全預混浸沒燃燒天然氣加熱裝置

郭蕭宇， 劉 蓉， 李 清， 史永征， 楊 洋， 王 浩

(1.北京建筑大學北京市供熱供燃氣通風及空調工程重點實驗室，北京100044；2.北京市燃氣集團有限責任公司，北京100035)

1 概述

長輸天然氣管道壓力級制較高，需經燃氣調壓器降壓后才能進入城鎮燃氣管網。在調壓器調壓過程中，由于節流效應，壓力下降1 MPa產生4～5 ℃的溫降[1-2]。在我國北方冬季低溫環境下，調壓器調壓帶來的溫降以及調壓器進口的持續低溫導致調壓站凍堵凍脹問題頻繁出現[2-4]。

針對調壓器的凍堵凍脹問題，最常用的技術是對管道天然氣加熱，使管道天然氣調壓后溫度保持在0 ℃以上。目前國內有多種管道天然氣加熱技術被廣泛應用，因仍存在各種適應性問題，管道天然氣加熱技術仍有巨大研究空間[5]。

在此背景下，本文介紹了國內首例采用全預混浸沒燃燒技術的管道天然氣加熱裝置(下文簡稱全預混浸沒燃燒加熱裝置)及其實際運行效果。

2 我國高中壓管道天然氣加熱技術現狀

目前國內有多種管道天然氣加熱技術，諸如：分體式鍋爐水浴加熱、電磁感應加熱、低溫輻射加熱等，但仍存在各種不足：分體式鍋爐水浴加熱在國內應用最為廣泛，其應用過程中鍋爐與水浴分離，需單獨設置鍋爐房，導致結構松散，占地面積大。電磁感應加熱利用電磁感應技術，凍堵化解及加熱迅速，但其應用過程中耗電量大，加熱能力有限。低溫輻射加熱利用低溫催化燃燒原理，設備結構相對緊湊，不需要建設鍋爐房，但低溫催化燃燒輻射加熱板國產化技術可靠性差，運行和維護成本高。

浸沒燃燒技術相比于其他加熱方式，具有結構緊湊、占地面積小、熱效率高等優勢。該技術在國內多用于LNG的氣化工藝。我們研發團隊將其首次應用于管道天然氣加熱系統，并采用全預混燃燒方式來實現超低氮氧化物排放，以達到北京市對氮氧化物的排放要求。

3 全預混浸沒燃燒加熱裝置原理

全預混浸沒燃燒加熱裝置的工作原理見圖1。燃氣與空氣混合后在燃燒室中燃燒，高溫煙氣通過煙管上的鼓泡孔進入水浴箱體，與水進行熱交換，換熱后的低溫煙氣通過煙囪排出。被加熱天然氣通過水浴中的天然氣換熱器吸收水的熱量被加熱。

在煙氣與水換熱過程中，因煙氣與水接觸產生大量氣泡，氣泡鼓出的過程增強了上方水體的擾動，進而加強了氣液間對流換熱的強度。

圖1 全預混浸沒燃燒加熱裝置的工作原理

4 全預混浸沒燃燒加熱裝置的應用

4.1 裝置介紹

基于全預混浸沒燃燒技術，筆者所在團隊成功研發出兩臺功率分別為200 kW和300 kW的全預混浸沒燃燒加熱裝置，裝置將燃燒室與天然氣換熱器置于同一水浴中，避免了分體式鍋爐水浴加熱占地面積大的問題，結構緊湊，單臺裝置整體橇裝。全預混浸沒燃燒加熱裝置見圖2，該裝置由燃燒系統、換熱系統、控制系統等幾部分組成。

圖2 全預混浸沒燃燒加熱裝置

① 燃燒系統

燃燒系統的主要功能是通過燃燒產生高溫煙氣，使高溫煙氣與水進行熱質交換，為水加熱天然氣提供熱源，支持換熱系統功能的實現。

采用低壓天然氣作為燃燒系統氣源，基于全預混和金屬纖維表面燃燒(金屬纖維表面燃燒器見圖3)兩項技術進行設計，以降低氮氧化物的排放。采用風機前預混及零壓混氣[6]的方式，以保證空燃比不受背壓和負荷調節的影響。

圖3 金屬纖維表面燃燒器

② 換熱系統

換熱系統包括天然氣換熱器與煙氣-水換熱兩部分。煙氣-水換熱減少了鍋爐房作為熱源時熱水輸送的管路熱損失。因煙氣-水換熱過程中煙氣對水的擾動影響，增強了天然氣換熱器的傳熱效率。整個換熱系統的熱效率可達90%以上。

為減小換熱器尺寸，舍棄了傳統的單管換熱模式，采用盤管式換熱，在保證其滿足受力強度、設計熱負荷的條件下，最大化增加匯管的數量，以此增大換熱的表面積，增強換熱。盤管式換熱器結構見圖4。

圖4 盤管式換熱器結構

③ 控制系統

為實現裝置的運行安全，控制系統設置了天然氣換熱器的工況監控、水浴液位監控、水浴溫度監控、水浴pH值監控、環境甲烷濃度監控等功能。為了精準加熱、節約能耗，燃燒加熱采用基于天然氣水合物生成臨界溫度的自動調控模式。

燃燒加熱自動調控模式，是根據管道天然氣氣質和壓力監測數據，計算出天然氣水合物生成的臨界溫度曲線，如陜京氣(甲烷體積分數92.83%、乙烷體積分數4.69%、丙烷體積分數0.49%、水蒸氣體積分數0.59%、二氧化碳體積分數0.92%、其余體積分數0.48%)天然氣水合物生成的臨界溫度曲線見圖5。若氣質比較穩定，可將計算的天然氣水合物生成臨界溫度曲線植入控制系統，進行判斷控制；也可直接植入天然氣水合物生成臨界溫度的關聯式進行判斷控制。判斷控制的依據為：當管道天然氣溫度低于水合物生成的臨界溫度時，啟動加熱；當管道天然氣溫度高于水合物生成的臨界溫度5 ℃時，停止加熱。

圖5 天然氣水合物生成的臨界溫度曲線

控制系統主體置于一防爆箱體內，可在箱體面板上實現裝置狀態查詢、開關控制等。外部設多個感知探頭，對整機多項狀態數據實時采集和傳輸顯示，諸如：分項供電狀態、環境甲烷濃度、水浴pH值、水浴溫度、燃燒運行狀態、天然氣進出溫度及壓力、自用氣壓力及流量、故障信息等。

4.2 運行案例

作為北京市科技計劃課題“高中壓調壓站凍堵、凍脹對安全運行影響分析及應對措施研究”的示范內容，2017年底在北京某天然氣門站安裝了兩臺全預混浸沒燃燒加熱裝置，并在其后的供暖期投入了實際運行。管道天然氣調壓前壓力為3 200～3 400 kPa，調壓后壓力為750～770 kPa，調壓溫降為13～14 ℃。

兩臺加熱裝置并聯布置，設備基礎占地面積15 m2，設計加熱天然氣流量為10×104m3/h，溫升10 ℃。額定功率為300 kW的加熱器，設計加熱天然氣流量為6×104m3/h，溫升為11 ℃；額定功率為200 kW的加熱器，設計加熱天然氣流量為4×104m3/h，溫升為10.5 ℃。根據不同加熱需求選擇性調整裝置的啟停數量、運行功率，避免因單臺故障或維修停機造成加熱中斷。

4.3 實際運行效果

加熱裝置水浴溫度40～50 ℃，排煙溫度與水浴溫度基本相同。燃燒器功率可根據加熱負荷連續自動調節，調節范圍為燃燒器額定功率的40%～100%。裝置可遠程控制，從而適應無人值守的環境要求。圖6為兩臺加熱裝置的遠程控制面板。

圖6 加熱裝置遠程控制面板

① 熱工性能

熱工測試數據見圖7。該廠站的流量未達到裝置額定設計流量，以運行期間實測數據對裝置的熱工性能進行分析。對于額定功率為300 kW的加熱裝置，以某連續5 d運行數據平均值進行計算，廠站高壓管道天然氣的流量為1.235 6×104m3/h，穩定運行功率為120 kW，天然氣溫升為19.25 ℃。對于額定功率為200 kW的加熱裝置，以某連續4 d運行數據平均值進行計算，流量為1.267×104m3/h，穩定運行功率為90 kW，天然氣溫升為13.3 ℃。熱工性能均可達到要求。兩臺裝置的加熱效率通過第三方檢測均在90%以上。

② 安全可靠性

a.壓力容器超壓保護可靠性：通過儀表設置模擬了天然氣換熱器超壓(超過4 MPa)情景，可以實現聲光報警及信號遠傳，同時切斷燃燒器運行。

b.天然氣泄漏保護可靠性：模擬了天然氣泄漏情景，可以實現聲光報警及信號遠傳，同時切斷燃燒器運行。

圖7 裝置某階段連續運行數據

c.水浴溫度保護可靠性：運行中手動控制使水浴溫度升高超過保護溫度(70 ℃)時，可以實現聲光報警及信號遠傳，同時切斷燃燒器運行；運行中手動控制使水浴溫度低于保護溫度(5 ℃)時，停止燃燒器運行，可以實現聲光報警及信號遠傳，同時電加熱裝置啟動進入升溫模式。

③ 排放性能

本加熱裝置采用全預混燃燒，空燃比可達1.8，可實現超低氮氧化物排放。第三方檢測的煙氣中氮氧化物質量濃度低于10 mg/m3，達到了北京市關于鍋爐排放氮氧化物低于30 mg/m3的要求。