張學(xué)妙

(青島能源設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東青島266073)

1 工程概況

青島市平度市南村鎮(zhèn)某沼氣生產(chǎn)項(xiàng)目日均生產(chǎn)沼氣量為2.59×104m3/d。經(jīng)檢測，沼氣的主要組分為甲烷，甲烷的體積分?jǐn)?shù)約為60%，二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)約為35%，硫化氫、氮?dú)?、氧氣、氫氣和一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)約為5%。經(jīng)過凈化提純處理后的凈化沼氣質(zhì)量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820—2012《天然氣》規(guī)定的“二類氣”的標(biāo)準(zhǔn)。凈化沼氣量為1.6×104m3/d。

沼氣利用的方案為凈化后輸入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)。

2 凈化沼氣進(jìn)入天然氣管網(wǎng)主要問題分析

凈化沼氣進(jìn)入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)可能出現(xiàn)如下3個(gè)主要問題：

① 由于沼氣生產(chǎn)不穩(wěn)定，可能造成天然氣公司調(diào)度困難。

② 凈化沼氣熱值不穩(wěn)定，華白數(shù)波動(dòng)超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴返囊?guī)定值，將嚴(yán)重影響天然氣用戶正常使用。

③ 凈化沼氣含水量超標(biāo)，輸配過程中易形成冰堵，損壞天然氣設(shè)備，影響管網(wǎng)運(yùn)行和用戶用氣。

3 凈化沼氣進(jìn)入天然氣管網(wǎng)技術(shù)措施

3.1 優(yōu)化工藝流程

本項(xiàng)目對沼氣從生產(chǎn)到進(jìn)入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)的整個(gè)流程進(jìn)行優(yōu)化。凈化沼氣進(jìn)入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)流程見圖1。

圖1 凈化沼氣進(jìn)入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)流程

沼氣由生產(chǎn)裝置產(chǎn)出，經(jīng)過凈化裝置凈化提純后，成為凈化沼氣。再經(jīng)過3臺水露點(diǎn)檢測儀和1臺氣相色譜分析儀進(jìn)行檢測分析。如果出現(xiàn)檢測不合格的沼氣，則自動(dòng)打開回流電磁閥，檢測不合格的沼氣回流至沼氣凈化裝置入口處，再進(jìn)一步凈化提純。經(jīng)過檢測合格的沼氣通過出廠電磁閥，再通過調(diào)壓器調(diào)壓、流量計(jì)計(jì)量、自動(dòng)加臭機(jī)加臭，然后通過止回閥，進(jìn)入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)。

3.2 選擇穩(wěn)定的沼氣生產(chǎn)工藝技術(shù)

為了解決沼氣生產(chǎn)不穩(wěn)定的問題，在沼氣生產(chǎn)工藝方面，經(jīng)過常溫、中溫、高溫厭氧發(fā)酵工藝三方案比較，濕式厭氧發(fā)酵工藝和干式厭氧發(fā)酵工藝兩方案比較，單相、兩相厭氧發(fā)酵工藝兩方案比較，單級、兩級厭氧發(fā)酵工藝兩方案比較，確定選擇技術(shù)成熟、沼氣生產(chǎn)穩(wěn)定的工藝技術(shù)方案——中溫濕式單相兩級厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)進(jìn)行沼氣生產(chǎn)，所有生產(chǎn)工藝設(shè)施考慮備用，確保沼氣生產(chǎn)穩(wěn)定。

3.3 選擇可靠高效的沼氣凈化技術(shù)

在沼氣凈化工藝技術(shù)方面，經(jīng)過對變壓吸附法、化學(xué)吸收法、壓力水洗法三方案進(jìn)行比較，最終選擇壓力水洗法進(jìn)行沼氣凈化。

壓力水洗法脫除二氧化碳是物理吸收過程，根據(jù)沼氣中主要組分甲烷、二氧化碳、硫化氫在水中的溶解度不同而實(shí)現(xiàn)氣體分離。在整個(gè)過程溫度變化不大的條件下，甲烷在水中的溶解度隨壓力變化不大，二氧化碳、硫化氫在較高壓力下在水中溶解度大，在較低壓力下因在水中的溶解度小而釋放出來，從而實(shí)現(xiàn)對二氧化碳、硫化氫的分離，完成沼氣凈化提純。

壓力水洗法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備自身能耗低，甲烷逃逸率低，可以建設(shè)大型沼氣提純工程，系統(tǒng)可靠性高，設(shè)備維修成本相對較低。

所產(chǎn)沼氣全部進(jìn)行壓力水洗法提純，經(jīng)過脫水后，在凈化車間通過初步檢測，合格后的沼氣方可進(jìn)入下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

3.4 凈化沼氣組成檢測及互換性分析

3.4.1 凈化沼氣組成檢測

為了解決凈化沼氣熱值不穩(wěn)定、華白數(shù)波動(dòng)超過規(guī)定值的問題，需要實(shí)時(shí)檢測凈化后沼氣的組成，并計(jì)算出凈化沼氣熱值和華白數(shù)，使之穩(wěn)定在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴芬?guī)定的范圍內(nèi)。

天然氣組成和凈化沼氣組成檢測多采用氣相色譜分析儀[1]。在調(diào)壓計(jì)量區(qū)入口處，采用氣相色譜分析儀對凈化沼氣組成進(jìn)行復(fù)檢。

氣相色譜分析儀檢測的數(shù)據(jù)通過通信線路上傳到控制中心，對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。氣相色譜分析儀對凈化沼氣組成的分析周期設(shè)定為小于或等于5 min，能根據(jù)其測量數(shù)據(jù)自動(dòng)生成報(bào)告及色譜圖，并向設(shè)于控制中心的上位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，至少提供兩個(gè)RS-485串行通信接口，并支持MODBUS RTU通信協(xié)議。氣相色譜分析儀具有自診斷功能，診斷結(jié)果傳送到上位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制單元應(yīng)有LCD圖形顯示器和鍵盤，能夠在顯示器上顯示圖譜、氣體組成、熱值、密度等信息，并能通過按鍵選擇顯示內(nèi)容和顯示方式。氣相色譜分析儀設(shè)置在現(xiàn)場，是防爆型分析儀表，其防爆等級不低于Exd Ⅱ BT4；具有防塵、防水功能，防護(hù)等級不低于IP65。

本項(xiàng)目自2017年6月投產(chǎn)以來，通過一年四季多次檢測，檢測數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，凈化沼氣不含凝結(jié)水和硫，除甲烷外，無其他烴類，更無液態(tài)烴。

氣相色譜分析儀監(jiān)測數(shù)據(jù)如下：各組分體積分?jǐn)?shù)甲烷97.22%，二氧化碳0.70%，氧氣0.70%，氮?dú)?.27%，氫氣0.11%。高熱值為36.75 MJ/m3，低熱值為33.09 MJ/m3，相對密度為0.57，密度為0.70 kg/m3。

3.4.2 互換性分析

根據(jù)南村鎮(zhèn)的用氣情況，將全部凈化沼氣與天然氣混合后進(jìn)入天然氣管網(wǎng)。由于南村鎮(zhèn)的冬夏季日用氣量均超過凈化沼氣量，因此，本文按照冬季的最大用氣量和夏季的最小用氣量進(jìn)行燃?xì)饣Q性分析。

根據(jù)凈化沼氣的檢測結(jié)果，高熱值為36.75 MJ/m3，相對密度0.57，經(jīng)計(jì)算，凈化沼氣的華白數(shù)為48.67 MJ/m3。

南村鎮(zhèn)使用的管輸天然氣為中石油供應(yīng)的管輸天然氣，中石油管道公司提供的檢測數(shù)據(jù)如下：相對密度為0.602，密度為0.725 5 kg/m3，高熱值為38.936 MJ/m3。經(jīng)計(jì)算，管輸天然氣的華白數(shù)為50.18 MJ/m3。

夏季混合氣中，凈化沼氣與管輸天然氣的體積之比為16∶1；冬季混合氣中，凈化沼氣與管輸天然氣的體積之比為8∶13。

經(jīng)計(jì)算，夏季混合氣的華白數(shù)為48.76 MJ/m3，高熱值為36.879 MJ/m3；冬季混合氣的華白數(shù)為49.60 MJ/m3，高熱值為38.10 MJ/m3。

GB/T 13611—2018規(guī)定，天然氣(12T)的華白數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為50.72 MJ/m3，范圍為45.66～54.77 MJ/m3；高熱值標(biāo)準(zhǔn)為37.78 MJ/m3，范圍為31.97～43.57 MJ/m3。

與標(biāo)準(zhǔn)值相比，混合氣夏季華白數(shù)的波動(dòng)幅度為-3.86%，冬季華白數(shù)的波動(dòng)幅度為-2.21%，特殊情況下，全部采用凈化沼氣供應(yīng)用戶，則華白數(shù)的波動(dòng)幅度為-4.04%。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，夏季、冬季、特殊情況下混合氣華白數(shù)的波動(dòng)幅度分別為-3.86%、-2.21%、-4.04%，均滿足不超過±5%的波動(dòng)要求；混合氣的高華白數(shù)和高熱值均在GB/T 13611—2018規(guī)定的天然氣(12T)類別的范圍內(nèi)。因此，本項(xiàng)目凈化沼氣可與管輸天然氣混合后供應(yīng)用戶，也可以單獨(dú)供應(yīng)用戶，與天然氣的互換性良好。

3.5 凈化沼氣水露點(diǎn)檢測

凈化沼氣水露點(diǎn)應(yīng)始終保持在低于環(huán)境溫度5 ℃以上，確保所有天然氣設(shè)施不致因冰堵而影響使用。采用水露點(diǎn)檢測儀對凈化沼氣水露點(diǎn)進(jìn)行檢測，并將檢測的數(shù)據(jù)上傳到控制中心。水露點(diǎn)檢測儀數(shù)量為3 臺，3 臺同時(shí)開啟，當(dāng)3 臺水露點(diǎn)檢測儀檢測的數(shù)據(jù)均不一致時(shí)，應(yīng)及時(shí)對水露點(diǎn)檢測儀進(jìn)行檢修，以確保檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

水露點(diǎn)檢測儀測量范圍：-50～20 ℃；檢測分度值：±2 ℃；響應(yīng)時(shí)間：3 min。

在2017—2018年度冬季最冷時(shí)，環(huán)境溫度為-13 ℃，檢測得到凈化沼氣水露點(diǎn)為-35 ℃，比最低環(huán)境溫度低22 ℃，滿足天然氣質(zhì)量要求。

由于中石油管輸天然氣內(nèi)不含凝結(jié)水，水露點(diǎn)為-20 ℃，凈化沼氣也不含凝結(jié)水，水露點(diǎn)為-35 ℃，凈化沼氣與天然氣混合后混合氣不會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水。本項(xiàng)目運(yùn)行一段時(shí)間后，多次對凈化沼氣與管輸天然氣的混合氣抽樣，進(jìn)行檢測分析，均無凝結(jié)水產(chǎn)生。

3.6 不合格的沼氣回流再凈化

凈化沼氣經(jīng)組成檢測和水露點(diǎn)檢測后，若數(shù)據(jù)不滿足GB 17820—2012中“二類氣”的規(guī)定或合同要求，即為檢測不合格的沼氣，通過控制中心自動(dòng)將出廠電磁閥關(guān)閉，將回流管道上的回流電磁閥打開，使檢測不合格的沼氣回流到沼氣凈化裝置，再進(jìn)行凈化。

本項(xiàng)目已運(yùn)行1 a，尚沒有檢測到凈化沼氣不合格的情況。

3.7 合格的沼氣進(jìn)入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)

凈化沼氣組成檢測和水露點(diǎn)檢測全部數(shù)據(jù)合格時(shí)，出廠電磁閥打開，凈化沼氣進(jìn)入調(diào)壓計(jì)量柜，通過調(diào)壓器、流量計(jì)、自動(dòng)加臭機(jī)后，進(jìn)入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)。

調(diào)壓器進(jìn)口壓力為0.7～0.8 MPa,出口壓力為0.35 MPa，額定流量為800 m3/h，調(diào)壓器前后各設(shè)置一路壓力傳感器。流量計(jì)公稱壓力為1.6 MPa，額定流量為800 m3/h，配置壓力溫度補(bǔ)償儀。

調(diào)壓計(jì)量柜外設(shè)置1臺防爆型數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳裝置，調(diào)壓器前后的壓力信號和流量計(jì)的壓力、溫度、流量信號、3臺水露點(diǎn)檢測儀的水露點(diǎn)信號、氣相色譜分析儀的組成、密度、熱值等信號通過數(shù)據(jù)線與防爆型數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳裝置相連，防爆型數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳裝置將信號遠(yuǎn)傳至沼氣生產(chǎn)公司和天然氣經(jīng)營公司的控制中心。

在流量計(jì)后設(shè)置止回閥，避免城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)內(nèi)較高壓力的天然氣回流而損壞流量計(jì)，確保燃?xì)夤に囋O(shè)備安全。

4 運(yùn)行效果

本項(xiàng)目自2017年6月投產(chǎn)以來，沼氣生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定，南村天然氣經(jīng)營公司調(diào)度正常，未發(fā)生管網(wǎng)停氣等事故。凈化沼氣熱值基本穩(wěn)定，高華白數(shù)波動(dòng)未超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13611—2018規(guī)定的范圍。凈化沼氣水露點(diǎn)始終保持在低于環(huán)境溫度5 ℃以上，沒有出現(xiàn)燃?xì)庠O(shè)施冰堵現(xiàn)象。