天然氣增壓系統(tǒng)在工業(yè)用戶的應(yīng)用

摘 要

摘要：針對工業(yè)用戶小流量、高壓力的實際用氣需要，提出增壓系統(tǒng)工藝流程和壓縮機及附屬設(shè)備的選型方案，對調(diào)試運行過程中遇到的噪聲問題提出了解決措施。關(guān)鍵詞：天然氣；增壓系統(tǒng)；工
摘要：針對工業(yè)用戶小流量、高壓力的實際用氣需要，提出增壓系統(tǒng)工藝流程和壓縮機及附屬設(shè)備的選型方案，對調(diào)試運行過程中遇到的噪聲問題提出了解決措施。
關(guān)鍵詞：天然氣；增壓系統(tǒng)；工業(yè)用戶；壓縮機選型
Application of Natural Gas Boosting System to Industrial Users
WANG Ming
Abstract：According to the actual gas consumption requirements of industrial users for small flow rate and high pressure，the technological process of boosting system as well as the selection scheme of compressor and its accessories are put forward. Measures for solving noise problem encountered in commissioning of boosting system are given.
Key words：natural gas；boosting system；industrial user；compressor type selection
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，這就需要進行天然氣增壓。
    天然氣增壓系統(tǒng)主要在氣田、大型氣站[1]和電力行業(yè)[2]運用較多，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[3]或者液化天然氣瓶組[4]供氣來保證特殊生產(chǎn)要求，增加了運行成本和安全成本。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，同時該系統(tǒng)應(yīng)具有資金投入少、運行經(jīng)濟、使用方便安全、維護簡單等特點。
2 工程實例概況
    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?.10～0.12MPa，用氣量為30m3/h，但是管網(wǎng)供應(yīng)壓力范圍為0.08～0.12MPa，大部分時間穩(wěn)定在0.10MPa，一旦供氣壓力低于0.10MPa，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0.10MPa以上時直接使用管網(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0.10MPa以下時靠增壓系統(tǒng)供氣，當(dāng)一臺壓縮機長時間工作后，出口溫度高于70℃時自動切換到另外一臺壓縮機工作。
3 工程分析
    用戶提出的要求，在實際中雖然能夠?qū)崿F(xiàn)，但是實施起來會面臨兩個問題：
    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。
    出于投資和運行經(jīng)濟、使用方便安全、維護簡單的考慮，我們對用戶的要求進行了修正并且對用戶顧慮的問題進行了考慮。壓縮機長時間運轉(zhuǎn)必然導(dǎo)致運行部件的溫度升高，效率降低，因此需要間歇停機以保證壓縮機有冷卻時間。因此，可以考慮使用儲氣罐進行氣體儲存，能夠保證臨時供氣，使壓縮機具有足夠的冷卻時間。
    另外，入口氣體溫度和壓縮比的增加也會使出口氣體溫度增加，同時使設(shè)備工作部件溫度升高，因此，壓縮機的壓縮比不能過高，當(dāng)環(huán)境氣溫過高時可考慮采用水冷系統(tǒng)進行冷卻。這樣就解決了單機運行溫度過高的問題，從而可以采用一開一備的運行模式，即使單臺壓縮機出現(xiàn)問題，備用壓縮機可以很快地投入工作，不至于對生產(chǎn)造成影響。同時系統(tǒng)的復(fù)雜性和組成部件數(shù)量都大大降低。
4 設(shè)計總體思路
增壓系統(tǒng)設(shè)計總體思路見圖1。
 

   按照GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》要求，增壓裝置前需有緩沖裝置。壓縮機的排氣量不能超過管網(wǎng)供氣量，實際現(xiàn)場有一段長度約100m的DN 200mm的管道專用于該道工序，管道的額定供氣量在200m3/h以上，遠(yuǎn)超過實際用氣量，因此該管道可視為緩沖裝置。壓縮機設(shè)備嚴(yán)禁水、塵進入，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入儲氣罐緩沖儲存，由于壓縮機停機后儲氣罐上游壓力將低于儲氣罐，因此進入儲氣罐前應(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
5.1 壓縮機出口溫度的計算
壓縮機出口溫度是整個方案設(shè)計考慮的核心因素，因此首先要計算在不同壓縮比下的壓縮機出口溫度，以選擇合適的壓縮比。壓縮機出口溫度的近似計算公式為：
 
式中T2——壓縮機出口溫度，K
    T1——壓縮機入口溫度，K
    p1——壓縮機出口壓力，MPa
    p2——壓縮機入口壓力，MPa
    κ——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0.08MPa，夏天天然氣入口溫度為303K，冬天天然氣入口溫度為273K，計算結(jié)果見表1、2。
表1 夏天壓縮機出口溫度
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)以上計算結(jié)果，夏季壓縮機壓縮比達到2.22時，壓縮機出口絕對壓力為0.4MPa，此時溫度達到了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，此時的出口絕對壓力為0.5MPa，出口溫度為66.23℃，滿足用戶的要求。因此確定設(shè)計壓縮比為2.78，春季和秋季在該壓縮比下根據(jù)平均進氣溫度計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0.5MPa，儲罐增壓到該壓力時，壓縮機就停機冷卻。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0.2MPa以上的壓力，后續(xù)的調(diào)壓設(shè)備才有足夠的入口壓力進行調(diào)壓。而壓縮機冷卻時間以10min左右為合適，因此儲氣罐的儲存量要保證10min用氣量。按照30m3/h的用氣量，10min用氣量約5m3。儲氣罐從0.4MPa降壓到0.2MPa要保證氣量為5m3，換算成工況體積為2.5m3，考慮安全余量，按計算結(jié)果的1.2倍選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格儲罐為3m3。
5.3 壓縮機的選擇
   壓縮機工作時間為每1h工作50min，要同時供應(yīng)生產(chǎn)用氣和儲罐儲存用氣，合計為35m3。這里采用保守計算，近似地按照標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的氣量來確定活塞的排氣量，計算出壓縮機排氣量需滿足42m3/h。
   由于用氣量小，可以選擇小型活塞式壓縮機。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。要保證壓縮機在夏天出口溫度不要過高，壓縮機上還需帶有水循環(huán)系統(tǒng)，保證壓縮機正常使用和效率。電機及其他檢測設(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0.2～0.4MPa調(diào)到0.12MPa后供生產(chǎn)使用。調(diào)壓設(shè)備流量要滿足最小壓差下30m3/h即可。
6 方案確定
6.1 方案簡介
   采用活塞式壓縮機，當(dāng)儲氣罐內(nèi)壓力下降到0.2MPa時候，壓縮機工作，將壓力提升到0.4MPa。由于場地大小限制，整體進行橇裝，以節(jié)省現(xiàn)場空間，與入口緩沖管道及儲氣罐的連接到現(xiàn)場后再進行?？刂葡到y(tǒng)及其附件也集成到橇體。當(dāng)采取壓縮機路供氣的時候，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，因此實際設(shè)置管網(wǎng)壓力要高于0.11MPa時才使用旁通路，以保證進入生產(chǎn)環(huán)節(jié)的壓力能達到最低要求(0.1MPa)。
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，避免壓縮機啟動時上游管道壓力下降；入口處設(shè)置有P-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-1號電磁閥主要是用于出現(xiàn)緊急情況時切斷。
    壓縮機采用一開一備形式，工作壓縮機出現(xiàn)故障停機報警后，值班人員可關(guān)閉故障壓縮機進出閥門，等待維修，同時打開備用壓縮機進出口閥門進行控制操作后接替運行，以滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要。壓縮機進出口都采用金屬軟管連接，防止機械振動順管道傳遞；壓縮機入口設(shè)置有帶過濾的氣液分離器，防止管壁內(nèi)銹蝕物和水分進入壓縮機；壓縮機出口設(shè)置有溫度變送器，用于檢測壓縮機出口的排氣溫度，進行連鎖保護。
    進入儲氣罐前設(shè)置止回閥，防止壓縮機停機后儲罐內(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，從而保證壓縮機有間歇的冷卻時間。儲氣罐出口設(shè)置有P-2號壓力變送器，用于檢測儲氣罐的壓力，對壓縮機進行連鎖控制，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)壓后再進行使用。調(diào)壓后設(shè)置有S-3號電磁閥，當(dāng)使用增壓系統(tǒng)時S-3號電磁閥打開，S-2號電磁閥關(guān)閉；當(dāng)使用旁通路時，S-2號電磁閥打開，S-3號電磁閥關(guān)閉。由于采用增壓路時一般要取生產(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0.12MPa，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中以單臺壓縮機的控制為例。該套系統(tǒng)需設(shè)置弱電K1控制箱和強電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，同時發(fā)信號給K2控制箱以啟動和關(guān)閉電機。
    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控制3部分。
    供氣選擇控制：入口P-1號壓力變送器檢測到管網(wǎng)壓力高于0.11MPa時，調(diào)壓設(shè)備出口的S-3號電磁閥關(guān)閉，此時旁通路S-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0.105MPa時，旁通路S-2號電磁閥關(guān)閉，S-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，當(dāng)儲氣罐的出口P-2號壓力變送器檢測的壓力低于0.2MPa時，壓縮機啟動；當(dāng)儲氣罐中的壓力增到0.4MPa時，壓縮機停機。
    保護控制：當(dāng)壓縮機出口溫度變送器檢測到溫度超過70℃時，壓縮機停機，并進行報警，此時壓縮機不能再次啟動，待排除故障后才能再次啟動。
    當(dāng)泄漏報警探頭檢測到現(xiàn)場出現(xiàn)泄漏，入口處S-1號電磁閥關(guān)閉，壓縮機停機，并進行報警，此時壓縮機不能再次啟動，待排除故障后才能再次啟動。
7 項目建設(shè)及運行情況
該套系統(tǒng)于2011年8月上旬開始壓縮機系統(tǒng)整體成橇和控制系統(tǒng)制作，8月下旬橇體運到現(xiàn)場后進行管道連接、棚架安裝、電氣安裝，9月初運行調(diào)試。經(jīng)過一段時間的使用，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)試運行時噪聲較大，主要出現(xiàn)在儲氣罐處。由于現(xiàn)場壓縮機進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。我們對此進行了分析，噪聲可能是由以下原因造成：進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)，同時儲氣罐的體積較大且罐壁薄，對噪聲進行了放大。如果能夠分散進入儲氣罐的氣流，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)部進氣口處。安裝完成后，經(jīng)過實際使用驗證，整體噪聲大大降低。
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(本文作者：王明 廣州多美時燃?xì)庠O(shè)備有限公司 廣東廣州 510170)