陳文科 沈榮華 張偉 程曉明 羅圣潔 甘勇 田勇 陳廷庫

（西南油氣田分公司天然氣凈化總廠）

氣體介質(zhì)余壓發(fā)電是利用氣體在降壓降溫過程中的余壓能量及熱能驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)做功，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換[1-3]。目前，國內(nèi)高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置已在鋼鐵企業(yè)普遍應(yīng)用，工藝技術(shù)成熟、設(shè)備可靠，節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益明顯[4-6]。而天然氣在生產(chǎn)、輸配過程中的余壓資源十分豐富。2016年，全國天然氣年消費(fèi)量達(dá)到2 058×108m3，為同時(shí)滿足管輸及用戶需要，天然氣生產(chǎn)及輸配過程需要調(diào)壓，目前的降壓調(diào)節(jié)大多采用閥門節(jié)流。天然氣在節(jié)流調(diào)壓過程中，其動(dòng)能、勢能等未得到合理利用。由于天然氣節(jié)流調(diào)壓點(diǎn)多、面廣，生產(chǎn)及輸配過程中的余壓資源回收利用的空間非常大[7-11]。對天然氣輸配管網(wǎng)中天然氣壓力能進(jìn)行回收利用，其經(jīng)濟(jì)和節(jié)能價(jià)值非常巨大。

1 概述

1.1 引進(jìn)分廠余壓發(fā)電裝置

引進(jìn)分廠天然氣凈化裝置主要脫除原料天然氣中的硫化氫和水份，生產(chǎn)合格的商品天然氣，其產(chǎn)品天然氣壓力與下游管網(wǎng)存在1 MPa左右差壓。天然氣余壓發(fā)電裝置利用產(chǎn)品天然氣壓力和下游管網(wǎng)之間的壓差進(jìn)行發(fā)電，使用的工藝為向心透平膨脹機(jī)發(fā)電工藝。即天然氣在透平膨脹機(jī)中進(jìn)行等熵焓降，所產(chǎn)生的壓力能帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，通過連軸器帶動(dòng)齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪箱變速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，所發(fā)電用于引進(jìn)分廠生產(chǎn)用電。該裝置主要由透平膨脹發(fā)電機(jī)、潤滑油系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)、配電房等組成，設(shè)計(jì)用于發(fā)電的天然氣處理量230×104m3/d，透平膨脹發(fā)電機(jī)額定功率為710 kW。

1.2 引進(jìn)分廠余壓發(fā)電裝置工藝流程

正常生產(chǎn)時(shí)，從引進(jìn)分廠400 萬裝置或200 萬裝置脫水單元來的產(chǎn)品天然氣，通過并聯(lián)管路進(jìn)入余壓發(fā)電裝置。在余壓發(fā)電裝置中高壓的天然氣通過膨脹機(jī)降壓膨脹，輸出的機(jī)械能通過同軸變速箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)電功率通過噴嘴調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。降壓膨脹后的天然氣進(jìn)入400萬裝置的下游外輸管網(wǎng)。

余壓發(fā)電裝置設(shè)計(jì)用于發(fā)電的天然氣處理量為230×104m3/d， 若脫水裝置來氣量多于230×104m3/d，則超過膨脹機(jī)處理能力的那部分天然氣經(jīng)產(chǎn)品氣調(diào)節(jié)閥或者支路調(diào)節(jié)閥調(diào)壓后與膨脹后天然氣匯合進(jìn)入外輸管道，引進(jìn)分廠余壓發(fā)電裝置流程見圖1。

圖1 引進(jìn)分廠余壓發(fā)電裝置流程

余壓發(fā)電裝置還設(shè)置有潤滑油系統(tǒng)和干氣密封系統(tǒng)。干氣密封系統(tǒng)采用兩級密封氣系統(tǒng)對膨脹發(fā)電機(jī)組進(jìn)行密封，一級密封采用產(chǎn)品氣作為密封氣，二級密封采用氮?dú)庾鳛槊芊鈿狻?/p>

此外，當(dāng)緊急聯(lián)鎖停車觸發(fā)后，緊急關(guān)閉入口聯(lián)鎖閥，同時(shí)快速打開旁路聯(lián)鎖閥，使天然氣從旁路通過。旁路調(diào)節(jié)閥根據(jù)膨脹機(jī)處理的天然氣流量、上下游差壓等參數(shù)始終保持一定開度，以確保機(jī)組緊急停車對脫硫脫水系統(tǒng)的流量和壓力不會(huì)造成波動(dòng)。

2 系統(tǒng)啟動(dòng)和升速

余壓發(fā)電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)生故障的概率比較小。而在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，由于受噴嘴的開度及上下游壓差的影響，波動(dòng)較大，進(jìn)氣流量變化也較大，導(dǎo)致透平的轉(zhuǎn)速控制困難。由于瞬間的大流量沖擊，很容易導(dǎo)致透平轉(zhuǎn)子超速和振動(dòng)超高，引起緊急停車。因此，余壓發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)和升速過程必須關(guān)注。

余壓發(fā)電啟動(dòng)需滿足各方面條件，要求比較嚴(yán)格：密封氣壓力與齒輪箱潤滑油壓力均需大于0.2 MPa。

余壓發(fā)電機(jī)組在啟運(yùn)時(shí)應(yīng)首先打開旁路調(diào)節(jié)閥和旁路聯(lián)鎖閥，目的是降低在啟運(yùn)過程中遇緊急停車后對生產(chǎn)裝置的影響。緩慢開大膨脹機(jī)入口噴嘴，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后，迅速將入口噴嘴開度關(guān)至10%左右，防止裝置因轉(zhuǎn)速超高聯(lián)鎖停車。根據(jù)膨脹機(jī)進(jìn)出口壓差的不同，這個(gè)轉(zhuǎn)速是變化的，本裝置在經(jīng)過多次試驗(yàn)后得出：在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后，噴嘴的開度應(yīng)將轉(zhuǎn)速控制12 000 r/min 左右。當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，檢查各項(xiàng)子系統(tǒng)，確保正常后，緩慢開大噴嘴繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速。本裝置在多次試車中發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)速在13 500—15 000 r/min時(shí)會(huì)引發(fā)裝置的共振，導(dǎo)致裝置振動(dòng)超高聯(lián)鎖停車。因此，為了避開共振區(qū)間，需一次性開大入口噴嘴，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在16 000 r/min 左右。檢查各子系統(tǒng)穩(wěn)定后，再將轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速18 000 r/min左右。

3 自動(dòng)控制的關(guān)鍵對象

3.1 透平機(jī)噴嘴

噴嘴是透平機(jī)的關(guān)鍵部件，透平機(jī)的升速控制，機(jī)組的升功率控制，進(jìn)氣量控制，都是通過透平噴嘴的開度控制來實(shí)現(xiàn)的，噴嘴的開度決定了流入透平機(jī)的產(chǎn)品氣流量的大小，因此噴嘴也是整個(gè)發(fā)電機(jī)機(jī)組的關(guān)鍵部件。噴嘴本身為比例閥控制的氣動(dòng)作部件，其開度要求精度較高。

3.2 旁路閥組的控制

旁路閥組是工藝控制關(guān)鍵設(shè)備之一。主要包括調(diào)節(jié)閥、聯(lián)鎖閥和電磁閥。通過對電磁閥的控制可實(shí)現(xiàn)閥門的的快速開關(guān)。系統(tǒng)停車時(shí)，為了工藝控制平穩(wěn)過渡，旁路快開閥的控制尤為重要。旁路調(diào)節(jié)閥通常被賦予一定開度，在停機(jī)時(shí)，伴隨著聯(lián)鎖閥的快速動(dòng)作，截?cái)嗪蟮漠a(chǎn)品氣則通過旁路快速流至下游以降低對生產(chǎn)裝置的影響。如果此時(shí)開度設(shè)定不合適，流過的產(chǎn)品氣流量就會(huì)過大或過小，造成生產(chǎn)裝置波動(dòng)范圍超過工藝要求，影響裝置的正常生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致脫硫塔沖塔的危險(xiǎn)。理論上，可以通過旁通閥開度與產(chǎn)品氣流量的特性曲線，得出旁通閥的開度的設(shè)定值，然而在實(shí)際生產(chǎn)中，受測量介質(zhì)和上下游壓差的影響，旁路流量的測量存在著較大偏差，因此，實(shí)際上這樣的特性曲線并不能有效指導(dǎo)生產(chǎn)。通過摸索，我們采用生產(chǎn)裝置PID加旁路閥來控制停車瞬間的產(chǎn)品氣流量。停機(jī)時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)裝置的設(shè)定值和旁通閥組，先保證產(chǎn)品氣能正常外輸，不致生產(chǎn)系統(tǒng)斷流。

3.3 發(fā)電功率的控制

當(dāng)發(fā)電機(jī)升至額定轉(zhuǎn)速和額定電壓后，在滿足頻率相同、電壓相等、相序一致、相位相同時(shí)，操作同期點(diǎn)斷路器合閘，使發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電[12]。此時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速被鎖死保持恒定，發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率由進(jìn)氣量的大小來決定，發(fā)電機(jī)功率控制邏輯見圖2。

圖2 發(fā)電機(jī)功率控制邏輯

4 發(fā)電效益

4.1 理論發(fā)電效益

1）單位質(zhì)量天然氣絕熱焓降的計(jì)算：

式中：ΔHi為天然氣高壓端與低壓端的絕熱焓降，kJ/kg；Cp為天然氣質(zhì)量等壓比熱，kJ/(kg·K)；T1為天然氣入口溫度，K；P1為天然氣入口壓力，MPa；P2為天然氣出口壓力，MPa；K為天然氣絕熱指數(shù)。

2）透平膨脹發(fā)電計(jì)算：內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為電能的計(jì)算工過程如下：

式中：W為每小時(shí)透平發(fā)電機(jī)發(fā)電量，kWh；G為天然氣質(zhì)量流量，kg/s；ΔHi為單位體積天然氣絕熱焓降，kJ/m3；ηt為透平機(jī)效率；ηg為發(fā)電機(jī)效率。

膨脹透平發(fā)電機(jī)參數(shù)見表1。將上述參數(shù)帶入式（1）、式（2），其中膨脹透平機(jī)效率取0.6，發(fā)電動(dòng)機(jī)效率取0.94，取天然氣質(zhì)量等壓比熱Cp為2.2 kJ/(kg·K)，天然氣絕熱指數(shù)K為1.3，可算出設(shè)計(jì)理論發(fā)電量。

表1 膨脹透平發(fā)電機(jī)參數(shù)

根據(jù)（1）式得：

根據(jù)（2）式得：

即每小時(shí)可以發(fā)電523kWh，每年約418×104kWh，按每度電0.6元計(jì)算，每年可節(jié)約資金251萬元。

4.2 實(shí)際發(fā)電效益

余壓發(fā)電裝置建成后，于2020 年10 月22—26日進(jìn)行了試運(yùn)，期間共運(yùn)行82 h，共發(fā)電12 340 kWh，平均每小時(shí)發(fā)電量150 kWh。余壓發(fā)電裝置經(jīng)過停車檢修、調(diào)試后，于2021年9月9日再次啟運(yùn)，截止2021 年10 月7 日，共運(yùn)行684 h，共發(fā)電220 170 kWh，平均每小時(shí)發(fā)電量322 kWh。從數(shù)據(jù)來看，余壓發(fā)電裝置實(shí)際運(yùn)行發(fā)電量低于設(shè)計(jì)值，其主要有以下兩點(diǎn)原因：一是為配合上游氣礦發(fā)揮氣田產(chǎn)量，引進(jìn)分廠天然氣凈化裝置于2020年開始實(shí)施降壓操作，發(fā)電裝置進(jìn)口壓力低于設(shè)計(jì)值4.61 MPa；二是由于該裝置處于調(diào)試期間，未達(dá)到滿負(fù)荷狀態(tài)。

按照調(diào)試期間平均每小時(shí)發(fā)電量322 kWh 計(jì)算，預(yù)計(jì)每年可發(fā)電約258×104kWh，按每度電0.6元計(jì)算，每年可節(jié)約資金155萬元。

5 結(jié)語

1）引進(jìn)分廠余壓發(fā)電裝置是利用產(chǎn)品天然氣壓力和下游管網(wǎng)之間的壓差進(jìn)行發(fā)電，使用的工藝為向心透平膨脹機(jī)發(fā)電工藝。

2）因?yàn)榕浜仙嫌螝獾V發(fā)揮氣田產(chǎn)量且裝置處于調(diào)試期間，余壓發(fā)電裝置實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)電量暫時(shí)低于設(shè)計(jì)值。

3）引進(jìn)分廠余壓發(fā)電裝置將天然氣中的壓力能轉(zhuǎn)化為電能，所發(fā)電供內(nèi)部工廠使用，達(dá)到了良好節(jié)能減排目的，實(shí)現(xiàn)了天然氣能源的綜合利用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。