电厂增压式天然气供应系统配置及功能分析

耿海涛

(湖北华电武昌热电有限公司，湖北 武汉 430062)

电厂增压式天然气供应系统配置及功能分析

耿海涛

(湖北华电武昌热电有限公司，湖北 武汉 430062)

天然气供应系统的配置及功能直接关系到燃气电厂机组和设备的安全经济运行。以S109E型联合循环机组天然气供应系统为例，介绍和分析该系统设备的配置情况、系统特点，并对其安全功能进行分析，为同类项目的建设提供参考。

燃气轮机；联合循环机组；增压式天然气供应系统；燃料热值

0 引言

某燃气电厂共装设2台S109E型联合循环机组，总容量370 MW、对外供热能力320 t/h(930 GJ/h)。由于S109E型燃气轮机入口天然气压力要求为2.5—2.8 MPa，而天然气管网输入的压力仅0.4—1.6 MPa，所以该电厂天然气供应系统设计为增压系统，即需在燃气轮机的上游设置天然气增压站。下面就该增压式天然气供应系统的配置及安全功能进行分析。

1 燃气轮机对天然气的要求

天然气作为能源具有一定的优越性，其中最突出的优点是：天然气是清洁能源，其燃烧排放量远低于石油和煤的燃烧排放量，所以用天然气做燃料可大幅度减少环境污染；天然气是高效能源，天然气在燃气轮机联合循环发电利用中，热效率最高已突破60 %；天然气还是优质能源，由于天然气组分不含CO，这就减少了泄漏对人畜生命安全造成的危害。

为使燃气轮机安全、可靠、经济运行，对所燃用的天然气品质作了严格的要求，即清洁、干净，不含液态烃；燃气温度大于其露点温度，燃气压力稳定。由于天然气产地不同，其品质差异很大，故燃气轮机制造厂规定天然气品质要符合燃气轮机的用气规范。

1.1 天然气压力

对于S109E型燃气轮机而言，天然气进气压力应保持在2.5—2.8 MPa。严格控制天然气压力波动：压力变化范围不大于1 %，变化速率不大于0.25 %/s，瞬时最大变化值不大于0.25 %/s。

1.2 天然气过热度

气体燃料含有液滴会引起燃气轮机的燃烧室喷嘴损坏，还会导致DLN(Dry Low NOX，干式低氮燃烧器)燃烧系统预混合火焰逆燃或预混合区着火。因此，要求进入燃气轮机的天然气要有一定的过热度，以确保进入燃气轮机的燃气不含液体。过热度是气体燃料的温度与碳氢化合物及湿气各自露点温度之差。通常燃气在送到燃气轮机前的温度大于烃露点温度(28 ℃)，燃气轮机制造厂要求燃气温度控制在15.5—61 ℃范围内。

1.3 修正的WObbe指数(MWI)

燃气轮机可以燃用热值变化范围很广的气体燃料，但是具体的燃料系统设计所能适应的燃料热值变化范围却是有限的。设计的燃料喷嘴只能在一定的比压范围内使用，可通过增加或减少燃料喷嘴面积或气体燃料温度来适应热值变化。对于特定系统设计的气体燃料互换性(即只要WObbe指数相近，其所用的燃具就可以通用)度量标准，称为修正的WObbe指数，即MWI。当由于热值或燃料温度的变化导致MWI超过5 %时，就需要改变燃料系统，故MWI的变化范围应控制在±5 %以内；正常运行时，变化值应低于0.3 %/s，且温升率小于1 ℃/s。

1.4 天然气中的杂质

天然气中的杂质主要是固体微粒、液滴、S、微量元素等。控制天然气中的粉尘等微粒，是避免高温燃气通道结垢和过度腐蚀，以及燃料喷嘴堵塞、气体燃料系统中的控制阀磨损腐蚀的重要方法。不允许天然气中携带液滴，是为了防止液体进入燃气轮机通流部分而引起故障和部件损坏。

因此，燃气轮机制造厂的规范中规定：天然气经过滤后，直径0.3 µm以上的固体微粒含量不超过0.01 %，直径0.3 µm以上的液滴含量小于0.5 %，且杂质总量控制在0.003 5 %以下。此外，对于装有天然气增压机的系统，其燃气中不允许有油分。

2 增压式天然气供应系统的配置及功能

该厂天然气由某市天然气高中压环形管网引至电厂增压站，管网供气压力为0.4—1.6 MPa。天然气先进入增压站进行过滤、稳压、增压、冷却和计量后进入燃气轮机DLN阀站，最后进入燃气轮机的燃烧室，完成天然气输送和处理，使其符合燃气轮机对天然气的进气要求。增压式天然气供应系统由天然气支线、增压站、前置模块、DLN阀站及其管路4个部分组成。

2.1 天然气支线

天然气从天然气管网公司所辖的输气干线上接入1条支线进入分输站(末站)，然后送至电厂设置的天然气增压站进行处理。支线长17 km，管径DN 500，最大输送能力为9 700 m3/h，可满足2台S109E型联合循环机组最大出力用气量。

2.2 天然气增压站

天然气增压站主要由入口紧急切断单元(包括绝缘接头、紧急切断阀ESD(Emergency Shutdown Device)、隔离球阀等管件)、过滤单元(包括粗过滤器、精过滤器及冷凝储罐等)、计量单元(包括超声波流量计和色谱分析仪等)、增压和冷却单元(包括增压机、低压冷却器、高压冷却器等)、出口单元(包括缓冲罐、绝缘接头、电磁隔离球阀等)、放散单元(包括放散管、安全阀、手动排气阀等)等6部分组成。

其主要功能如下。

(1) 清除天然气中的杂质，使进入燃气轮机中的气体燃料符合规范要求。

(2) 增压、稳压。天然气输气干线中的天然气压力为0.4—1.6 MPa，为满足燃气轮机所要求的压力范围，通过增压站所配置的压缩机将其升高到规定值(该电厂S109E型燃气轮机为2.5—2.8 MPa)，并经调节达到稳定状态。

(3) 对下游的管道和设备提供安全保护。当机组或系统在运行中发生故障时，增压站中所设置的安全装置，如紧急切断阀ESD等动作，快速切断向下游的供气，避免故障扩大和防止上游的天然气危害到下游的管道和设备。

2.3 前置模块

前置模块主要由双联过滤器、快速切断阀、排放阀和流量计组成，起到对天然气再次过滤、计量及安全保护的作用。

该模块配置双联过滤器2台，1用1备，是保证天然气清洁度的最后一道屏障。该过滤器对天然气中直径在0.3 µm以上的颗粒和液滴的清除效率在99.99 %左右。前置模块中的快速截止阀和放空阀，用于切断进入燃气轮机的用气和减压，以及排除快速截止阀后的管段和设备中残存的天然气，保证机组和系统的安全。流量计配备有体积修正仪，其具有温度与压力实时修正的功能，既能就地显示运行工况下的天然气体积流量，又能显示经温度、压力修正后的标准体积流量。此外，由双联过滤器、快速切断阀、安全放空阀及计量装置组成的燃气轮机前置模块系统中的信号均引入Mark VI燃气轮机控制系统，以进行报警、监控和逻辑运算等。

2.4 DLN阀站

天然气从前置模块流出后，依次进入DLN阀站中的过滤器、速度比例截止阀(VSR)、气体燃料控制阀(VGC)，然后分3路引入各自环形管，最终分别进入燃气轮机14个燃烧室的喷嘴。

来自燃气轮机压气机的排气经清吹阀，用于燃气轮机停运或燃烧方式切换时，对其燃料系统中的管道进行吹扫。系统中的VSR及VGC用来控制气体燃料的质量流量和调整气体燃料压力，前者的功能为：当机组事故紧急停机或正常停机时，负责切断机组气体燃料的供给和调整气体燃料控制阀前的燃料气体压力，使其保持在所要求的压力值；后者的功能为：根据燃气轮机转速、功率的要求，向其提供一定数量的气体燃料。在DLN阀站的燃气管路上还装有可燃气体排放阀，当燃气轮机停用时，排放积存在VSR和VGC之间管道中的气体燃料至大气中；当机组启动时，则此阀自动关闭，无燃气泄漏。

3 结论与建议

天然气供应系统，是燃气电厂的重要组成部分。因此，从系统的布置设计、设备的选型配置，以及安装和投产后的运行维护等环节，都要给予足够的重视，以满足燃气轮机对天然气的要求，为机组安全、经济运行创造条件。

(1) 压缩机选型。选用离心式压缩机，其优点是排气量大、结构紧凑、工作平稳、易于实现自动控制、维护工作量小。增压的天然气供应系统，其压缩机功耗约占厂用电的52 %，是这类燃气电厂的耗能大户，因此优化压缩机的运行方式是节能降耗的重要内容。由于进入增压站的天然气压力受天然气主管网的制约，电厂需加强运行维护，减少增压站过滤装置的阻力损失，以使进入压缩机的天然气压力较高；优化闭式冷却水系统的运行方式，冬季采暖期(105天)，通过减少进入高、低压冷却器的冷却水量，降低闭式循环冷却水泵的功耗；压缩机采用变频调速，该厂第2台燃气轮机联合循环机组增压站压缩机实现变频调速后，比第1台燃气轮机联合循环机组采用节流调节的压缩机节电约30 %，取得很好的节能效果。

(2) 天然气进入压缩机压缩升压后，温度亦随之升高，因此南方地区可取消前置模块配置的天然气电伴热管，使系统简化。

(3) 调整压缩机出口天然气温度限值，提高进入燃气轮机天然气的温度。燃气轮机制造厂家规定进入燃气轮机的天然气温度应在65—110 ℃，而增压站安装调试中，将其出口天然气温度限值在65 ℃以下。实际运行表明，进入燃气轮机的天然气温度仅为36 ℃，若通过减少其进入压缩机出口管段上的高压冷却器(简称高冷)的冷却水量，将燃气轮机天然气入口温度由目前的36 ℃升高至65 ℃，仅冬季采暖期，就可节约天然气15万m3以上、节约厂用电近3万kWh。

(4) 集中放散单元中的放散塔以及系统上的其他放散装置的选址和放散高度的设置等，必须符合相关规程的规定。

(5) 燃气轮机对所燃用的天然气清洁度要求很高，清洁度不够高将造成机组故障和影响机组使用寿命等一系列严重后果。因此，除在设计和设备选型时，配置高效的过滤装置外，还应在安装过程中清洗干净管路及设备，并在机组投产后注重对过滤装置的运行监视和维护。

1 任其智.燃气轮机检修[M].北京：机械工业出版社，2006.

2《世界燃气轮机手册》编委会.世界燃气轮机手册[M].北京：航空工业出版社，2005.

2016-11-04；

2017-03-05。

耿海涛(1976—)，男，工程师，主要从事燃气电厂生产技术管理工作，email：wcrdc-xuming@163.com。