天然氣壓氣站燃機余熱發電項目設計難點及其解決方案

胡信韜，陳雨歡，王 操，彭義林

(湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 430000)

在天然氣壓氣站燃機余熱利用發電項目[1-5]中，由于業主方并不是中石油，項目屬于在中石油西氣東輸場站內外的改造，因此中石油方面對余熱利用電廠的設計尤為關注。其核心訴求是燃機余熱利用電廠，不能夠給天然氣壓氣站的運行帶來負面影響。

1 項目概況

某壓氣站原有三臺羅爾斯-羅伊斯RB211-G62 PhII燃氣輪機，用于驅動三臺天然氣壓縮機。燃機頂部排氣通過三根排氣管穿出壓縮機房頂部，直排大氣，燃機兩運一備。該燃機余熱發電工程，將燃氣輪機排氣通過三根f×5 mm的煙道支管，匯集至一根f4 420×5 mm的煙道母管，每根煙道支管上設有一臺三通擋板閥，發電廠區域出現故障時通過三通擋板閥將煙氣排入大氣。煙道母管進入電廠區域的一臺余熱鍋爐，余熱鍋爐產生的中溫中壓蒸汽進入一臺13 MW級別的汽輪發電機組進行發電。余熱鍋爐位于電廠區域圍墻邊，把原有中石油壓氣站內的單循環燃氣輪機改為聯合循環。煙道平面布置圖見圖1。余熱鍋爐后設置有引風機、煙囪，其中引風機用于克服燃機出口至煙囪段所有阻力。

2 設計難點及其解決辦法

2.1 余熱鍋爐后設置引風機

常規燃氣-蒸汽聯合循環電廠中，燃機排氣擴散段對接余熱鍋爐入口，在余熱鍋爐出口設有煙囪。由于中石油與項目業主并非同一單位，若余熱鍋爐后不設置引風機，將會顯著增加燃機排氣背壓，燃機效率將下降，消耗的燃氣量會上升。為了新建電廠完全不影響燃機本體效率，在新建電廠余熱鍋爐出口增設引風機，用于克服燃機排氣口至煙囪段阻力。

根據布置情況，核算引風機出力，結果如表1所示。

當余熱發電系統運行時，在設計工況下，某余熱發電系統在余熱鍋爐與余熱鍋爐煙囪之間增設一臺全壓3 830 Pa的引風機用于克服煙道阻力。根據表1的計算結果，當余熱發電系統滿負荷運行時，煙道總阻力為3 288 Pa，小于引風機全壓。所以此工況下余熱發電系統對燃機性能沒有影響。在極端工況下，煙道系統的總阻力為3 806 Pa，小于引風機全壓。綜上所述，在所有工況下，煙道系統不會給燃機造成背壓。

引風機未出現故障時，在任何工況下，均不應停運引風機。

當出現引風機故障時，可快速啟動兩臺燃機的三通擋板閥和余熱鍋爐旁路煙道擋板門，保證兩臺燃機的煙氣快速排出，不對壓氣站造成任何影響。

2.2 煙道支架的設計

由于中石油方面提出煙道不能有任何荷載作用于現有燃機房頂部，施工期間不得破壞燃機房頂的要求。這使得煙道支架的設計難度顯著提高。

在設計煙道支架前，工程組參觀某余熱電站。該余熱電站采用了三排柱，橫跨壓縮機房的雙層簡支桁架，桁架跨度大，鋼柱及基礎多，煙道布置于桁架中間，其布置圖如圖2所示。

圖2 煙道支架設計

鋼煙道支架跨度大，雙層桁架高度較高，設計鋼柱及基礎較多，雖然結構扎實，但不經濟，根據洛寧余熱電站提供的結構圖紙及工程量資料，其用鋼量為307 t(不含平臺和支座)，基礎砼量為132 m3。

針對工藝煙道需求，土建組經過討論，本項目考慮采用單側懸挑桁架的方案，煙道布置于桁架頂部，如圖3所示。

此方案減少一排鋼柱、鋼梁，且懸挑跨度為洛寧簡支跨度的一半不到，初步判定必然節省大量鋼材。根據鍋爐專業提資，結構專業經過三輪優化和局部構件布置調整，最終算的采用雙側懸挑桁架用鋼量為128 t(不含頂層平臺和支座)，基礎砼量76 m3。相比余熱電站煙道節省鋼材約179 t，基礎砼量56 m3，直接費用節省175萬元。同樣達到了無任何荷載落在已有燃機廠房頂部的效果。

對于余熱鍋爐后設置引風機及煙道支架的設計，由于計算書翔實可靠，采用兩種結構建模軟件對大跨度懸挑結構進行核算，出具計算書，方案順利通過了中石油上海管理處的審查。

圖3 某壓氣站煙道支架設計

2.3 火炬的放空管線及電纜遷改

根據現場實際，本工程廠區內現狀放散管包括四條管線和兩根電纜：f219自動放空管、f406手動放空管、f34氣撬放空管、f34傳火管，統稱為“放散管”，火炬控制電纜兩根：81#FK-1WP(ZR-YJV22-0.6/1 kV 3×4 mm2)、82#FK-1WC(ZR-KYJV22-0.5 kV 12×1.5 mm2)。放散管目前均從廠區現狀圍墻西北角穿入廠區，后從廠區東側現狀圍墻北部區域穿出廠區，向東與壓氣站放散塔連接。

現擬拆除本工程廠區影響范圍內的放散管及電纜，并在廠區北側及東側還建。還建后的放散管與廠區實際建成后的圍墻應保持11.5 m凈距。還建后的放散管與現狀放散管、壓氣站圍墻的接口位置，由還建實施方根據現場實際情況確定。

此外，還有另一根現狀電纜與現狀放散管路徑相同，穿過廠區與壓氣站放散塔連接。此次擬與放散管一并拆除還建，還建路徑與還建后的放散管相同。管線還建路徑規劃詳見圖4。

圖4 火炬的放空管線及電纜遷改

通過動火改建部分天然氣放散管道，改建火炬控制電纜。放散管道所在隔離管段需要放空，進行氮氣置換合格后實施動火作業，且空間、環境允許動火作業。根據《中國石油西氣東輸管道公司動火作業指導書》規定，此次動火為二級動火。

根據中石油武漢管理處會議紀要，遷改原有放空管線及電纜的改遷設計需由有GA長輸管道設計資質的單位承擔。改線涉及的管材型號、承壓級別、防腐形式應與站場原有管線設計規格相符。方案中涉及的管道打壓試驗要求、電纜鋪設標準、驗收標準等要按照國家和石油行業標準執行。

該項工作以EPC形式分包給了中石油系統內某具有壓力管道GA資質單位執行，通過了中石油武漢管理處設計評審，并在工程完成時進行了火炬點火試驗及工程驗收。

3 結 論

本文詳細分析了天然氣壓氣站燃機余熱發電項目的三個設計難點及其解決辦法。對于新建工程不增加燃機背壓的要求，解決方案是增設引風機，核算極端工況下燃機出口至煙囪出口所有阻力，作為引風機的TB點壓頭；對于煙道荷載不能落在燃機廠房頂部的要求，解決方案是采取單側懸挑桁架方案，將煙道布置于桁架頂端，大大節約了用鋼量和混凝土用量；對于穿過新建廠區的火炬的放空管線及電纜遷改要求，由于設計工作需要壓力管道GA資質和滿足中石油系統內部諸多要求，解決方案是將該工作以EPC形式分包給中石油系統內部某具有壓力管道GA資質的單位實施、火炬點火試驗及通過中石油武漢管理處驗收。