雙管換熱器在天然氣調壓站中的應用研究

金向陽，潘華引，潛紀儒，李碩平，許 平

（1.華電江東熱電有限公司，杭州 310018；2.浙江省電力設計院，杭州 310012）

雙管換熱器在天然氣調壓站中的應用研究

金向陽1，潘華引2，潛紀儒2，李碩平2，許 平2

（1.華電江東熱電有限公司，杭州 310018；2.浙江省電力設計院，杭州 310012）

以沿海某燃氣輪機電廠油改氣工程實施為契機，對調壓站天然氣露點加熱系統進行比選，通過工藝的優化設計和新技術、新產品的應用，采用了蒸汽直接加熱系統的技術方案。該方案采用雙管式熱交換器，以廠內輔汽系統蒸汽對過濾后的天然氣直接加熱，在保證加熱后天然氣溫度滿足露點過熱度要求的前提下，比起蒸汽間接加熱，簡化了系統，減少了場地占用，降低了后期設備運行費用。工程竣工投產后，該系統運行情況良好，達到設計要求，對于同類型電廠改造甚至新建具有一定的借鑒推廣價值。

燃氣輪機；天然氣調壓站；蒸汽直接加熱；雙管換熱器

隨著環境壓力的越來越大，近年來燃氣輪機聯合循環機組以其整體循環效率高、污染小、占地少、建設周期短，運行靈活等優點在我國得到迅速發展，特別是電價承受能力較高的沿海長三角以及珠三角地區。在相關地方審批政策的進一步支持下，許多大型燃氣輪機聯合循環電廠已經建成投產，還有相當部分正在規劃和建設中。

天然氣調壓站是燃氣輪機聯合循環電廠的重要組成部分之一，它是天然氣的主要處理系統，主要有降壓、穩壓，清除天然氣中的雜質以及保護下游管道和燃燒設備安全的作用，直接影響到燃氣輪機聯合循環機組運行的可靠性和經濟性。一般來說，考慮到上游天然氣管路的溫降以及天然氣調壓后在焦耳-湯普森效應作用下的溫降，為避免因天然氣溫度過低引發結露并損傷燃氣輪機，燃氣輪機入口天然氣溫度應滿足一定要求［1］。因此，調壓站通常需要配置天然氣露點加熱系統，以保證在冬季上游來氣溫度過低時下游燃氣輪機入口處天然氣溫度高于烴露點和水露點，并有一定的過熱度而不發生結露。

在沿海某燃氣輪機電廠油改氣工程實施中，采用蒸汽直接加熱用于天然氣調壓站露點加熱系統，本文現就其實施過程加熱系統的優化進行分析討論，并介紹投運后的運行情況。

1 天然氣加熱系統簡述

對于天然氣的預熱，按有無加熱介質需求可分為直接加熱和間接加熱，直接加熱主要利用電能直接對天然氣進行加熱，間接加熱主要利用高溫介質對天然氣進行加熱，一般采用水浴爐加熱器或者管殼式換熱器。水浴爐加熱器利用除鹽水作為中間加熱介質，需要少量增加全廠制水系統出力。管殼式換熱器的理想加熱介質為高壓熱水，可防止天然氣串到加熱介質輸送系統內而引起安全隱患，通常電廠內沒有合適的高壓熱水源，而若采用電廠內相對容易獲取的輔助蒸汽（低壓過熱蒸汽）作為加熱介質，由于天然氣側的壓力通常高于輔助蒸汽的壓力，則存在天然氣泄漏到輔助蒸汽系統的風險，部分電廠以高壓熱水作為輔助蒸汽和天然氣的中間換熱介質，需要配置高壓水泵并增加一個換熱回路。

根據國內外燃氣輪機電廠的設計運行經驗，以上幾種天然氣預熱方案詳述如下［2－3］：

（1）水浴爐加熱器

水浴爐是集熱水鍋爐和換熱器為一體的設備，由爐本體及燃燒器等組成。它利用除鹽水為中間熱質傳熱，吸收火筒中燃燒天然氣產生的熱量，傳遞給盤管內的天然氣，達到加熱天然氣的目的。不同型號的燃氣輪機需要的天然氣壓力一般在2.0～3.5 MPa左右，而水浴爐燃燒器需要的天然氣壓力一般在0.2 MPa左右，因此還需要配置一套天然氣減壓單元以滿足水浴爐的需求。由于天然氣降壓幅度大，當天然氣溫度過低時，無法達到水浴爐燃燒的要求，還需要配置一臺電加熱器，使天然氣溫度達到點燃水浴爐和穩定燃燒所需的溫度。

（2）電加熱器

電加熱器內部主要采用集束式管狀加熱元件，利用電能直接加熱天然氣。天然氣在有電加熱管的環形空間內流動一定時間后流出加熱器，在流動過程中吸收電加熱管放出的熱量而使溫度升高，從而達到介質加熱升溫的目的。加熱方式簡單，熱響應快，控溫精度高，可將天然氣加熱到極高溫度。但由于天然氣調壓站屬于防爆區域，電加熱器需要選用防爆型的，造價較高，通常較少作為調壓站天然氣露點加熱器使用。

（3）管殼式換熱器

以燃氣輪機系統中產生的過熱水或蒸汽為熱源，通過管殼式換熱器對天然氣加熱，按照換熱器數量的不同可分為間接加熱和直接加熱兩種方式。間接加熱即考慮到天然氣側的運行壓力一般高于熱源介質的運行壓力，為防止一定運行時間后，如因應力或者腐蝕而造成管壁或者管板焊接處的破損而導致天然氣會在壓差下進入熱源介質，引起易燃易爆的天然氣發生泄漏，采用一種安全介質作為中間回路來實現介質分離。安全介質通常采用高壓水，主要系統流程見圖1，低壓蒸汽在蒸汽／熱水換熱器中加熱高壓循環水，加熱后的高壓熱水再在熱水／天然氣換熱器對天然氣進行加熱，顯然，間接加熱通常需要配置兩個換熱器。直接加熱即不引入安全介質和中間回路，簡化系統配置，主要系統流程見圖2。為解決天然氣加熱過程中的安全問題，本文在直接加熱方案中擬選用某公司雙管換熱器，低壓蒸汽通過雙管換熱器對天然氣直接進行加熱。

2 雙管換熱器結構特性

天然氣雙管換熱器內管一般采用光滑平管，減小主流流阻，外管采用不同幾何形狀的翅片管，加強換熱，具有傳熱效率高、結構緊湊、適應性強的特點，剖面結構如圖3所示。與單層管壁的普通熱交換器的管束不同，雙管安全性換熱器設計雙層管壁，每一端都有兩個管板，兩層管路各固定在不同的管板上，當兩管脹接時，兩層管壁之間會形成極細小的通路，用于收集和導出泄漏介質。不難發現，若安裝一個壓力檢測裝置用于測量雙層管壁之間的通路的壓力，可以實現對管壁破損泄漏進行報警。

由于采用了這種雙層管壁結構，即使加熱介質側管殼出現了破損，天然氣一側的完整管壁仍然可以使天然氣與加熱介質保持隔離，系統仍然可以繼續正常運行直到下一個例行檢修周期的到來，通常換熱面積設計留有一定余量，屆時現場對發生泄漏的單元管束兩端采取封堵措施，換熱器便可繼續運行。比起普通的管殼式換熱器，避免了因設備故障停機檢修而造成的經濟損失。

3 換熱方案比較

適加熱熱源的前提下，采用雙管換熱器對天然氣進行直接加熱具有技術可靠、運行維護成本低、占地面積小等特點，由于本工程在油改氣過程中將對輔助鍋爐進行同步改造，解決天然氣加熱熱源問題，且廠區本身布置緊湊，新增加的調壓站需要盡量壓縮布置，因此天然氣加熱將采用雙管換熱器直接加熱方案。

上述幾種加熱方案優缺點匯總如表1，在有合

4 雙管換熱器工程實例

本工程機組配置為2臺100 MW級燃氣輪發電機組、2臺余熱鍋爐和1臺100 MW級蒸汽輪機的S209E“二拖一”方式。正常工況機組燃用重油，啟動用輕油。由于近年油價高企，發電成本迅速攀升，污染亦比較嚴重（尤其是SO2和NOx），因此考慮將原來燃用重油的燃氣輪機改造為燃用天然氣，原燃油輔助鍋爐同步改造，并為調壓站提供加熱蒸汽，輔助蒸汽額定參數：1.25 MPa，194℃，天然氣最大流量90 000 m3／h（標準狀況下），設計溫升30℃。所采用的雙管換熱器在調壓站中作為天然氣露點加熱器使用，外管采用不同形狀的翅片管，內管采用光滑平管，配合專用檢漏開關，可以快速識別故障。整個調壓站設計兩臺100%出力換熱器，一用一備，換熱面積23.99 m2，單套換熱裝置最大處理能力約為90 000 m3／h（標準狀況下），具體參數見表2。

5 結論

綜上所述，考慮到上游天然氣管路的溫降以及天然氣調壓后在焦耳-湯普森效應作用下的溫降，燃氣輪機電廠中的天然氣調壓站通常需要設置露點加熱器。通常燃氣輪機電廠生產過程中無合適的高壓熱水源作為加熱介質用于加熱天然氣，而直接采用易于獲得的低壓蒸汽加熱天然氣存在天然氣泄漏的安全隱患。雙管換熱器特殊的雙層管壁結構，有效排除了隱患，配合專用檢漏開關，可以快速識別故障，同時簡化了系統，節省了占地和投資。

目前雙管換熱器已在沿海某燃氣輪機電廠油改氣工程中投運，運行情況良好，達到設計要求，今后在同類型改造工程或者新建燃機電廠中具有一定的推廣價值。

參考文獻：

［1］ 陳仁貴，陶月.燃氣輪機進氣系統結霜分析及對策［J］.熱能動力工程，2005，6：647-649.

［2］ 呂小蘭.燃機電廠天然氣調壓站配置探討［J］.燃氣輪機技術，2007（3）：6- 9.

［3］ 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（4）：12-16.

Application Study of Double-Tube Heat Exchanger in A Natural Gas Pressure Regulating Station

JIN Xiang-yang1，PAN Hua-yin2，QIAN Ji-ru2，LIShuo-ping2，XU Ping2
（1.Huadian Jiangdong Thermal Power Co.Ltd，Hangzhou 310018，China；2.Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China）

Based on the case study of a coastal gas turbine power plant's oil-to-gas fuel transformation，various natural gas dew point heating systems for pressure regulating station were compared，in addition，the steam directheating system was recommend as the solution via process design optimization and the application of new technologies and equipment.Compared with indirect steam heating system，this solution uses the auxiliary steam to heat the filtered natural gas with a double-tube heat exchanger，and，on the premise that the temperature of the heated natural gasmeets the dew point superheat requirements，simplifies the system，reduces occupied space and cuts operational costs.After the project is completed and put into operation，the system proves towellmeet the design requirement and run in good condition.It is believed to bear reference value for similar power plant transformation or even construction projects.

gas turbine；natural gas pressure regulating station；steam direct heating；double-tube heat exchanger

V231.3

B

1009-2889（2014）03-0069-04