天然氣增壓系統(tǒng)在工業(yè)用戶的應(yīng)用
1 概述
隨著天然氣在工業(yè)上應(yīng)用逐漸普及,越來越多的工業(yè)用戶開始改用天然氣作燃料。管網(wǎng)的壓力往往一定,但工業(yè)用戶的用氣壓力卻各不相同。個(gè)別工業(yè)用戶需要的用氣壓力可能會超過管網(wǎng)的供應(yīng)壓力,這就需要進(jìn)行天然氣增壓。
天然氣增壓系統(tǒng)主要在氣田、大型氣站和電力行業(yè)忙運(yùn)用較多,但在工業(yè)用戶的小用氣量增壓上目前應(yīng)用較少。因此一些用戶在有管道氣供應(yīng)的情況下不得不采用液化石油氣瓶組舊0或者液化天然氣瓶組M 0供氣來保證特殊生產(chǎn)要求,增加了運(yùn)行成本和安全成本。針對這類用氣情況,需要一種合適的增壓系統(tǒng)來滿足用戶需求,同時(shí)該系統(tǒng)應(yīng)具有資金投入少、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、使用方便安全、維護(hù)簡單等特點(diǎn)。
2 工程實(shí)例概況
北方地區(qū)一家工業(yè)用戶,生產(chǎn)工藝過程有一道工序需要燃?xì)鈮毫?.10~0.12 MPa,用氣量為30 m3/h,但是管網(wǎng)供應(yīng)壓力范圍為0.08~0.12 MPa,大部分時(shí)間穩(wěn)定在O.10 MPa,一旦供氣壓力低于0.10 MPa,生產(chǎn)就面臨停產(chǎn)。用戶經(jīng)過討論后對增壓系統(tǒng)提出以下要求:當(dāng)管網(wǎng)供應(yīng)的天然氣壓力在0.10 MPa以上時(shí)直接使用管網(wǎng)供氣,增壓系統(tǒng)不工作;當(dāng)管網(wǎng)供應(yīng)的天然氣壓力在0.10 MPa以下時(shí)靠增壓系統(tǒng)供氣,當(dāng)一臺壓縮機(jī)長時(shí)間工作后,出口溫度高于70℃時(shí)自動切換到另外一臺壓縮機(jī)工作。
3 工程分析
用戶提出的要求,在實(shí)際中雖然能夠?qū)崿F(xiàn),但是實(shí)施起來會面臨兩個(gè)問題:
①用戶要求的系統(tǒng)是兩臺設(shè)備交替使用,沒有備用設(shè)備,如果一臺設(shè)備出現(xiàn)故障,不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)供應(yīng)。
②系統(tǒng)的布置和控制要求比較繁瑣復(fù)雜,在使用的考慮上傾向于自動,增加了不可靠度。
出于投資和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、使用方便安全、維護(hù)簡單的考慮,我們對用戶的要求進(jìn)行了修正并且對用戶顧慮的問題進(jìn)行了考慮。壓縮機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)必然導(dǎo)致運(yùn)行部件的溫度升高,效率降低,因此需要間歇停機(jī)以保證壓縮機(jī)有冷卻時(shí)間。因此,可以考慮使用儲氣罐進(jìn)行氣體儲存,能夠保證臨時(shí)供氣,使壓縮機(jī)具有足夠的冷卻時(shí)間。
另外,人口氣體溫度和壓縮比的增加也會使出口氣體溫度增加,同時(shí)使設(shè)備工作部件溫度升高,因此,壓縮機(jī)的壓縮比不能過高,當(dāng)環(huán)境氣溫過高時(shí)可考慮采用水冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。這樣就解決了單機(jī)運(yùn)行溫度過高的問題,從而可以采用一開一備的運(yùn)行模式,即使單臺壓縮機(jī)出現(xiàn)問題,備用壓縮機(jī)可以很快地投入工作,不至于對生產(chǎn)造成影響。同時(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜性和組成部件數(shù)量都大大降低。
4 設(shè)計(jì)總體思路
按照GB 50028--2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》要求,增壓裝置前需有緩沖裝置。壓縮機(jī)的排氣量不能超過管網(wǎng)供氣量,實(shí)際現(xiàn)場有一段長度約100 m的DN 200 mm的管道專用于該道工序,管道的額定供氣量在200 m3/h以上,遠(yuǎn)超過實(shí)際用氣量,因此該管道可視為緩沖裝置。壓縮機(jī)設(shè)備嚴(yán)禁水、塵進(jìn)入,增壓前要具有氣液分離、氣體過濾等程序,最后氣體升壓后要進(jìn)入儲氣罐緩沖儲存,由于壓縮機(jī)停機(jī)后儲氣罐上游壓力將低于儲氣罐,因此進(jìn)人儲氣罐前應(yīng)設(shè)置止回閥。儲氣罐的高壓氣體不能直接應(yīng)用于工序,需要經(jīng)過調(diào)壓裝置調(diào)壓后方能使用。由于旁通路連接上游,必然導(dǎo)致儲氣罐調(diào)壓后壓力高于旁通路的上游壓力,因此旁通路也要設(shè)置止回閥。
5 方案設(shè)計(jì)
5.1 壓縮機(jī)出口溫度的計(jì)算
壓縮機(jī)出口溫度是整個(gè)方案設(shè)計(jì)考慮的核心因素,因此首先要計(jì)算在不同壓縮比下的壓縮機(jī)出口溫度,以選擇合適的壓縮比。壓縮機(jī)出口溫度的近似計(jì)算公式為:
式中T2——壓縮機(jī)出口溫度,K
T1——壓縮機(jī)入口溫度,K
P2——壓縮機(jī)出口壓力,MPa
P1——壓縮機(jī)入口壓力,MPa
K——等熵指數(shù),天然氣等熵指數(shù)取1.27
管網(wǎng)出現(xiàn)最不利壓力為0.08 MPa,夏天天然氣人口溫度為303 K,冬天天然氣人口溫度為273 K,計(jì)算結(jié)果見表1、2。
表1夏天壓縮機(jī)出口溫度
入口絕對壓力/MPa |
出口絕對壓力/MPa |
壓縮比 |
出口溫度/℃ |
0.18 |
0.20 |
1.11 |
36.86 |
0.18 |
0.30 |
1.67 |
64.76 |
0.18 |
0.40 |
2.22 |
86.06 |
0.18 |
0.50 |
2.78 |
103.51 |
0.18 |
0.60 |
3.33 |
118.39 |
表2冬天壓縮機(jī)出口溫度
入口絕對壓力/MPa |
出口絕對壓力/MPa |
壓縮比 |
出口溫度/℃ |
0.18 |
0.20 |
1.11 |
6.18 |
0.18 |
0.30 |
1.67 |
31.32 |
0.18 |
0.40 |
2.22 |
50.51 |
0.18 |
0.50 |
2.78 |
66.23 |
0.18 |
0.60 |
3.33 |
79.64 |
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,夏季壓縮機(jī)壓縮比達(dá)到2.22時(shí),壓縮機(jī)出口絕對壓力為0.4 MPa,此時(shí)溫度達(dá)到了86.06℃,已經(jīng)超過了用戶所要求的70℃,因此需要采取水冷降溫。另外,隨著溫度的升高,氣體體積膨脹,可壓縮性降低,壓縮機(jī)的工作效率也會降低。冬季出于設(shè)備安全考慮,停用水冷系統(tǒng),則壓縮比為2.78比較合適,此時(shí)的出口絕對壓力為0.5 MPa,出口溫度為66.23℃,滿足用戶的要求。因此確定設(shè)計(jì)壓縮比為2.78,春季和秋季在該壓縮比下根據(jù)平均進(jìn)氣溫度計(jì)算也需采用水冷系統(tǒng)降溫。按照確定的壓縮比,出口絕對壓力為O.5 MPa,儲罐增壓到該壓力時(shí),壓縮機(jī)就停機(jī)冷卻。這樣,在冬季僅靠風(fēng)冷就能滿足使用要求,春夏秋季都需要開啟水冷系統(tǒng)降溫。
5.2儲氣罐的選擇
由于儲氣罐后有調(diào)壓設(shè)備,因此儲氣罐內(nèi)要保證0.2 MPa以上的壓力,后續(xù)的調(diào)壓設(shè)備才有足夠的人口壓力進(jìn)行調(diào)壓。而壓縮機(jī)冷卻時(shí)間以10 min左右為合適,因此儲氣罐的儲存量要保證10 min用氣量。按照30 m3/h的用氣量,10 min用氣量約5 m3。儲氣罐從O.4 MPa降壓到0.2 MPa要保證氣量為5 m3,換算成工況體積為2.5 m3,考慮安全余量,按計(jì)算結(jié)果的1.2倍選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格儲罐為3 m3。
5.3壓縮機(jī)的選擇
壓縮機(jī)工作時(shí)間為每1 h工作50 min,要同時(shí)供應(yīng)生產(chǎn)用氣和儲罐儲存用氣,合計(jì)為35 m。。這里采用保守計(jì)算,近似地按照標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的氣量來確定活塞的排氣量,計(jì)算出壓縮機(jī)排氣量需滿足42
m3/h。
由于用氣量小,可以選擇小型活塞式壓縮機(jī)。壓縮的介質(zhì)為可燃?xì)怏w,對密封要求較高,可采用雙密封無油潤滑結(jié)構(gòu)來保證密封效果。要保證壓縮機(jī)在夏天出口溫度不要過高,壓縮機(jī)上還需帶有水循環(huán)系統(tǒng),保證壓縮機(jī)正常使用和效率。電機(jī)及其他檢測設(shè)備均要采用隔爆產(chǎn)品,適用于現(xiàn)場環(huán)境。
5.4調(diào)壓設(shè)備的選擇
調(diào)壓設(shè)備也采取一開一備形式,壓力從0.2~0.4 MPa調(diào)到O.12 MPa后供生產(chǎn)使用。調(diào)壓設(shè)備流量要滿足最小壓差下30 m3/h即可。
6方案確定
6.1 方案簡介
采用活塞式壓縮機(jī),當(dāng)儲氣罐內(nèi)壓力下降到O.2作壓力,因此設(shè)置調(diào)壓器出口壓力為0.12 MPa,比管網(wǎng)的壓力要高,故旁通路生產(chǎn)工藝要設(shè)置止回閥。
6.3控制系統(tǒng)
增壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)見圖3。
由于兩臺壓縮機(jī)為一開一備,控制操作相同,為方便圖示,圖3中以單臺壓縮機(jī)的控制為例。該套系統(tǒng)需設(shè)置弱電K1控制箱和強(qiáng)電K2控制箱,K1控制箱用于接收檢測儀器的信號來控制電磁閥的關(guān)開,同時(shí)發(fā)信號給K2控制箱以啟動和關(guān)閉電機(jī)。
該套控制系統(tǒng)分為供氣選擇控制、儲氣罐增壓控制和保護(hù)控制3部分。
供氣選擇控制:入口P—l號壓力變送器檢測到管網(wǎng)壓力高于0.11 MPa時(shí),調(diào)壓設(shè)備出口的s一3號電磁閥關(guān)閉,此時(shí)旁通路s一2號電磁閥打開,由管網(wǎng)直接供氣。當(dāng)人口檢測出來的壓力低于0.105 MPa時(shí),旁通路s一2號電磁閥關(guān)閉,s一3號電磁閥打開,開始使用儲氣罐中的氣體。
儲氣罐增壓控制:在使用儲氣罐內(nèi)氣體時(shí),當(dāng)儲氣罐的出口P一2號壓力變送器檢測的壓力低To.2 MPa時(shí),壓縮機(jī)啟動;當(dāng)儲氣罐中的壓力增到0.4 MPa時(shí),壓縮機(jī)停機(jī)。
保護(hù)控制:當(dāng)壓縮機(jī)出口溫度變送器檢測到溫度超過70℃時(shí),壓縮機(jī)停機(jī),并進(jìn)行報(bào)警,此時(shí)壓縮機(jī)不能再次啟動,待排除故障后才能再次啟動。
當(dāng)泄漏報(bào)警探頭檢測到現(xiàn)場出現(xiàn)泄漏,人口處 s一1號電磁閥關(guān)閉,壓縮機(jī)停機(jī),并進(jìn)行報(bào)警,此時(shí)壓縮機(jī)不能再次啟動,待排除故障后才能再次啟動。7項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)行情況
該套系統(tǒng)于2011年8月上旬開始壓縮機(jī)系統(tǒng)
整體成橇和控制系統(tǒng)制作,8月下旬橇體運(yùn)到現(xiàn)場后進(jìn)行管道連接、棚架安裝、電氣安裝,9月初運(yùn)行調(diào)試。經(jīng)過一段時(shí)間的使用,工作情況保持穩(wěn)定。增壓系統(tǒng)現(xiàn)場見圖4。
該增壓系統(tǒng)試運(yùn)行時(shí)噪聲較大,主要出現(xiàn)在儲氣罐處。由于現(xiàn)場壓縮機(jī)進(jìn)出口都采用軟管連接,并且噪聲是在增壓的高壓階段出現(xiàn),因此不是振動引起。我們對此進(jìn)行了分析,噪聲可能是由以下原因造成:進(jìn)入儲氣罐的氣流速度過快,產(chǎn)生了噪聲(聽起來類似口哨聲),同時(shí)儲氣罐的體積較大且罐壁薄,對噪聲進(jìn)行了放大d如果能夠分散進(jìn)入儲氣罐的氣流,噪聲可能會相應(yīng)降低。于是制作了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的擋板(見圖5)裝于儲氣罐內(nèi)部進(jìn)氣口處。安裝完成后,經(jīng)過實(shí)際使用驗(yàn)證,整體噪聲大大降低。
MPa時(shí)候,壓縮機(jī)工作,將壓力提升到0.4 MPa。由于場地大小限制,整體進(jìn)行橇裝,以節(jié)省現(xiàn)場空間,與人口緩沖管道及儲氣罐的連接到現(xiàn)場后再進(jìn)行。控制系統(tǒng)及其附件也集成到橇體。當(dāng)采取壓縮機(jī)路供氣的時(shí)候,旁通路處于自動關(guān)閉狀態(tài)。由于管道和閥門管路存在壓力損失,因此實(shí)際設(shè)置管網(wǎng)壓力要高于0.11 MPa時(shí)才使用旁通路,以保證進(jìn)人生產(chǎn)環(huán)節(jié)的壓力能達(dá)到最低要求(0.1 MPa)。
6.2工藝流程
增壓系統(tǒng)工藝流程見圖2。
增壓前天然氣經(jīng)過緩沖管道,這樣能夠讓氣體有一定的緩沖,避免壓縮機(jī)啟動時(shí)上游管道壓力下降;人口處設(shè)置有P一1號壓力變送器,用于檢測管網(wǎng)壓力是否滿足使用要求,以便決定是采用增壓系統(tǒng)供氣還是采用管網(wǎng)供氣;入口處的s—l號電磁閥主要是用于出現(xiàn)緊急情況時(shí)切斷。
壓縮機(jī)采用一開一備形式,工作壓縮機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī)報(bào)警后,值班人員可關(guān)閉故障壓縮機(jī)進(jìn)出閥門,等待維修,同時(shí)打開備用壓縮機(jī)進(jìn)出口閥門進(jìn)行控制操作后接替運(yùn)行,以滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要。壓縮機(jī)進(jìn)出口都采用金屬軟管連接,防止機(jī)械振動順管道傳遞;壓縮機(jī)入口設(shè)置有帶過濾的氣液分離器,防止管壁內(nèi)銹蝕物和水分進(jìn)入壓縮機(jī);壓縮機(jī)出口設(shè)置有溫度變送器,用于檢測壓縮機(jī)出口的排氣溫度,進(jìn)行連鎖保護(hù)。
進(jìn)入儲氣罐前設(shè)置止回閥,防止壓縮機(jī)停機(jī)后儲罐內(nèi)氣體倒流。儲氣罐能夠儲存一定量的氣體供生產(chǎn)工序使用,從而保證壓縮機(jī)有間歇的冷卻時(shí)間。儲氣罐出口設(shè)置有P一2號壓力變送器,用于檢測儲氣罐的壓力,對壓縮機(jī)進(jìn)行連鎖控制,以保證儲氣罐壓力保持在設(shè)定范圍內(nèi)。
由于儲氣罐內(nèi)的壓力高于生產(chǎn)工序需要的壓力,因此需要對儲氣罐內(nèi)氣體經(jīng)過調(diào)壓后再進(jìn)行使用。調(diào)壓后設(shè)置有s一3號電磁閥,當(dāng)使用增壓系統(tǒng)時(shí)s一3號電磁閥打開,s一2號電磁閥關(guān)閉;當(dāng)使用旁通路時(shí),s一2號電磁閥打開,s一3號電磁閥關(guān)閉。由于采用增壓路時(shí)一般要取生產(chǎn)工藝要求的最優(yōu)工作壓力,因此設(shè)置調(diào)壓器出口壓力為O.12 MPa,比管網(wǎng)的壓力要高,故旁通路生產(chǎn)工藝要設(shè)置止回閥。
6.3控制系統(tǒng)
增壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)見圖3。
由于兩臺壓縮機(jī)為一開一備,控制操作相同,為方便圖示,圖3中以單臺壓縮機(jī)的控制為例。該套系統(tǒng)需設(shè)置弱電Kl控制箱和強(qiáng)電l(2控制箱,K1控制箱用于接收檢測儀器的信號來控制電磁閥的關(guān)開,同時(shí)發(fā)信號給K2控制箱以啟動和關(guān)閉電機(jī)。
該套控制系統(tǒng)分為供氣選擇控制、儲氣罐增壓控制和保護(hù)控制3部分。
供氣選擇控制:入口P一1號壓力變送器檢測到管網(wǎng)壓力高于0.11 MPa時(shí),調(diào)壓設(shè)備出口的s一3號電磁閥關(guān)閉,此時(shí)旁通路s一2號電磁閥打開,由管網(wǎng)直接供氣。當(dāng)入口檢測出來的壓力低于O.105
MPa時(shí),旁通路s一2號電磁閥關(guān)閉,s一3號電磁閥打開,開始使用儲氣罐中的氣體。
儲氣罐增壓控制:在使用儲氣罐內(nèi)氣體時(shí),當(dāng)儲氣罐的出口P一2號壓力變送器檢測的壓力低于O.2 MPa時(shí),壓縮機(jī)啟動;當(dāng)儲氣罐中的壓力增到O.4 MPa時(shí),壓縮機(jī)停機(jī)。
保護(hù)控制:當(dāng)壓縮機(jī)出口溫度變送器檢測到溫度超過70℃時(shí),壓縮機(jī)停機(jī),并進(jìn)行報(bào)警,此時(shí)壓縮機(jī)不能再次啟動,待排除故障后才能再次啟動。
當(dāng)泄漏報(bào)警探頭檢測到現(xiàn)場出現(xiàn)泄漏,人口處 s一1號電磁閥關(guān)閉,壓縮機(jī)停機(jī),并進(jìn)行報(bào)警,此時(shí)壓縮機(jī)不能再次啟動,待排除故障后才能再次啟動。7項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)行情況
該套系統(tǒng)于2011年8月上旬開始壓縮機(jī)系統(tǒng)整體成橇和控制系統(tǒng)制作,8月下旬橇體運(yùn)到現(xiàn)場后進(jìn)行管道連接、棚架安裝、電氣安裝,9月初運(yùn)行調(diào)試。經(jīng)過一段時(shí)間的使用,工作情況保持穩(wěn)定。增壓系統(tǒng)現(xiàn)場見圖4。
該增壓系統(tǒng)試運(yùn)行時(shí)噪聲較大,主要出現(xiàn)在儲氣罐處。由于現(xiàn)場壓縮機(jī)進(jìn)出口都采用軟管連接,并且噪聲是在增壓的高壓階段出現(xiàn),因此不是振動引起。我們對此進(jìn)行了分析,噪聲可能是由以下原因造成:進(jìn)入儲氣罐的氣流速度過快,產(chǎn)生了噪聲(聽起來類似口哨聲),同時(shí)儲氣罐的體積較大且罐壁薄,對噪聲進(jìn)行了放大。如果能夠分散進(jìn)入儲氣罐的氣流,噪聲可能會相應(yīng)降低。于是制作了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的擋板(見圖5)裝于儲氣罐內(nèi)部進(jìn)氣口處。安裝完成后,經(jīng)過實(shí)際使用驗(yàn)證,整體噪聲大大降低。