制氮系统在联合循环电厂应用及效益分析

吴咏康

（福建晋江天然气发电有限公司 福建晋江 362251）

0 引言

晋江气电公司#1～#4 机组为F 级燃气-蒸汽联合循环发电机组，每套机组由1 台S109FA 型燃气轮机、1 台D10 型蒸汽轮机、1 台390H 型发电机和1 台NG-109FA-R 型余热锅炉组成。燃气轮机所需燃料为天然气，经中海油LNG 站送到天然气调压站系统再分配至各机组。全厂天然气系统庞大，涉及启动锅炉燃料、各机组前置站及燃烧系统。天然气有易燃易爆特性，投用天然气设备时，应用氮气进行吹扫管内空气，使氧气浓度小于4%，然后用天然气吹扫氮气，使天然气浓度大于95%。同时由于联合循环机组启停灵活的特点，在电网用电低、表现季节性特征情况时，通常需要一部分机组长时间备用，这就需要考虑对余热锅炉进行保养，通常使用的也是氮气。因为联合循环电厂系统繁杂，通常情况还存在氢气系统，例如发电机及供氢管线及压力容器，氮气也能在检修工作中使用。

1 制氮系统介绍

1.1 系统介绍

在未安装制氮系统时，厂区涉及氢气及天然气系统，通常使用临时氮气瓶组为用户进行充压、吹扫、保养或者置换工作，工作繁重且效率低下。在增设制氮设备和氮气系统后，氮气直达各用户，方便运行人员的操作，提升了工作效率。

1.2 制氮原理介绍

目前工业制造生产氮气方法主要有三种：冷空分法、分子筛空分法、薄膜空分法。晋江气电公司配备的制氮机使用的方法为分子筛空分法，基本原理就是利用氧气和氮气在分子筛吸附剂微孔内扩散速度不同。当空气经过分子筛时，直径较小的氧气以较快的速度向微孔内扩散，并优先被分子筛所吸附，剩下直径较大的氮分子供用户使用，而后再采用解吸方法排放分子筛中的含氧量多的成分。因此分子筛空分法要连续生产需使用2 个吸附罐，切换使用。

生产流程如图1 所示，空气首先经空压机压缩后压力升为0.8 MPa，经干燥机净化系统后至全厂公用的仪用空气储气罐，后进入二个填装吸附剂的变压吸附分离系统。洁净的压缩空气由吸附塔底端进入，气流经空气扩散器扩散以后，均匀进入吸附塔，进行氧、氮吸附分离，然后从出口端流出氮气，进入氮气缓冲罐。这一产氮过程约1 min，之后经均压和减压，排放出所吸附的氧气等杂质，完成吸附剂的再生。二个吸附塔交替循环操作，连续送入原料空气，生产出纯度≥99.9%的氮气，产量为500 Nm3/h，压力为0.5 MPa～0.7 MPa 之间，可调整。因为压缩空气系统为仪用气已存在，故制氮机可直接从仪用空气系统接入经处理后的空气，节约了成本。

图1 制氮系统生产工艺流程图

2 氮气系统布置及应用分析

2.1 全厂氮气系统的布置

氮气系统作为易燃易爆压力容器置换的中间气体和余热锅炉的保养用气，在联合循环电厂广泛应用。全厂氮气系统的布置主要分为4 个区域：4 台机组余热锅炉和前置站天然气系统、调压站天然气系统、氢站氢气系统、启动锅炉房天然气系统，具体分布如图2 所示。

图2 氮气用户系统图

2.2 应用分析

（1）机组余热锅炉充氮保养。为了最大限度减缓联合循环机组余热锅炉水汽系统在长时间机组停机备用期间的腐蚀，提高余热锅炉水汽系统的运行安全稳定性。通常在机组备用时间≥7 d 的情况下，采取余热锅炉放水，水汽系统采取充氮保养。充氮法保护范围包括低压省煤器入口门至进入汽轮机之前的高、中、低压主蒸汽门之间的全部水汽系统。机组长时间停运后，首先采用热炉放水余热烘干法，待整个水汽完成系统放水和余热烘干后，当汽包温度降至≤80 ℃时，开始进行充氮气置换系统内的空气。汽水系统氮气置换充压后，若系统严密性良好，则维持系统微正压，控制汽包压力在10 kPa～30 kPa范围内。若系统严密性达不到微正压的要求，则每天向汽水系统内补充氮气。

（2）天然气系统、氢气系统的置换。联合循环电厂燃料大多数为天然气，发电机多为氢气冷却，因为生产的需要，联合循环电厂有着复杂的天然气和氢气系统。因为氮气不活泼且价格低廉，为了确保天然气、氢气系统的安全运行，常被作为中间气体置换空气和危险气体。在正常使用前，多采用氮气置换的方式对天然气、氢气管道进行吹扫置换。通常在天然气、氢气系统投运或者检修后，使用氮气进行置换空气或者危险气体。氮气作为中间气体在系统中可以使天然气、氢气和空气不发生混合，不会发生爆炸事故。

3 制氮机的效益分析

3.1 经济性分析

当前电网对于燃气蒸汽联合循环机组受气价和电价的影响，通常年运行小时数偏低，电厂从自身经济利益考虑，会将个别机组作为长时间或者短时间备用。充氮保养对余热锅炉汽水系统保护有着积极意义，然而余热锅炉氮气保养对于氮气消耗是巨大的。同时在天然气、氢气系统检修过程，需要使用大量氮气进行置换工作。采用三个作业方式对于采购氮气瓶组与使用制氮机制氮成本进行分析比对，见表1。

表1 用户使用氮气瓶组与制氮机经济分析

余热锅炉充氮保养瓶组损耗85 瓶，每瓶氮气容积40 L，压力在12 MPa～15 MPa，每瓶氮气瓶组释放约6 m3氮气，经查询每瓶70 元。余热锅炉放水后制氮机运转约3 h～4 h 方可完成充氮保养，因空气压缩机厂用需求为1 台，在制氮机启动后需要增开1 台空压机，每小时多损耗110 kW，设取平均，电费0.5元/kWh。

故使用氮气瓶组余热锅炉放水后充氮所消耗的金额为：70 元/瓶×85 瓶=5950 元

使用制氮机余热锅炉放水后充氮所消耗的金额为：110 kW×4 h×0.5 元/kWh=220 元

使用氮气瓶组前置站充氮所消耗的金额为：70 元/瓶×20瓶=1400 元

使用制氮机前置站充氮置换所消耗的金额为：150 kWh×0.5 元/kWh=75 元

从余热锅炉充氮保养可以看出，相对于氮气瓶组，制氮机所花费的金额为氮气瓶组的1/19，其余系统置换工作也类似。因为系统泄漏，处理缺陷时通常需要置换工作。天然气系统的置换工作较为频繁，查询2019 年晋江气电MIS 涉及氮气置换天然气和空气的操作票共有37 份、涉及余热锅炉保养的操作票共有84 份（高、中、低汽包分开保养）。从以上资料得出使用制氮机在联合循环电厂日常的检修、维护工作中节约的金额约25 万元～30 万元氮气瓶组花费。但制氮机前期投入大，设备采购及安装70 万元，3 年内可回收成本。

3.2 节约人力资源分析

安装制氮机前，晋江气电公司在涉及氮气采购、充氮操作、氮气瓶组回收及存储消耗大量的人力资源。在机组停运保养前或者检修置换工作时，需要通知负责的专业人员提出外委购买氮气，经计划经营部批准后，协调氮气车到厂时间，同时安排仓储位置，安监部还需监控人员及车辆厂区内的安全，整体工作效率较慢。在遇到节假日期间可能存在氮气供应不及时，影响检修和维护工作。运行人员随时可掌控制氮机，便于产出氮气后直接接入系统，无需要切换气瓶，大大提高了工作效率。

4 总结

制氮机在联合循环电厂使用范围广且设备使用率高，运行可靠，运行成本低，是一种高效的现场制氮装置。在增设制氮设备和氮气系统后，氮气直达各用户，方便操作，避免频繁采购氮气瓶组，提升工作效率。