齊寶寶，張 猛，鄭成明

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 ?？?570311）

1 某海上氣田終端概述

某海上氣田終端隸屬于中海石油（中國）有限公司海南分公司，接收海上3個(gè)氣田海管來氣進(jìn)行天然氣凈化與凝析油穩(wěn)定處理。2019年5月中海油建成海上高溫、高壓、高組份DF13-2氣田投產(chǎn)，2021年6月25日深海一號大氣田投產(chǎn)，南海萬億大氣區(qū)初具規(guī)模，隨著DF13-2氣田高烴天然氣逐漸配產(chǎn)至終端，氣田終端供氣能力大幅提升，供氣量逐漸增加至1 300萬m3/d。氣田終端下游用戶管網(wǎng)容積極小，不具備儲氣功能，而海上氣田工況惡劣，環(huán)境復(fù)雜，時(shí)常面臨生產(chǎn)應(yīng)急關(guān)停與臺風(fēng)惡劣天氣影響風(fēng)險(xiǎn).為了保障下游用戶運(yùn)行穩(wěn)定，氣田終端主要通過海上來氣的兩條海管約7.5萬m3容積進(jìn)行儲氣緩存調(diào)峰。

氣田終端根據(jù)長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合上游氣田關(guān)?；謴?fù)時(shí)間，保持東方海管上岸壓力3.8 MPa以上、樂東海管上岸壓力4.0 MPa以上運(yùn)行，下游用戶壓力為2.8 MPa，上下游整體存在較大壓差。天然氣余壓發(fā)電裝置正是利用上游天然氣壓力和下游管網(wǎng)之間的壓差進(jìn)行發(fā)電，使用的工藝為透平膨脹機(jī)發(fā)電工藝。即天然氣在透平膨脹機(jī)中進(jìn)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(jī)進(jìn)行發(fā)電，所發(fā)電用于東方終端廠生產(chǎn)用電。目前國內(nèi)高爐煤氣余壓回收透平發(fā)電裝置（簡稱TRT）運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富[1]，天然氣管道余壓發(fā)電裝置也有成功案例[2]，該裝置主要由透平膨脹發(fā)電機(jī)、潤滑油系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)、配電房和應(yīng)急調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成，通過對該裝置理論發(fā)電效益進(jìn)行計(jì)算[3]，設(shè)計(jì)用于發(fā)電的天然氣處理量為1 300萬m3/d，透平膨脹發(fā)電機(jī)額定功率為4 723 kW。

2 天然氣余壓發(fā)電裝置工藝控制難點(diǎn)與應(yīng)對措施

2.1 氣田終端天然氣工藝流程壓降節(jié)點(diǎn)分析

某海上氣田終端廠主要對海上來氣進(jìn)行氣液分離、天然氣凈化、凝析油穩(wěn)定，主要工藝流程見下頁圖1。生產(chǎn)合格的商品天然氣分四路輸送至下游化學(xué)公司與海南民生官網(wǎng)。其上下游之間整體存在約1 MPa的壓差，主要通過圖1中5處壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行逐級減壓，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(jìn)行發(fā)電，使用的工藝為向心透平膨脹機(jī)發(fā)電工藝[4]。即天然氣在透平膨脹機(jī)中進(jìn)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(jī)進(jìn)行發(fā)電，所發(fā)電用于氣田終端生產(chǎn)用電。

圖1 東方終端主工藝流程圖

表1 各壓降節(jié)點(diǎn)工況

2.2 發(fā)電裝置控制難點(diǎn)分析與應(yīng)對措施

2.2.1 工藝流程控制原則與優(yōu)先級

余壓回收透平發(fā)電裝置是氣田終端廠天然氣調(diào)壓系統(tǒng)的附屬設(shè)備，其生產(chǎn)運(yùn)行應(yīng)完全服從天然氣調(diào)壓調(diào)組份系統(tǒng)，必須保證天然氣系統(tǒng)運(yùn)行壓力、組份正常，不允許影響下游用戶的正常運(yùn)行。因此，余壓回收透平發(fā)電裝置應(yīng)遵守以下基本運(yùn)行原則:

1）余壓回收透平發(fā)電裝置必須在上下游裝置穩(wěn)定運(yùn)行工況時(shí)投運(yùn)，當(dāng)有特殊工況、組份波動時(shí)，優(yōu)先停止發(fā)電裝置運(yùn)行，待調(diào)節(jié)穩(wěn)定后再投用發(fā)電。

2）正常啟動、運(yùn)行、停機(jī)過程中，不得影響天然氣調(diào)壓調(diào)組份系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也就是不能引起天然氣壓力、組份超過一定范圍的波動，而使下游裝置跳車。

3）余壓回收透平發(fā)電裝置發(fā)生火災(zāi)、故障時(shí)，進(jìn)行緊急停機(jī)，天然氣系統(tǒng)將立即改由調(diào)壓單元運(yùn)行，需要增加旁路工藝流程確保下游壓力穩(wěn)定、正常運(yùn)行。

4）余壓回收透平發(fā)電裝置不能單獨(dú)向用戶供電，只能與廠內(nèi)電網(wǎng)并行。

上述原則最重要的是，安裝余壓回收透平發(fā)電裝置必須保證天然氣調(diào)壓、調(diào)組份系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2.2 工藝流程溫降影響分析

余壓回收透平發(fā)電裝置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(jī)做功，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換[5]。余壓流體介質(zhì)在膨脹機(jī)中流動是等熵膨脹、絕熱焓降過程，其熱力過程會使氣體溫度下降[6]。東方終端廠各節(jié)點(diǎn)溫降如表2所示。為解決低溫對工藝流程和裝備的影響，通常采取電加熱天然氣和耐低溫膨脹機(jī)兩種措施，根據(jù)理論計(jì)算，天然氣余壓利用后最低溫度降至6℃，東方終端上岸天然氣水露點(diǎn)低于0℃，不會對工藝系統(tǒng)產(chǎn)生影響，同時(shí)降溫有助于氣液分離。因此，只需設(shè)計(jì)耐低溫的膨脹機(jī)即可滿足工況要求。

表2 各壓降節(jié)點(diǎn)溫降工況

2.2.3 混相流海管內(nèi)凝析油液體影響分析

氣田終端接收上游海上氣田2條混輸海管物流，其中東方海管每天凝析油約300m3，高峰時(shí)達(dá)到600m3，樂東海管每天約10 m3凝析油。管道中液體對膨脹機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行影響很大，2012年，林牧等人提出采用氣液旋流膨脹機(jī)的井口天然氣余壓發(fā)電系統(tǒng)[7]，該系統(tǒng)的發(fā)電單元為1臺氣液旋流膨脹機(jī)與1臺發(fā)電機(jī)通過將多個(gè)發(fā)電單元串、并聯(lián)混合排布的方式，靈活調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)壓能利用效率，提高天然氣壓力能的利用率。

氣田終端東方海管上岸的壓降節(jié)點(diǎn)在段塞流分離器后，天然氣在膨脹降壓前已經(jīng)進(jìn)行有效的氣液分離。樂東海管內(nèi)的凝析油含量極少，海管混相流處于霧流狀態(tài)，對膨脹機(jī)影響不大，其余三個(gè)壓降節(jié)點(diǎn)均不存在液體影響。結(jié)合以上分析，提出預(yù)留入口分離器與加熱器的余壓回收透平發(fā)電裝置工藝流程圖，如圖2所示。

圖2 安裝余壓回收透平發(fā)電裝置的海管上岸調(diào)壓系統(tǒng)

2.3 余壓回收透平發(fā)電裝置啟停與負(fù)荷調(diào)節(jié)

余壓發(fā)電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)生故障的概率很小。而在系統(tǒng)啟動時(shí)，由于受加載閥的開度及上下游壓差的影響，波動較大，進(jìn)氣流量變化也較大，導(dǎo)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(dǎo)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特別關(guān)注。

余壓發(fā)電機(jī)組在啟運(yùn)時(shí)應(yīng)首先確保系統(tǒng)的正常調(diào)壓流程壓力系統(tǒng)穩(wěn)定，旁路快開閥測試正常，目的是降低在啟運(yùn)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(jī)入口噴嘴，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后，逐漸增大噴嘴開度，系統(tǒng)調(diào)壓閥自動關(guān)小，直至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)電機(jī)升至額定轉(zhuǎn)速和額定電壓后，在滿足頻率相同、電壓相等、相序一致和相位相同時(shí)，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。此時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速被鎖死保持恒定，發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率由進(jìn)氣量的大小來決定，發(fā)電機(jī)功率控制邏輯如圖3所示。

圖3 余壓回收透平發(fā)電裝置控制邏輯

3 發(fā)電效益

余壓流體介質(zhì)在膨脹機(jī)中流動是等熵膨脹、絕熱焓降過程，其熱力過程會使氣體溫度下降。經(jīng)過理論計(jì)算，氣田終端廠各節(jié)點(diǎn)焓降如表3所示。

表3 各壓降節(jié)點(diǎn)焓降工況

根據(jù)各壓降節(jié)點(diǎn)的焓降值，結(jié)合功率計(jì)算公式可以計(jì)算理論的發(fā)電機(jī)額定功率：

式中：W為每小時(shí)透平發(fā)電機(jī)發(fā)電量，kW·h；G為天然氣質(zhì)量流量，kg/s；ΔH為單位體積天然氣絕熱焓降，kJ/m3；ηt為膨脹機(jī)效率，取值0.8；ηg為發(fā)電機(jī)效率，取值0.95。

各降壓節(jié)點(diǎn)計(jì)算理論發(fā)電機(jī)額定功率與實(shí)際功率如表4所示。

表4 方法一各壓降節(jié)點(diǎn)發(fā)電功率

根據(jù)單位質(zhì)量天然氣絕熱焓降計(jì)算公式對上述理論值進(jìn)行驗(yàn)證：

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)量等壓比熱容，kJ/（kg·K）；ΔTi為天然氣進(jìn)出口溫差，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)。

將上述參數(shù)帶入式（2），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，膨脹機(jī)效率為0.8，發(fā)電機(jī)效率為0.95，可算出設(shè)計(jì)理論發(fā)電量。各壓降節(jié)點(diǎn)發(fā)電功率如表5所示。

表5 方法二各壓降節(jié)點(diǎn)發(fā)電功率

結(jié)合以上兩種方法計(jì)算，工況2理論發(fā)電功率為4 723 kW，工況1為5 620 kW，結(jié)合膨脹機(jī)與發(fā)電機(jī)效率計(jì)算實(shí)際發(fā)電功率分別為3 590 kW和4 271 kW。預(yù)計(jì)每年可發(fā)電約4 000萬kW，完全滿足終端自用電量，每年減少燃?xì)庀? 600萬m3，減少CO2排放量約1 600萬m3。

4 結(jié)論

1）某海上氣田終端廠余壓發(fā)電裝置是利用上游海管天然氣壓力和下游用戶之間的壓差進(jìn)行發(fā)電，使用的工藝為透平膨脹機(jī)發(fā)電工藝。

2）以上分析是基于目前實(shí)際運(yùn)行工況與理論計(jì)算分析，余壓發(fā)電裝置實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)電量可能低于分析值。但隨著高烴管線投用、上游高溫高壓氣田投產(chǎn)，預(yù)計(jì)氣田終端上岸的兩條海管壓力還會提升，余壓發(fā)電裝置實(shí)際發(fā)電量可能達(dá)到工況2的計(jì)算值。

3）氣田終端廠余壓發(fā)電裝置將天然氣中的壓力能轉(zhuǎn)化為電能，所發(fā)電完全滿足終端自用電量，達(dá)到了良好的節(jié)能減排效果，實(shí)現(xiàn)了天然氣能源的綜合利用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。