燃氣電廠天然氣調壓器超壓失效實例分析

任 巖

(河北華電石家莊熱電有限公司,河北 石家莊 050041)

河北華電石家莊熱電有限公司建設2×453 MW級天然氣熱電聯(lián)產工程,配套天然氣調壓站按工藝流程包括入口單元、過濾/分離單元、加熱單元、調壓單元、壓縮單元等。調壓單元共配置3×50%總流量的調壓管線,其中2條調壓管線為工作路,分別供給下游的2臺燃機使用,第3條為共用備用路。每條調壓管線設計流量為總流量的50%,串連配置1臺超壓安全切斷閥(HSV086)、1臺監(jiān)控調壓器(R100S-M)及1臺工作調壓器(R100S-SO),同時配置進出口隔斷球閥、止回閥、放散閥以及必要的壓力儀表等,保證天然氣調壓、穩(wěn)壓、連續(xù)輸出。

1 調壓工作原理

1.1 調壓單元工作原理

調壓單元共配置“兩運一備”3條調壓管線。當一條工作路失效關閉時,備用路將自動進行調壓工作,以滿足燃機使用要求。

調壓單元工作原理如下:正常運行時,天然氣調壓由調壓器來完成,通過調節(jié)調壓器指揮器調節(jié)螺釘,可以實現(xiàn)調壓器出口壓力維持某一定值。如果由于某種原因造成調壓器出口壓力超高,且高于安全切斷閥的設定切斷值時,安全切斷閥將在3 s內緊急切斷,并發(fā)出報警信號。此時該調壓管線停止工作,而備用調壓管線開始工作(這是通過工作路與備用路的調壓器設定值不同來實現(xiàn)的)。同時設置安全放散閥,一旦超壓,安全放散閥動作,保證設備不受傷害[1]。調壓單元整定壓力見表1。

表1 調壓單元整定壓力 MPa

1.2 調壓器工作原理

調壓器原理見圖1[2]。當調壓器出口壓力和天然氣流量基本不變時,主膜片上面受到的壓力和下面受到的出口壓力加上彈簧的彈力保持平衡。若調壓器出口天然氣流量變小,比如機組甩負荷時,出口壓力升高,調壓器直接調節(jié)(主閥):調壓器閥芯受力向上移動,流通面積減小,膜片向上移動,控制腔體積減小,彈簧伸展;調壓器間接調節(jié)(指揮器P095):出口壓力升高,使膜片向上移動,供氣閥減少天然氣經由限流器進入控制腔,使得控制腔壓力降低,直至出口壓力與指揮器設定值相等。若調壓器出口天然氣流量變大,比如機組升負荷時,系統(tǒng)響應過程相反。

圖1 R100S+P095調壓器原理

2 故障概況

2.1 故障描述

因調壓站室外來氣電動總閥電動執(zhí)行機構故障,運行人員只能手動開啟或關閉該閥門。夏季燃機每日均啟動調峰,為縮短啟動時間,運行人員未關閉該來氣電動總閥,停機狀態(tài)下多次發(fā)生因調壓線出口壓力超壓、安全切斷閥動作的現(xiàn)象。檢查現(xiàn)場設備未發(fā)現(xiàn)異常,安全切斷閥復位后,調壓單元工作正常。

2.2 故障排查

2.2.1 上游天然氣來氣壓力周期性波動

截取2019年1月1日至2019年7月25日上游來氣壓力數(shù)據(jù):1月31日,通球及吹掃管道,壓力降至0.29 MPa;2月11日,壓力為1.58 MPa;近三月大部分時間壓力為2.5～3.6 MPa。

2.2.2 實時數(shù)據(jù)曲線分析

實時數(shù)據(jù)曲線見圖2。

圖2 實時數(shù)據(jù)曲線

時段1:時段1前,上游來氣壓力迅速降低至2.96 MPa,調壓線出口壓力跟隨上游來氣迅速降低,時段1開始,上游來氣壓力迅速升高后逐漸降低,調壓線出口壓力跟隨。時段1后,燃機啟動,調壓器開始正常工作。

時段2:燃機停機后,上游來氣壓力不穩(wěn),迅速上升,此時調壓器未關閉,調壓線出口壓力跟隨上游來氣壓力上升,因燃機停機管道無流量,調壓器無法有效調壓,調壓線出口壓力跟隨上游來氣波動。時段2期間,7:30-7:44,調壓線出口壓力最高達3.56 MPa,安全切斷閥自動關閉(整定值3.50 MPa)。

時段2后,12:30-12:44,因燃機啟動,調壓線出口壓力迅速下降,但此時安全切斷閥已自關(2號調壓管線和備用均關閉),造成燃機點火后,天然氣壓力低跳機。復位備用安全切斷閥后,燃機啟動,調壓器工作正常。

時段3:時段3前,上游來氣壓力迅速降低至3.23 MPa,調壓線出口壓力開始跟隨上游來氣迅速降低。時段3期間,調壓線出口壓力跟隨上游來氣壓力降低至3.15 MPa,后又開始猛漲至3.50 MPa,安全切斷閥未動作(7月23日,安全切斷閥已整定至略高于3.50 MPa)。隨著上游壓力逐漸回落,調壓線出口壓力也逐漸降低。時段3末,燃機啟動,調壓器開始正常工作。

3 原因分析

根據(jù)R100S-(M)氣體調壓系統(tǒng)操作維護手冊,在正常條件下且沒有氣體輸出時,監(jiān)控器的指揮器總是排出微量的氣體直到監(jiān)控器完全關閉。

3.1 曲線分析

根據(jù)曲線分析,燃機啟動狀態(tài)下,調壓器工作正常;燃機停機狀態(tài)下,調壓線出口壓力有時跟隨上游波動,有時不跟隨上游波動,說明停機狀態(tài)下,調壓器有時不能有效關閉,有時能有效關閉。而不能有效關閉的情況均存在上游來氣壓力迅速降低然后升高的現(xiàn)象,故可以推斷該現(xiàn)象主要是因為上游壓力迅速降低后,調壓器指揮器的進口調節(jié)閥芯(穩(wěn)壓器)進氣壓力過低,無法正常工作,控制腔內的氣體無法通過指揮器上的限流器流向下游,控制腔的壓力大于出口壓力,閥芯在彈簧的作用下不嚴密的關閉。此時,調壓線出口壓力與上游來氣壓力保持一致,逐漸降低;當上游來氣壓力逐漸升高時,調壓線出口壓力又逐漸升高。當升高至指揮器穩(wěn)壓器工作壓力時,因為此時調壓器閥芯微微開啟,且下游無用氣流量,作用在主膜片上的力是緩慢的動態(tài)平衡狀態(tài),調壓器閥芯不動,仍保持微微開啟狀態(tài),調壓線出口壓力隨著上游來氣壓力逐漸升高。如果此時調壓線出口壓力升高至安全切斷閥壓力整定值,則安全切斷閥自動關閉;如果調壓線出口壓力始終沒有達到安全切斷閥壓力整定值,待到燃機啟動,下游有流量時,調壓器開始正常工作。

3.2 原因總結

無論啟機或停機狀態(tài),調壓器正常工作必須保證上游來氣壓力在一定范圍內波動,上游來氣壓力的波動對調壓管線是否正常工作有重要影響。

當上游來氣壓力大于3.2 MPa或略低于3.2 MPa時,如果下游燃機啟動,調壓線有流量,則調壓器能正常工作,調壓線出口壓力不超壓,安全切斷閥在開位,調壓線工作正常。當下游燃機停機,調壓線無流量,監(jiān)控調壓器和工作調壓器自動關閉,且上游來氣壓力遠低于3.2 MPa時,監(jiān)控調壓器和工作調壓器的指揮器無法正常工作,導致監(jiān)控調壓器和工作調壓器不嚴密的關閉,使得調壓線出口壓力跟隨上游壓力波動。待上游來氣壓力逐漸上漲,因無流量監(jiān)控調壓器和工作調壓器始終無法調壓,導致調壓線出口壓力跟隨上游來氣壓力逐漸上漲,漲到3.50 MPa超壓時,安全切斷閥自動關閉。

4 防范措施及實施效果

綜上,由于霍尼韋爾R100S系列調壓器為自力式調壓器,當調壓器無流量且上游來氣壓力不穩(wěn)時,調壓線的安全切斷閥存在自關風險。為避免此風險,在停機狀態(tài)下,可將調壓站室外來氣電動總門關閉,防止上游來氣壓力波動造成安全切斷閥關閉。

通過采取措施,2019-2020年供暖期,調壓器工作正常,未發(fā)生超壓失效現(xiàn)象。2020年夏季燃機調峰期間,上游天然氣來氣壓力也發(fā)生過壓力波動現(xiàn)象,因主動采取措施,停機后將調壓站室外來氣電動總門關閉,未再次發(fā)生超壓失效現(xiàn)象,確保了機組穩(wěn)定與安全。