天然氣減壓站典型工藝配置及控制

孫紹華

（大連派思燃氣系統股份有限公司，大連116600）

從上世紀80年代末以來，我國南方地區和有油氣資源的地區，為了解決電力負荷緊張狀況，先后建設了一批燃氣輪機電廠，緩解了這些地區的電力供應。隨著燃氣電廠的快速發展，為其配套的天然氣處理系統同樣得到了迅猛發展，并實現了國產化。天然氣處理系統通常根據上游來氣壓力的不同以及燃氣輪機對天然氣壓力的要求，一般分為天然氣減壓站和天然氣增壓站。對于上游來氣壓力高于燃氣輪機需求壓力，并留有足夠壓差的天然氣處理系統，統稱為天然氣減壓站，習慣上稱作天然氣調壓站；而對于天然氣上游來氣壓力低于燃氣輪機需求壓力，或雖然上游來氣壓力高于燃氣輪機需求壓力，但是二者之間沒有足夠壓差的天然氣處理系統，統稱為天然氣增壓站。本文主要論述天然氣減壓站的典型工藝配置及控制問題。

1 典型的天然氣減壓站

燃氣輪機的燃料天然氣，因氣源不同，其物理特性差異很大。為了使燃氣輪機在各種工況下均能連續有效無故障地運行，天然氣的物理性能、組分和污染雜質的允許范圍必須滿足燃氣輪機的要求［1］。天然氣處理系統就是處理和解決上述燃氣輪機進氣前天然氣這些問題的。對于上游天然氣來氣壓力均能滿足燃氣輪機各種工況下的壓力需求時，天然氣處理系統通常選用天然氣減壓站。天然氣減壓站一般會按照設備裝置功能的不同，分成若干個功能模塊。典型的天然氣減壓站包括：入口緊急切斷模塊、粗分離模塊、計量模塊、精過濾模塊、加熱模塊、調壓模塊、冷凝液儲存罐、放散裝置及控制系統等。

2 各模塊的配置

2.1 入口緊急切斷模塊

入口緊急切斷模塊一般配置有絕緣接頭和緊急切斷閥，而緊急切斷閥通常由氣動執行機構或氣液聯動執行機構和被驅動的球閥組成。當場站發生大量天然氣泄漏、火災或其他緊急情況時，可迅速切斷氣源，保證天然氣處理系統及以后的各設備處于安全狀態。為此，工藝要求入口緊急切斷閥必須實現：快速切斷；在執行機構復位時切斷閥處于安全狀態。

為實現上述要求，對于氣動執行機構通常選擇單作用執行機構，且復位型式為氣開、彈簧關，氣動執行機構可由其具有強大驅動力的彈簧實現緊急切斷閥的快速切斷；當執行機構失去控制氣源時，由彈簧帶動被驅動的球閥將氣源快速切斷。緊急切斷閥的關閉時間按球閥口徑確定，一般要求小于5～8s，特殊條件下要求小于3s，甚至1s。

緊急切斷閥有了上述選擇后，還必須有合理而可靠的控制回路。一般來說，為保證執行機構正常運行時能夠一直處于開啟狀態，通常選擇雙電磁閥配置方案。對緊急切斷閥的控制可分為如下幾種形式：

（1）單控方式。此種方式只在就地控制室控制柜柜面及集控室操作臺上各設置一個緊急按鈕。無論在就地控制室還是在集控室，只要拍下緊急按鈕，緊急切斷閥就會切斷氣源。這種方式簡單實用，響應時間短。

（2）雙控方式。此種方式在就地控制室控制柜柜面及集控室操作臺各設置兩個緊急按鈕。在就地控制室或集控室必須依次拍下兩個緊急按鈕，才能通過緊急切斷閥切斷氣源。這種方式留有糾錯功能，需再次判斷，響應時間較長。

（3）三地操控方式。這種方式是上述兩種方式的延續，再在模塊邊設置就地控制箱，以實現巡檢人員在現場模塊邊完成切斷氣源的工作。

從形式上看，似乎第二種方式較為穩妥；但從效果及反應時間來說，第一種才是真正意義上的緊急處理。通常為防止誤拍緊急按鈕，在緊急按鈕上設置防護座。

此模塊中設有絕緣接頭，用來實現天然氣減壓站與上游輸氣管道間的電氣絕緣，以防止天然氣減壓站各模塊及設備的接地與上游輸氣管道的接地間發生短路。

2.2 粗分離模塊

粗分離模塊通常配有一臺旋風分離器或其他型式的分離器，并配有帶隔斷球閥的旁路。旋風分離器工作原理是：天然氣經設備入口進入設備旋風分離區，天然氣受導向葉片的作用產生強烈旋轉，液滴和塵粒在離心力作用下沿旋風筒壁下落流至設備底部積液區，從設備底部的排液口流出；天然氣在筒內收縮向中心流動，向上經設備上部出口流出。通過分離器可以去除天然氣中較大顆粒的固體物質及全部液滴。工藝設計時要求在分離器下部必須具有液位測量及底部自動排污功能。為實現工藝控制要求，常規選擇在分離器下部安裝磁翻板液位計，以顯示被分離出來的液體存儲高度。為減少分離器本體開孔（減少焊接點，也是減少泄漏點），通常選擇在磁翻板液位計上附帶磁性液位開關，用以進行液位控制。在分離器底部的排出管道上設置控制閥，控制閥一般選擇開關型氣動球閥，并為控制閥配置手動旁路。

這樣，由高低液位磁性開關、控制系統、氣動球閥組成的控制回路就簡單地實現了工藝要求：液位上升至高液位時，高液位磁性開關觸點狀態發生變化（常開觸點閉合），控制系統接到信號后對氣動球閥發出開啟信號，氣動球閥由關到開，將存儲的液體排出分離器；隨著液體的排出，液位降至低液位時，低液位磁性開關觸點狀態發生變化（常閉觸點斷開），控制系統接到信號后對氣動球閥發出關閉信號，氣動球閥由開到關，停止排液。

為確保分離器液位不超出工藝要求的高度，通常會考慮設置極高液位保護磁性開關，從測量上保證了工藝設備運行安全可靠。

若天然氣介質中固體顆粒較多，或有顆?？ㄈ谂盼坶y密封面上，會導致天然氣夾帶泄漏，為此要考慮設置極低液位保護開關，以避免這一問題的發生。

2.3 計量模塊

計量模塊通常置放在粗分離模塊之后，用于校對上游天然氣貿易結算。流量計大多選用超聲波流量計或渦輪流量計，流量計本體精度不低于0.5級。計量模塊主路設有流量計，旁路配置隔離球閥。這種配置應用比較廣泛，在流量計標定期間天然氣通過旁路，保證后續系統對天然氣的需求。計量系統要求能無間斷有效地進行測量，因而可以采用三種配置方案：

（1）雙路流量計（一用一備），各自獨立，簡單的用備關系。

（2）雙路流量計（一用一備），并配有互校球閥旁路。

（3）雙路流量計（一用一備），除了配有互校球閥旁路外，還配有在線標定接口。

通常在天然氣減壓站的上游均配有供氣單位的計量設備，天然氣減壓站內的流量計計量一般是作為上游天然氣貿易結算的校核或比對，故采用常規配置即可滿足計量的一般要求；個別時候，為了在流量計故障或維護時也同樣保持與上游天然氣貿易結算的校核或比對，將常規配置的旁路也改為與主路一樣的配置，組成簡單的雙路計量。

無論哪種配置方案，都要求保證計量準確。為此，在此模塊中還需要配置補償用的壓力及溫度檢測點。若除了對天然氣的體積流量校核外，還要進行質量流量校核，則尚需要配置在線色譜儀等分析儀表。從計量校核考慮，除了上述檢測儀表，計量系統需要采用獨立的流量計算機接受這些檢測信號，通過計算機的運算得出可信的流量值。計量模塊的流量計典型配置見圖1。

圖1 流量計典型配置圖

圖1中，用于數據處理的流量計算機（FC101）將接收到的分析儀表（AT101，一般是在線色譜儀）組分信號、當前管道中介質壓力（PT101）及溫度（TE101）信號、流量計（FE101）流量信號，按照內置的ISO等計量標準，核算出符合要求的天然氣流量。

2.4 精過濾模塊

精過濾模塊最常規的配置是一用一備的兩段式過濾器2臺，也有兩用一備的3臺配置型式，在各個過濾器前后管道上均設置隔斷球閥。通常過濾器的第一段為擋板或旋風結構的分離段，此段將固體顆粒及液滴分離出來；第二段為濾芯結構的過濾段，此段將天然氣中固體顆粒及霧狀液滴剔除。過濾段大多采用凝聚式結構，其工作原理是天然氣穿透凝聚式濾芯流出時在濾芯表面將天然氣中的小液滴凝聚長大，在重力的作用下自然降落，沉積到濾芯底部積液區而排出；流過濾芯的天然氣經設備上部出口流出。通過兩段分離過濾后，清潔的天然氣送往后續設備。

按照過濾工藝要求，濾芯型過濾器均設置上、下游壓差檢測，通過測得的壓差值確認濾芯堵塞程度。對于這種兩段式過濾器，通常每段標配液位計及附帶磁性液位開關，每段的下部均設有排放口，在排放口配置氣動球閥，用以排出積液。

同粗分離模塊一樣，由高低液位磁性開關、控制系統、氣動球閥組成的控制回路就簡單地實現了積液自動排放的要求，各儀控設備動作過程與粗分離模塊類似。

同樣，為確保過濾器液位不超出工藝要求的高度，會考慮設置極高液位磁性開關。若天然氣介質中固體顆粒較多，也要考慮設置極低液位開關，當出現天然氣夾帶泄漏問題時及時采取措施。

2.5 加熱模塊

加熱模塊配置的加熱器通常有燃氣水浴式加熱器、電加熱器及管殼式換熱器等。對于燃氣輪機主回路采用的加熱器，以燃氣水浴式加熱器為多，這種加熱器通常是由鍋爐本體、燃燒器等組成，它是利用除鹽水作為中間傳熱介質，將天然氣燃燒產生的熱量傳遞給流經的天然氣。圖2給出了采用燃氣水浴式加熱器的加熱模塊的天然氣溫度控制系統回路圖。

圖2 溫度控制系統回路圖

圖2中，加熱器有兩條溫度控制回路［2］：一個是主調節回路，以水浴爐水側溫度（TE101）為被調對象，通過調節燃燒器（TCH101）輸出功率，使水浴爐水套內水溫控制在要求的范圍內，由被加熱的水套水將天然氣溫度提升到要求范圍內；另一個是輔助調節回路，以加熱單元出口天然氣溫度（TE102）為被調對象，通過調節水浴爐旁路閥（TCV102）開度，使加熱單元出口天然氣溫度（TE102）控制在規定的范圍內，以適應燃氣輪機小負荷運轉時的供氣溫度要求。

加熱模塊的控制除了滿足工藝參數要求之外，還需要滿足必要的安全運行參數要求：監測鍋爐本體水的消耗，保持正常的水位，以免因為缺水而導致停機。

2.6 調壓模塊

調壓模塊中的壓力控制裝置的配置分為單元制配置與母管制配置，這兩種配置的區別在于備用調壓支路分配上：單元制是每套燃氣輪機配置一用一備的調壓支路，而母管制是多套燃氣輪機組配置一個或若干個備用的調壓支路。無論哪種配置，每條調壓支路一般依次配置進口隔斷球閥、安全切斷閥、監控調壓器、工作調壓器及出口隔斷球閥。為適應燃氣輪機對天然氣壓力、流量需求的快速響應，調壓器通常選擇自力式。為了讓運行人員了解調壓支路的工作狀態，通常將每條調壓支路的安全切斷閥閥位反饋到控制系統。另外，調壓器驅動氣路（調壓器上游進氣管路）受環境影響較大，必要時應將這段管路進行保溫、伴熱或加裝預熱器。

2.7 冷凝液收集模塊

冷凝液收集模塊由冷凝液儲存罐及輔助設備組成。冷凝液儲存罐配有帶磁性液位開關的液位計，由磁性液位開關監控冷凝液儲存情況。運行人員依據冷凝液儲存情況，及時通過排污泵等手段將冷凝液排放到收集車中，運到處理廠進行處理。

2.8 燃氣泄漏檢測

在工藝設備及管道等可能產生天然氣泄漏的區域，均需裝設可燃氣體濃度監測探頭，用以檢測站內的燃氣泄漏。

3 控制系統

原則上，每一座天然氣減壓站均配置獨立的控制系統，并將其布置在安全區域內的控制室中。這些控制系統均采用集中監控方式，由PLC完成，并負責與DCS進行通信?？刂葡到y能實現對整個減壓站系統全自動控制功能，運行人員能在集中控制室內對天然氣減壓站各工藝系統的所有被控對象進行監控，包括設備啟、?？刂疲y門開關操作，設備啟停狀態，閥門開關狀態，遠方/就地切換和主要工藝參數的監視，并完成設備的聯鎖保護。

控制系統中，主機架上配有雙機熱備CPU、FLASH存儲卡、CPU同步模件和通信模件；IO機架配置數字輸入/輸出模塊、模擬輸入/輸出模塊等IO模塊，每種I＆O點數都留有20%余量，且IO機架的槽位也有15%余量，以便于以后的擴展。

現場所有儀表信號將連接到現場防爆接線箱，所有現場信號均送至就地控制室。監控信號再通過PLC通信送到DCS供其進行監控。關鍵控制信號均通過硬接線與DCS連接，確保減壓站運行安全可靠。

4 結語

作為燃氣電廠天然氣前處理的最重要裝置，天然氣減壓站必須進行合理的工藝系統配置，必要的安全可靠控制，才能充分發揮自身的功能，滿足整個系統的工藝要求。

［1］馬國喜.燃氣輪機電廠天然氣調壓站裝置與功能分析［J］.燃氣輪機技術，2011，24（4）：12－16.

［2］孫紹華.WinCC Flexible在燃氣電廠天然氣調壓站監控中的應用［J］.發電設備，2012，26（1）：34－36.