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        天然氣余壓發(fā)電裝置在引進分廠的應用

        2021-12-09 06:45:32陳文科沈榮華張偉程曉明羅圣潔甘勇田勇陳廷庫
        石油石化節(jié)能 2021年11期
        關(guān)鍵詞:調(diào)節(jié)閥發(fā)電機

        陳文科 沈榮華 張偉 程曉明 羅圣潔 甘勇 田勇 陳廷庫

        (西南油氣田分公司天然氣凈化總廠)

        氣體介質(zhì)余壓發(fā)電是利用氣體在降壓降溫過程中的余壓能量及熱能驅(qū)動透平膨脹機做功,將其轉(zhuǎn)化為機械能,帶動發(fā)電機發(fā)電,實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換[1-3]。目前,國內(nèi)高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置已在鋼鐵企業(yè)普遍應用,工藝技術(shù)成熟、設(shè)備可靠,節(jié)能及經(jīng)濟效益明顯[4-6]。而天然氣在生產(chǎn)、輸配過程中的余壓資源十分豐富。2016年,全國天然氣年消費量達到2 058×108m3,為同時滿足管輸及用戶需要,天然氣生產(chǎn)及輸配過程需要調(diào)壓,目前的降壓調(diào)節(jié)大多采用閥門節(jié)流。天然氣在節(jié)流調(diào)壓過程中,其動能、勢能等未得到合理利用。由于天然氣節(jié)流調(diào)壓點多、面廣,生產(chǎn)及輸配過程中的余壓資源回收利用的空間非常大[7-11]。對天然氣輸配管網(wǎng)中天然氣壓力能進行回收利用,其經(jīng)濟和節(jié)能價值非常巨大。

        1 概述

        1.1 引進分廠余壓發(fā)電裝置

        引進分廠天然氣凈化裝置主要脫除原料天然氣中的硫化氫和水份,生產(chǎn)合格的商品天然氣,其產(chǎn)品天然氣壓力與下游管網(wǎng)存在1 MPa左右差壓。天然氣余壓發(fā)電裝置利用產(chǎn)品天然氣壓力和下游管網(wǎng)之間的壓差進行發(fā)電,使用的工藝為向心透平膨脹機發(fā)電工藝。即天然氣在透平膨脹機中進行等熵焓降,所產(chǎn)生的壓力能帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn),通過連軸器帶動齒輪箱轉(zhuǎn)動,經(jīng)齒輪箱變速后帶動發(fā)電機進行發(fā)電,所發(fā)電用于引進分廠生產(chǎn)用電。該裝置主要由透平膨脹發(fā)電機、潤滑油系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)、配電房等組成,設(shè)計用于發(fā)電的天然氣處理量230×104m3/d,透平膨脹發(fā)電機額定功率為710 kW。

        1.2 引進分廠余壓發(fā)電裝置工藝流程

        正常生產(chǎn)時,從引進分廠400 萬裝置或200 萬裝置脫水單元來的產(chǎn)品天然氣,通過并聯(lián)管路進入余壓發(fā)電裝置。在余壓發(fā)電裝置中高壓的天然氣通過膨脹機降壓膨脹,輸出的機械能通過同軸變速箱帶動發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)電功率通過噴嘴調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)。降壓膨脹后的天然氣進入400萬裝置的下游外輸管網(wǎng)。

        余壓發(fā)電裝置設(shè)計用于發(fā)電的天然氣處理量為230×104m3/d, 若脫水裝置來氣量多于230×104m3/d,則超過膨脹機處理能力的那部分天然氣經(jīng)產(chǎn)品氣調(diào)節(jié)閥或者支路調(diào)節(jié)閥調(diào)壓后與膨脹后天然氣匯合進入外輸管道,引進分廠余壓發(fā)電裝置流程見圖1。

        圖1 引進分廠余壓發(fā)電裝置流程

        余壓發(fā)電裝置還設(shè)置有潤滑油系統(tǒng)和干氣密封系統(tǒng)。干氣密封系統(tǒng)采用兩級密封氣系統(tǒng)對膨脹發(fā)電機組進行密封,一級密封采用產(chǎn)品氣作為密封氣,二級密封采用氮氣作為密封氣。

        此外,當緊急聯(lián)鎖停車觸發(fā)后,緊急關(guān)閉入口聯(lián)鎖閥,同時快速打開旁路聯(lián)鎖閥,使天然氣從旁路通過。旁路調(diào)節(jié)閥根據(jù)膨脹機處理的天然氣流量、上下游差壓等參數(shù)始終保持一定開度,以確保機組緊急停車對脫硫脫水系統(tǒng)的流量和壓力不會造成波動。

        2 系統(tǒng)啟動和升速

        余壓發(fā)電系統(tǒng)在正常運行時,發(fā)生故障的概率比較小。而在系統(tǒng)啟動時,由于受噴嘴的開度及上下游壓差的影響,波動較大,進氣流量變化也較大,導致透平的轉(zhuǎn)速控制困難。由于瞬間的大流量沖擊,很容易導致透平轉(zhuǎn)子超速和振動超高,引起緊急停車。因此,余壓發(fā)電系統(tǒng)的啟動和升速過程必須關(guān)注。

        余壓發(fā)電啟動需滿足各方面條件,要求比較嚴格:密封氣壓力與齒輪箱潤滑油壓力均需大于0.2 MPa。

        余壓發(fā)電機組在啟運時應首先打開旁路調(diào)節(jié)閥和旁路聯(lián)鎖閥,目的是降低在啟運過程中遇緊急停車后對生產(chǎn)裝置的影響。緩慢開大膨脹機入口噴嘴,當發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后,迅速將入口噴嘴開度關(guān)至10%左右,防止裝置因轉(zhuǎn)速超高聯(lián)鎖停車。根據(jù)膨脹機進出口壓差的不同,這個轉(zhuǎn)速是變化的,本裝置在經(jīng)過多次試驗后得出:在發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后,噴嘴的開度應將轉(zhuǎn)速控制12 000 r/min 左右。當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,檢查各項子系統(tǒng),確保正常后,緩慢開大噴嘴繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速。本裝置在多次試車中發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)速在13 500—15 000 r/min時會引發(fā)裝置的共振,導致裝置振動超高聯(lián)鎖停車。因此,為了避開共振區(qū)間,需一次性開大入口噴嘴,使發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制在16 000 r/min 左右。檢查各子系統(tǒng)穩(wěn)定后,再將轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速18 000 r/min左右。

        3 自動控制的關(guān)鍵對象

        3.1 透平機噴嘴

        噴嘴是透平機的關(guān)鍵部件,透平機的升速控制,機組的升功率控制,進氣量控制,都是通過透平噴嘴的開度控制來實現(xiàn)的,噴嘴的開度決定了流入透平機的產(chǎn)品氣流量的大小,因此噴嘴也是整個發(fā)電機機組的關(guān)鍵部件。噴嘴本身為比例閥控制的氣動作部件,其開度要求精度較高。

        3.2 旁路閥組的控制

        旁路閥組是工藝控制關(guān)鍵設(shè)備之一。主要包括調(diào)節(jié)閥、聯(lián)鎖閥和電磁閥。通過對電磁閥的控制可實現(xiàn)閥門的的快速開關(guān)。系統(tǒng)停車時,為了工藝控制平穩(wěn)過渡,旁路快開閥的控制尤為重要。旁路調(diào)節(jié)閥通常被賦予一定開度,在停機時,伴隨著聯(lián)鎖閥的快速動作,截斷后的產(chǎn)品氣則通過旁路快速流至下游以降低對生產(chǎn)裝置的影響。如果此時開度設(shè)定不合適,流過的產(chǎn)品氣流量就會過大或過小,造成生產(chǎn)裝置波動范圍超過工藝要求,影響裝置的正常生產(chǎn),甚至導致脫硫塔沖塔的危險。理論上,可以通過旁通閥開度與產(chǎn)品氣流量的特性曲線,得出旁通閥的開度的設(shè)定值,然而在實際生產(chǎn)中,受測量介質(zhì)和上下游壓差的影響,旁路流量的測量存在著較大偏差,因此,實際上這樣的特性曲線并不能有效指導生產(chǎn)。通過摸索,我們采用生產(chǎn)裝置PID加旁路閥來控制停車瞬間的產(chǎn)品氣流量。停機時,根據(jù)生產(chǎn)裝置的設(shè)定值和旁通閥組,先保證產(chǎn)品氣能正常外輸,不致生產(chǎn)系統(tǒng)斷流。

        3.3 發(fā)電功率的控制

        當發(fā)電機升至額定轉(zhuǎn)速和額定電壓后,在滿足頻率相同、電壓相等、相序一致、相位相同時,操作同期點斷路器合閘,使發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電[12]。此時,發(fā)電機的轉(zhuǎn)速被鎖死保持恒定,發(fā)電機的發(fā)電功率由進氣量的大小來決定,發(fā)電機功率控制邏輯見圖2。

        圖2 發(fā)電機功率控制邏輯

        4 發(fā)電效益

        4.1 理論發(fā)電效益

        1)單位質(zhì)量天然氣絕熱焓降的計算:

        式中:ΔHi為天然氣高壓端與低壓端的絕熱焓降,kJ/kg;Cp為天然氣質(zhì)量等壓比熱,kJ/(kg·K);T1為天然氣入口溫度,K;P1為天然氣入口壓力,MPa;P2為天然氣出口壓力,MPa;K為天然氣絕熱指數(shù)。

        2)透平膨脹發(fā)電計算:內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能,再轉(zhuǎn)化為電能的計算工過程如下:

        式中:W為每小時透平發(fā)電機發(fā)電量,kWh;G為天然氣質(zhì)量流量,kg/s;ΔHi為單位體積天然氣絕熱焓降,kJ/m3;ηt為透平機效率;ηg為發(fā)電機效率。

        膨脹透平發(fā)電機參數(shù)見表1。將上述參數(shù)帶入式(1)、式(2),其中膨脹透平機效率取0.6,發(fā)電動機效率取0.94,取天然氣質(zhì)量等壓比熱Cp為2.2 kJ/(kg·K),天然氣絕熱指數(shù)K為1.3,可算出設(shè)計理論發(fā)電量。

        表1 膨脹透平發(fā)電機參數(shù)

        根據(jù)(1)式得:

        根據(jù)(2)式得:

        即每小時可以發(fā)電523kWh,每年約418×104kWh,按每度電0.6元計算,每年可節(jié)約資金251萬元。

        4.2 實際發(fā)電效益

        余壓發(fā)電裝置建成后,于2020 年10 月22—26日進行了試運,期間共運行82 h,共發(fā)電12 340 kWh,平均每小時發(fā)電量150 kWh。余壓發(fā)電裝置經(jīng)過停車檢修、調(diào)試后,于2021年9月9日再次啟運,截止2021 年10 月7 日,共運行684 h,共發(fā)電220 170 kWh,平均每小時發(fā)電量322 kWh。從數(shù)據(jù)來看,余壓發(fā)電裝置實際運行發(fā)電量低于設(shè)計值,其主要有以下兩點原因:一是為配合上游氣礦發(fā)揮氣田產(chǎn)量,引進分廠天然氣凈化裝置于2020年開始實施降壓操作,發(fā)電裝置進口壓力低于設(shè)計值4.61 MPa;二是由于該裝置處于調(diào)試期間,未達到滿負荷狀態(tài)。

        按照調(diào)試期間平均每小時發(fā)電量322 kWh 計算,預計每年可發(fā)電約258×104kWh,按每度電0.6元計算,每年可節(jié)約資金155萬元。

        5 結(jié)語

        1)引進分廠余壓發(fā)電裝置是利用產(chǎn)品天然氣壓力和下游管網(wǎng)之間的壓差進行發(fā)電,使用的工藝為向心透平膨脹機發(fā)電工藝。

        2)因為配合上游氣礦發(fā)揮氣田產(chǎn)量且裝置處于調(diào)試期間,余壓發(fā)電裝置實際運行時發(fā)電量暫時低于設(shè)計值。

        3)引進分廠余壓發(fā)電裝置將天然氣中的壓力能轉(zhuǎn)化為電能,所發(fā)電供內(nèi)部工廠使用,達到了良好節(jié)能減排目的,實現(xiàn)了天然氣能源的綜合利用,經(jīng)濟效益明顯。

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