道组成。

调压站能否满足机组各个运行工况的要求，能否对来自上游长输供气管道的气源进行降压、稳压，使其可以连续稳定的输入到下游机组前置模块中，是保证机组安全可靠运行的前提。为了可以更好的提高机组运行的经济性、降低造价和减少能耗，本文现根据三菱M701F4型燃气轮机的实际情况，对天然气调压站系统的设计进行一些研究探讨。

2 M701F4型燃气轮机对天然气的要求

天然气由于地域、气源的不同，其组分也各不相同。虽然燃气轮机燃用的气体燃料范围较广，但为了保证安全、稳定和经济的燃烧，各燃气轮机厂家对天然气的成分等也有其一定的限制。

就三菱公司的M701F4型燃机而言，其干式低污染燃烧器（DLN）的设计是非常适合燃烧天然气的，而且NOx排放量低，不用注入水/蒸汽。M701F4型燃机对天然气的要求主要有以下几个方面[1]。

2.1成分

（1）甲烷：除去惰性气体的含量后，天然气成分中甲烷的含量要控制在80～98 mol.%范围内，而且天然气中甲烷含量的变化随惰性气体的减少应不超过±9%。

（2）惰性气体：惰性气体包括天然气中的氮气、二氧化碳，其含量不能超过4 mol.%。

2.2发热量

为了确定燃烧系统的能力，热值和比重是天然气必须要考虑的特性。因此，引入华白指数（即燃气指数，GAS INDEX）来进行表述，具体关系式如下：

其中， GI——燃气指数，即燃料的低位法热量LHV与比重的平方根之比；

LHVvol——燃料低位发热值（Btu/Scf；kJ/Nm3）；

S.G.——燃气密度与空气密度比值，即相对密度（标准工况下）。

GI 值变化不应该超过±5%；变化速度不能超过5%/min。

2.3压力

GT包入口处的压力要求在2.8～4.6MPa（g） 范围内。接口点的压力确定后，在下图所示的各种燃机运行模式情况下，都应遵守以下几个条件：

（1）压力波动范围应限制在±21 psi （0.14MPa）；

（2）压力变化速度不超过11 psi/s （0.08MPa/s）。

2.4燃气中的可凝结液体

输送到燃烧系统喷嘴的燃料，不能含有液体状态的成分，这就意味着达到最高饱和温度的气液混合燃料至少要有11℃的过热度。

燃气最低供气温度推荐在5℃以上，以防止燃气管道和设备结冰。

2.5燃气中固体颗粒

从燃气中供应到燃烧系统的固体颗粒应限制在30ppmwt（基于燃料重量）以下；所有固体颗粒直径均不能超过5μm。

3天然气调压站设计研究

天然气调压站是燃机电厂对其所用天然气的主要处理系统和厂外气源的接口，根据燃机对天然气燃料的要求，其主要作用有：

（1）保护下游管道和燃烧设备，防止上游压力波动较大或设备故障时，危害下游设备及管道；

（2）对入厂的天然气进行贸易计量数据准确性校对；

（3）将上游气源点提供的天然气降压（或稳压）至下游燃气轮机GT包前所需的压力、温度和流量，并达到稳定流动状态；

（4）分离去除燃气中的可凝结液体和清除固体杂质颗粒。

3.1构成及配置

目前我国燃机电厂调压站主要有大连派斯、四川Fisher Jeon、上海飞奥等三家公司制造设计。调压站一般由入口单元、计量单元、综合处理单元（包括：KO分离单元、加热单元、分离过滤单元、凝淅液收集单元）、调压单元和集中放散单元等五部分构成

3.2单元功能优化配置研究

3.2.1 入口单元

利用入口处的绝缘接头，实现上游管线与调压站系统的电绝缘；绝缘接头后设有气动紧急切断阀（ESD），在发生泄露、起火、系统超压或其它类似紧急事件时迅速切断天然气气源，保证下游电厂和设备的安全。ESD关闭时间应≤3s，并只能手动开启[2]。

3.2.2 计量单元

为了与上游天然气供应商的流量数据进行准确性校对，配置1x100%超声波流量计，精度应在±5%。目前多是以体积形式进行计量，虽也可以计量的目的，但还应该考虑在此单元增配色谱分析仪，在实现气质在线检测的同时，与超声波流量计配合实现热值计量。另外，为了进行标定，还应装设一个工装旁路。

3.2.3综合处理单元

3.2.3.1 KO分离单元

又称为粗分离单元，用于清除天然气中存在的游离滴液和大颗粒物质。主要设备为离心分离器，对10μm以上的颗粒要求清除率达到99.9%，以保护下游设备安全。特别是在电厂运行初期，由于受施工等多种因素影响，造成的管道内部留存杂质等污物较多，必须予以清除。当设备维修时可采用球阀旁路进行短期供气。

若调压站位置与天然气供应商的门站距离很近，并且门站内已设置了过滤分离装置，可以取消此分离器的设置。

3.2.3.2 加热单元

为了保证调压站出口天然气温度可以达到5℃或高于露点温度的11℃，站内一般会选用水浴炉、电加热或管壳式换热器三种方式对天然气进行加热。这三种设计配置有其各自的优缺点，应该结合调压站环境布置情况及上游天然气的实际特性进行设计选型，若调压幅度小、温降不大且高于结露点温度很多时，就可以考虑不在调压站区域设置加热单元。

3.2.3.3分离过滤单元

又称为经过滤单元，过滤器可根据需要采用两运一备或一运一备。过滤装置应保证能清除天然气中的固体颗粒、灰尘和雾状滴液，以确保进入燃机燃气前置模块的天然气符合要求。

3.2.3.4 凝淅液收集单元

凝淅液收集单元主要用于收集KO分离单元和分离过滤单元的凝淅液，由于凝淅液中含有的碳氢化合物等属于易燃易爆物质，因此该部分的收集罐要做好相应的安全处理。在燃机满负荷正常运行中，若因紧急事故造成调压站ESD阀关闭，燃机要被迫停机时，该收集罐的容量设计应满足燃机从满负荷到安全停机所需的天然气量，即此收集罐也要作为事故时机组安全停机所需的储气罐。

3.2.4 调压单元

调压单元的设置可以根据需要采用每台机组一运一备、两（或三）台机组两（或三）运一备的设置[3]。每条调压支路通常串联配置隔离球阀、监控调压器、工作调压器和安全切断阀。正常工况下，工作调压器用于调节调压站出口天然气的压力，当工作调压器故障时，监控调压器自动投入运行，而且各工作支路与备用支路之间应处于互为热备用状态。

调压阀的型式有自力式和浮动给定值式两种。作为调压站的核心部件，根据市场主流产品，以大连派斯、四川Fisher Jeon、上海飞奥三家公司的调压器特点做简单介绍。

3.2.4.1 大连派斯

大连派斯在9F级机组上一般采用荷兰高特BAAI-R100S调压器，BAAI 调压器可用于天然气长输管道分输站、城市燃气输配系统、大型工业用户的燃气调压计量系统，具有调压精度高，可靠性高的特点。BAAI 调压器由燃气介质控制。特别在工况条件变化很大的大型工业用户（如天然气发电厂等）的使用中，BAAI调压器表现出良好的稳定性和高速的反应能力。另外，调压器非常适合要求调压站的压差非常小的工况，城市燃气输配系统经常出现这种瓶颈情况。BAAI 调压器所需要的启动压差仅为0.05Mpa。同时保证很高的精度，能使调压站内压力在限定的范围内保持平衡。高特公司可对特殊工况进行预计算和模拟计算。由于BAAI 调压器消音装置独一无二的结构，该调压器特别适用于对于噪音标准要求特别严格的工况。如果需要，可要求高特公司为用户计算在特定工况下的噪音水平。

其三个品牌的调压器的工作原理较相似，均为通过上、下游压差体现在指挥器上，靠调节指挥器的开度来调整调压器的开度从而控制下游的压力。我们以高特调压器为例具体介绍下调压器的工作原理。在出口压力保持稳定的情况下，阀门允许通过的流量和燃气消耗量相等，作用在主皮膜上的力是平衡的。这个平衡是由作用在膜片上面的控制压力和作用在下面的出口压力加上弹簧的作用力。如果在出口端更多的燃气被消耗，会导致出口压力下降。因为出口压力反馈到主调压器上，阀会因受力而进一步打开并允许更多燃气通过。皮膜向下运动会增大控制腔的体积，并进一步向下压缩弹簧。因而在较低的出口压力下达到新的平衡。指挥器确保出口压力被调到设定值。对于出口压力的减小，也会导致皮膜下降。因此，供气阀允许更多的燃气通过内部限流器，通过内部限流器排放进控制腔。这导致控制腔压力升高，直到出口压力与调节螺钉所设定的要求值相等。在燃气消耗下降时，系统的反应与上述过程相反。指挥器的第一级，被称作进口压力调节器或稳压器，它使调节后的出口压力与阀的进口压力（称为辅助压力或稳定压力）之间保持恒定的压差。当下游燃气用量完全终止时，调压器阀芯、指挥器阀芯与指挥器入口压力调节阀芯都关闭。通过在指挥器上的限流器，控制腔内的气体流向下游，控制腔压力和出口压力相等，阀芯在弹簧的作用下关闭。在正常的工作条件下，从控制腔到出口总有的非常微小的气体流动，以保证调压的稳定。在指挥器一级调压器前装有高质量过滤器，防止杂质污染指挥器。出口压力可以由弹簧和调节螺钉很容易地设定。指挥器有2 个基本型号：P095-MPS 和P095-HPS。这2 种指挥器出口压力设定点范围不同。除了它们的二级调压器的膜片支撑盘不同外其他部分都是完全一样的。相同系列的弹簧对于两种类型的指挥器都是适用的。每根弹簧对应一定的压力设定范围。在P095-xPS 带有一个连接4 处呼吸管的直螺纹接头。

3.2.4.2 四川Fisher Jeon

Fisher Jeon在9F级机组上一般采用TARTARNI的FL系列指挥器式调压器。该调压器为轴流式FL系列使用非常广泛。可以用于经过过滤后的天然气的减压、配给和输送中。同时FL系列调压器也可以用于空气、丙烷、丁烷、液化石油气、城市用气、氮气、二氧化碳和氢气等其他气体。工作调压器、监控调压器、切断阀都是通过信号管从下游取气经指挥器调节从而控制阀体的开度。监控调压器是用于气体的减压系统中的一种紧急设备。使用监控调压器的目的就是保护系统使其在出现可能的超压时能够继续正常工作。同时，监控器作为主调压器来控制下游压力，其设定压力比调压器的压力稍高。在正常状况下，监控器是全开的，其检测到的压力比其设定的压力稍低。当下游压力增加时，比如某个工作的调压器出现故障引起下游压力增加，一旦下游的压力增加超过设定的公差允许范围，监控器就开始工作，将压力调整到其设定的状态。

FL系列调压器出口法兰处的速度非常大，其理论速度可达到80米/秒，因而可以在FL系列调压器阀口附近安装一个具有特殊电抗性的内置消音器，SR型，这样可以消除高达20分贝的噪音。一个SRS消音器由一个SR消音器加上一个放大的出口法兰组成，其中在放大的出口法兰中可以安装另外一个消音器。第二个消音器拥有一个起始多通道部分和一个多级部分。这样，在不限制气体的速度的情况下，噪音可以减小26 分贝。习惯上总是将一个STP 安装在SRS 消音器的下游，但也可以和SR消音器安装在一起，这样可以进一步减小噪音10到20分贝。总的噪音减少量是SR消音器减少的噪音或者SRS 消音器减少的噪音在加上STP减少的噪音之和。采用上述消音装置可以阻止噪声波沿管道的传播。

3.2.4.3 上海飞奥

上海飞奥采用的是意大利飞奥提供的Reflux819调压器，其设计压力最大10Mpa，设计温度-10至50℃，进口压力0.05至8.5Mpa，最小工作压差0.03至6.0Mpa。良好的密封性，符合欧洲调压器标准EN334真正的“顶部进入”式设计，可方便的进行在线维修，无须从管线上拆除阀体。流量调节范围大，流量调节比达到1：500。通过调整导阀或更换弹簧及其它部件（不必拆卸阀体），快捷、方便地改变调压器的设定值，以保证今后压力改变时，仍能满足工艺要求。并且该装置外设有堵盖且调节工具为专用工具，能避免由于人为误操作造成压力控制系统异常工作。 Reflux819系列调压器的调压精度：RG 1。

Reflux819调压器的指挥器在必要时在调压环路中可采用微流阀来指挥调压器的开闭，通过一个21至104KPa的信号来控制。比手动调节更精确，可实现远控。

调压阀的选型，要根据不同的燃气轮机要求及现场环境条件综合考虑。如果燃气轮机给定的入口天然气压力范围较大，则可以配置自力式调压阀，其初投资相对低。如果电厂调压站距离主厂房区域远且所需压降幅度较大、自力式调压阀在低负荷时不能满足进气要求时，可选择浮动给定值式，精确地控制燃机进口燃气压力，但其初投资相对略高。如调压精度要求较高

3.2.5集中放散单元

本单元主要是收集和排放设备和管道中渗漏和残留的天然气，确保整个调压站系统的安全。

3.3调压站结构型式

燃机电厂天然气调压站的布置主要有露天或半露天（加防雨设施的敞开式）布置，特殊情况也可采用室内布置[3]。由于天然气易燃、易爆，调压站内设备阀件多，气体易泄露，故只要设备工作条件许可，应尽量采用露天布置。调压站内的设备和阀门等附件，推荐优先选用撬装式设计。采用撬装式调压站设计，主要具有以下几个优点[4]：

（1）由专业厂家完成，系统整体配合性好，各单元设备在出产前进行组装、调试，降低了现场安装的不确定性，可靠性高。

（2）整体布局设计较为紧凑，减少了占地；

（3）施工管理和调试验收简单，降低施工难度，缩短施工时间。

4结论

天然气调压站系统在燃机电厂中，有着至关重要的地位。合理优化调压站系统的配置，在确保机组安全稳定运行的前提下，还可以有效降低初投资，提高机组运行经济性。怎样合理有效的进行设计优化配置，发挥能源自身的最大可利用率，是设计中必须要考虑的问题。

参考文献（References）

[1]三菱公司的《气体燃料技术规范》E00-05139 R1.

[2]陆锡恩.燃气轮机对天然气的气质要求及调压站的配置.大型燃气轮机发电技术，2006，01.

[3] DL/T 5174-2003，燃气——蒸汽联合循环电厂设计规定[S].

[4]徐伟，黄兴涛.撬装式燃气调压站设备的选用.煤气与热力，2006，4.

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