國內首套燃氣輪機摻燒合成氣的混氣站設計

劉艷艷，王 璽，盧 康

(杭州汽輪機股份有限公司,杭州 310000)

工程建設浙江石化二期3×SGT5-2000E燃氣 - 蒸汽聯合發電機組及相應的公用設施，用于二期煉化項目的電量和蒸汽調節，要求機組具備較強的調節靈活性和動態穩定性[1]?，F場提供的主燃料為天然氣，在滿足蒸汽供熱能力，保證安全、穩定、長周期運行的前提下摻燒部分煉油化工合成氣。因此，需要在調壓站之后配一個混氣站，能將來自上游長輸供氣管道的天然氣和合成氣根據比例要求混合，使清潔的混合氣在所要求的壓力和流量下連續穩定地輸入至下游燃氣輪機前置模塊中，滿足燃氣輪機啟動及運行要求。

1 混氣站的系統配置

本期工程全廠安裝一套混氣站，供三臺SGT5-2000E級燃氣輪機使用。

混氣站的設計應充分考慮燃氣輪機對于熱值波動、壓力變動等對燃氣輪機穩定運行的影響，充分考慮必要措施，保護其下游配氣管道及燃氣輪機調節系統設備和燃燒器，并考慮必要的旁路、檢修置換與放散等，即使在混氣站裝置發生故障的情況下，也不會使燃料氣危害到混氣站下游的設備和管道[2]。

混氣站按工藝過程包括天然氣/合成氣的緊急關斷、過濾系統、計量系統、色譜分析、天然氣加熱器(含啟動電加熱器)、混合器、熱值儀、調節閥、氮氣吹掃、排空、安全放散、排污及配套儀控等系統[3]，應滿足DL/T 5204—2016《發電廠油氣管道設計規程》、DL/T 5174—2003《燃氣-蒸汽聯合循環電廠設計規定》、GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》、GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》等相關要求。

2 混氣站的設計要求

工程機組的燃料來自建新奧LNG站的天然氣與煉化的合成氣，其中天然氣為主燃料，合成氣為摻混燃料。依據提供的天然氣和合成氣的成份，本工程建設要求混氣站系統允許最大50% 體積比例摻混(即合成氣與天然氣的最大摻混比例≤1∶1)。燃氣輪機啟動和關閉期間，需用100%天然氣，在60%～90%負荷范圍內，實現天然氣與混合氣的切換。

由于標準狀況下合成氣中含41%的H2和53%的CO，如表1所示，需要充分考慮氣體的特殊性質，例如氫脆，CO的有毒特性等。所謂氫脆，是指高強度鋼在富氫環境中進行處理時，氫原子會向鋼基體中滲透，使高強度鋼出現塑性和韌性降低，而導致的開裂或延遲性的脆性破壞現象。因此，必須要求混氣站內所有管件材質選用不銹鋼或選擇能耐氫脆試驗的碳鋼。同時，為了防止有毒氣體泄漏，混氣站內所有法蘭連接件按照DIN 2695標準采用焊接密封件。

表1 合成氣的氣體成分

燃氣輪機對燃料氣的特性有一定的要求，例如，溫度、壓力、熱值等，直接影響著燃氣輪機的壽命和發電的可靠性[4]。針對本項目混氣站后(即前置模塊前)混合氣燃料入口條件參數：溫度范圍15～50 ℃；溫度變化率 dT/dt≤ 1 ℃/s ；標準狀況下燃料低位熱值VLH范圍31.6～49.0 MJ/m3；低位熱值變化率 ≤0.1%/s(超過該波動范圍，將會引起燃機跳機)；表壓范圍2.988～3.15 MPa;壓力變化率dP/dt≤0.02 MPa/s；標準狀況下混氣站最大設計流量61 t/h/臺(77 450 m3/h)。

3 混氣站設計的技術說明

氣體混氣站允許根據天然氣與合成氣的供應量和燃氣輪機的氣體消耗要求混合天然氣和合成氣?；诘脑O計條件是，最大摻混比例為合成氣與天然氣的體積比= 1∶1 (標準狀況下)，實際將在調試期間根據天然氣、合成氣組分等條件現場微調。

混氣站設備應采用橇裝式，應按功能分成若干單元，包括計量過濾單元、加熱單元、計量調流單元(圖1)、混合單元(圖2)、穩壓單元(圖3)等。天然氣氣源及合成氣氣源母管按照3臺燃氣輪機需求分成3條天然氣管路和合成氣管路，各支路在混氣罐中進行充分混合后，向下游燃氣輪機供氣。

具體實現過程介紹如下：

(1) 在天然氣供應管線和合成氣供應管線的入口母管上分別設置一臺緊急關斷閥。在發生火警或其他緊急狀況時可就地或遠程控制切斷閥門，閥門關閉時間≤3 s。然后分別設置過濾單元，包括兩臺并聯運行的過濾分離器，分離燃料氣體中的液體和固體雜質。

(2) 在天然氣供應管線和合成氣供應管線的入口母管上分別配置一臺氣相色譜儀，用于在線檢測天然氣、合成氣的成份。同時，天然氣的供應母管上還需要配置一套露點加熱系統，包括2臺熱水換熱器(一用一備)和1臺啟動電加熱器，保證天然氣出口溫度為30 ℃，以滿足燃氣輪機前置模塊入口對燃料溫度的要求。

(3) 混氣站需要設置計量單元，如圖1計量調流單元所示，采用1×100%運行配置，使用孔板流量計并配置流量計算機、差壓變送器、整流器、前后直管段及輔助儀表等，用以測量每臺燃氣輪機運行期間實時消耗的天然氣和合成氣量。計量單元前后配置進出口隔斷球閥，并設有旁路。管路上配置充氮和放散接口，采用雙球閥隔斷并引致撬邊，然后將放散氣接至火炬系統統一安全處理?？装辶髁坑嬌显O置的差壓變送器除現場顯示外，還需遠傳信號至DCS系統。

圖1 計量調流單元

(4) 在合成氣支路每套孔板流量計下游設置一套合成氣控制閥，該控制閥可以根據混合模塊下游的熱值儀信號或上游的流量信號來控制合成氣的摻混比例。每臺合成氣控制閥控制對應的燃氣輪機所需混合氣的摻混比例，用于控制混合氣中合成氣體積占比不超過50%，同時也可用于該路氣路的切斷，其泄露等級為CLASS Ⅳ級。同時在天然氣支路上的每套孔板流量計下游設置一套天然氣控制閥，實現雙向流量控制。

(5) 混合單元是混氣站的關鍵設備之一，如圖2混合單元所示。在合成氣每個控制閥及天然氣每個控制閥的下游分別設置一個氣體靜態混合器，用于接收天然氣和合成氣并進行混合后輸送至下游。當合成氣流量大于天然氣流量時，天然氣調節閥自動調節，保證天然氣流量始終不小于合成氣流量。保證在任何工況下，合成氣與天然氣的摻混體積比小于1∶1。在每套混合器下游同時設置一臺熱值儀，每臺熱值儀實時檢測對應燃氣輪機混合氣的熱值，并將該熱值信號傳送至對應燃氣輪機的合成氣控制閥進行聯鎖，實現天然氣和合成氣的摻混比例的實時控制，熱值分析時間應<10 s。

圖2 混合單元

(6) 燃氣輪機對燃料壓力有很高的要求，過高或過低的壓力都會影響燃氣輪機的正常運行，甚至對熱部件造成損壞，所以需要在混氣站的末端配置燃料穩壓單元，如圖3所示。在熱值儀后面設置調壓裝置，每條調壓支路串聯配置安全切斷閥、監控調壓器和工作調壓器[5]。正常情況下，工作調壓器用于調節調壓站出口天然氣的壓力。當工作調壓器故障時，監控調壓器自動投入運行，保證進入燃氣輪機前置模塊的混合氣壓力穩定，滿足對燃料壓力變化率的設計要求。

圖3 穩壓單元

4 特殊設計要求及結論

(1) 混氣站應配備完善的氮氣置換、吹掃系統。每條調壓支管路、每條母管線等均應設置足夠的氮氣吹掃接口和取樣接口。每個接口的接管上均應設置雙閥隔斷加止回閥的配置。同時，混氣站應設置足夠的放散管道，使所有的放散氣體都能集中安全放散。放散系統應能保證全流量20%放散。

(2) 所有設備包括在線色譜儀、孔板流量計、換熱器、閥門等都應適用于天然氣、合成氣介質。

(3) 考慮CO對人身傷害的影響，為了防止有毒氣體泄露，合成氣及混合氣的管路墊片應滿足DIN 2695標準 。

(4) 要求混氣站內所有管件材質不低于20 G，同時能避免氫脆(H2的影響)。

(5) 混氣站的噪聲水平應符合《工業企業噪聲衛生標準》和本項目廠界噪聲Ⅲ類驗收標準的規定和要求，即距離設備外殼1 m處測得的噪聲(聲壓級)不應超過85 dB。

綜上所述，混氣站按照工藝過程，必須包括天然氣與合成氣的緊急關斷、過濾、計量、色譜及熱值分析、天然氣加熱器(含啟動電加熱器)、混合器、調節閥、調壓裝置、氮氣吹掃、排空、安全放散、排污、控制等系統，才能根據天然氣的供應量和燃氣輪機的氣體消耗要求，實時控制天然氣與合成氣的混合比例，才能保證國內首套燃氣輪機摻燒合成氣的安全運行。