劉艷艷，王 璽，盧 康

(杭州汽輪機(jī)股份有限公司,杭州 310000)

工程建設(shè)浙江石化二期3×SGT5-2000E燃?xì)?- 蒸汽聯(lián)合發(fā)電機(jī)組及相應(yīng)的公用設(shè)施，用于二期煉化項目的電量和蒸汽調(diào)節(jié)，要求機(jī)組具備較強(qiáng)的調(diào)節(jié)靈活性和動態(tài)穩(wěn)定性[1]。現(xiàn)場提供的主燃料為天然氣，在滿足蒸汽供熱能力，保證安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行的前提下?lián)綗糠譄捰突ず铣蓺?。因此，需要在調(diào)壓站之后配一個混氣站，能將來自上游長輸供氣管道的天然氣和合成氣根據(jù)比例要求混合，使清潔的混合氣在所要求的壓力和流量下連續(xù)穩(wěn)定地輸入至下游燃?xì)廨啓C(jī)前置模塊中，滿足燃?xì)廨啓C(jī)啟動及運(yùn)行要求。

1 混氣站的系統(tǒng)配置

本期工程全廠安裝一套混氣站，供三臺SGT5-2000E級燃?xì)廨啓C(jī)使用。

混氣站的設(shè)計應(yīng)充分考慮燃?xì)廨啓C(jī)對于熱值波動、壓力變動等對燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，充分考慮必要措施，保護(hù)其下游配氣管道及燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備和燃燒器，并考慮必要的旁路、檢修置換與放散等，即使在混氣站裝置發(fā)生故障的情況下，也不會使燃料氣危害到混氣站下游的設(shè)備和管道[2]。

混氣站按工藝過程包括天然氣/合成氣的緊急關(guān)斷、過濾系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、色譜分析、天然氣加熱器(含啟動電加熱器)、混合器、熱值儀、調(diào)節(jié)閥、氮?dú)獯祾摺⑴趴?、安全放散、排污及配套儀控等系統(tǒng)[3]，應(yīng)滿足DL/T 5204—2016《發(fā)電廠油氣管道設(shè)計規(guī)程》、DL/T 5174—2003《燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠設(shè)計規(guī)定》、GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》、GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)要求。

2 混氣站的設(shè)計要求

工程機(jī)組的燃料來自建新奧LNG站的天然氣與煉化的合成氣，其中天然氣為主燃料，合成氣為摻混燃料。依據(jù)提供的天然氣和合成氣的成份，本工程建設(shè)要求混氣站系統(tǒng)允許最大50% 體積比例摻混(即合成氣與天然氣的最大摻混比例≤1∶1)。燃?xì)廨啓C(jī)啟動和關(guān)閉期間，需用100%天然氣，在60%～90%負(fù)荷范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)天然氣與混合氣的切換。

由于標(biāo)準(zhǔn)狀況下合成氣中含41%的H2和53%的CO，如表1所示，需要充分考慮氣體的特殊性質(zhì)，例如氫脆，CO的有毒特性等。所謂氫脆，是指高強(qiáng)度鋼在富氫環(huán)境中進(jìn)行處理時，氫原子會向鋼基體中滲透，使高強(qiáng)度鋼出現(xiàn)塑性和韌性降低，而導(dǎo)致的開裂或延遲性的脆性破壞現(xiàn)象。因此，必須要求混氣站內(nèi)所有管件材質(zhì)選用不銹鋼或選擇能耐氫脆試驗(yàn)的碳鋼。同時，為了防止有毒氣體泄漏，混氣站內(nèi)所有法蘭連接件按照DIN 2695標(biāo)準(zhǔn)采用焊接密封件。

表1 合成氣的氣體成分

燃?xì)廨啓C(jī)對燃料氣的特性有一定的要求，例如，溫度、壓力、熱值等，直接影響著燃?xì)廨啓C(jī)的壽命和發(fā)電的可靠性[4]。針對本項目混氣站后(即前置模塊前)混合氣燃料入口條件參數(shù)：溫度范圍15～50 ℃；溫度變化率 dT/dt≤ 1 ℃/s ；標(biāo)準(zhǔn)狀況下燃料低位熱值VLH范圍31.6～49.0 MJ/m3；低位熱值變化率 ≤0.1%/s(超過該波動范圍，將會引起燃機(jī)跳機(jī))；表壓范圍2.988～3.15 MPa;壓力變化率dP/dt≤0.02 MPa/s；標(biāo)準(zhǔn)狀況下混氣站最大設(shè)計流量61 t/h/臺(77 450 m3/h)。

3 混氣站設(shè)計的技術(shù)說明

氣體混氣站允許根據(jù)天然氣與合成氣的供應(yīng)量和燃?xì)廨啓C(jī)的氣體消耗要求混合天然氣和合成氣。基于的設(shè)計條件是，最大摻混比例為合成氣與天然氣的體積比= 1∶1 (標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，實(shí)際將在調(diào)試期間根據(jù)天然氣、合成氣組分等條件現(xiàn)場微調(diào)。

混氣站設(shè)備應(yīng)采用橇裝式，應(yīng)按功能分成若干單元，包括計量過濾單元、加熱單元、計量調(diào)流單元(圖1)、混合單元(圖2)、穩(wěn)壓單元(圖3)等。天然氣氣源及合成氣氣源母管按照3臺燃?xì)廨啓C(jī)需求分成3條天然氣管路和合成氣管路，各支路在混氣罐中進(jìn)行充分混合后，向下游燃?xì)廨啓C(jī)供氣。

具體實(shí)現(xiàn)過程介紹如下：

(1) 在天然氣供應(yīng)管線和合成氣供應(yīng)管線的入口母管上分別設(shè)置一臺緊急關(guān)斷閥。在發(fā)生火警或其他緊急狀況時可就地或遠(yuǎn)程控制切斷閥門，閥門關(guān)閉時間≤3 s。然后分別設(shè)置過濾單元，包括兩臺并聯(lián)運(yùn)行的過濾分離器，分離燃料氣體中的液體和固體雜質(zhì)。

(2) 在天然氣供應(yīng)管線和合成氣供應(yīng)管線的入口母管上分別配置一臺氣相色譜儀，用于在線檢測天然氣、合成氣的成份。同時，天然氣的供應(yīng)母管上還需要配置一套露點(diǎn)加熱系統(tǒng)，包括2臺熱水換熱器(一用一備)和1臺啟動電加熱器，保證天然氣出口溫度為30 ℃，以滿足燃?xì)廨啓C(jī)前置模塊入口對燃料溫度的要求。

(3) 混氣站需要設(shè)置計量單元，如圖1計量調(diào)流單元所示，采用1×100%運(yùn)行配置，使用孔板流量計并配置流量計算機(jī)、差壓變送器、整流器、前后直管段及輔助儀表等，用以測量每臺燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行期間實(shí)時消耗的天然氣和合成氣量。計量單元前后配置進(jìn)出口隔斷球閥，并設(shè)有旁路。管路上配置充氮和放散接口，采用雙球閥隔斷并引致撬邊，然后將放散氣接至火炬系統(tǒng)統(tǒng)一安全處理。孔板流量計上設(shè)置的差壓變送器除現(xiàn)場顯示外，還需遠(yuǎn)傳信號至DCS系統(tǒng)。

圖1 計量調(diào)流單元

(4) 在合成氣支路每套孔板流量計下游設(shè)置一套合成氣控制閥，該控制閥可以根據(jù)混合模塊下游的熱值儀信號或上游的流量信號來控制合成氣的摻混比例。每臺合成氣控制閥控制對應(yīng)的燃?xì)廨啓C(jī)所需混合氣的摻混比例，用于控制混合氣中合成氣體積占比不超過50%，同時也可用于該路氣路的切斷，其泄露等級為CLASS Ⅳ級。同時在天然氣支路上的每套孔板流量計下游設(shè)置一套天然氣控制閥，實(shí)現(xiàn)雙向流量控制。

(5) 混合單元是混氣站的關(guān)鍵設(shè)備之一，如圖2混合單元所示。在合成氣每個控制閥及天然氣每個控制閥的下游分別設(shè)置一個氣體靜態(tài)混合器，用于接收天然氣和合成氣并進(jìn)行混合后輸送至下游。當(dāng)合成氣流量大于天然氣流量時，天然氣調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)，保證天然氣流量始終不小于合成氣流量。保證在任何工況下，合成氣與天然氣的摻混體積比小于1∶1。在每套混合器下游同時設(shè)置一臺熱值儀，每臺熱值儀實(shí)時檢測對應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)混合氣的熱值，并將該熱值信號傳送至對應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)的合成氣控制閥進(jìn)行聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)天然氣和合成氣的摻混比例的實(shí)時控制，熱值分析時間應(yīng)<10 s。

圖2 混合單元

(6) 燃?xì)廨啓C(jī)對燃料壓力有很高的要求，過高或過低的壓力都會影響燃?xì)廨啓C(jī)的正常運(yùn)行，甚至對熱部件造成損壞，所以需要在混氣站的末端配置燃料穩(wěn)壓單元，如圖3所示。在熱值儀后面設(shè)置調(diào)壓裝置，每條調(diào)壓支路串聯(lián)配置安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器和工作調(diào)壓器[5]。正常情況下，工作調(diào)壓器用于調(diào)節(jié)調(diào)壓站出口天然氣的壓力。當(dāng)工作調(diào)壓器故障時，監(jiān)控調(diào)壓器自動投入運(yùn)行，保證進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)前置模塊的混合氣壓力穩(wěn)定，滿足對燃料壓力變化率的設(shè)計要求。

圖3 穩(wěn)壓單元

4 特殊設(shè)計要求及結(jié)論

(1) 混氣站應(yīng)配備完善的氮?dú)庵脫Q、吹掃系統(tǒng)。每條調(diào)壓支管路、每條母管線等均應(yīng)設(shè)置足夠的氮?dú)獯祾呓涌诤腿咏涌?。每個接口的接管上均應(yīng)設(shè)置雙閥隔斷加止回閥的配置。同時，混氣站應(yīng)設(shè)置足夠的放散管道，使所有的放散氣體都能集中安全放散。放散系統(tǒng)應(yīng)能保證全流量20%放散。

(2) 所有設(shè)備包括在線色譜儀、孔板流量計、換熱器、閥門等都應(yīng)適用于天然氣、合成氣介質(zhì)。

(3) 考慮CO對人身傷害的影響，為了防止有毒氣體泄露，合成氣及混合氣的管路墊片應(yīng)滿足DIN 2695標(biāo)準(zhǔn) 。

(4) 要求混氣站內(nèi)所有管件材質(zhì)不低于20 G，同時能避免氫脆(H2的影響)。

(5) 混氣站的噪聲水平應(yīng)符合《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》和本項目廠界噪聲Ⅲ類驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求，即距離設(shè)備外殼1 m處測得的噪聲(聲壓級)不應(yīng)超過85 dB。

綜上所述，混氣站按照工藝過程，必須包括天然氣與合成氣的緊急關(guān)斷、過濾、計量、色譜及熱值分析、天然氣加熱器(含啟動電加熱器)、混合器、調(diào)節(jié)閥、調(diào)壓裝置、氮?dú)獯祾?、排空、安全放散、排污、控制等系統(tǒng)，才能根據(jù)天然氣的供應(yīng)量和燃?xì)廨啓C(jī)的氣體消耗要求，實(shí)時控制天然氣與合成氣的混合比例，才能保證國內(nèi)首套燃?xì)廨啓C(jī)摻燒合成氣的安全運(yùn)行。