浅谈天然气缓冲系统的设计和选型

浅谈天然气缓冲系统的设计和选型

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（山东电力建设第三工程有限公司山东青岛266100）

摘要：通过两个项目实例，介绍了天然气缓冲系统在燃气电厂中的设计应用，总结了天然气缓冲系统的设计选型原则，为今后类似项目的执行提供参考依据。

关键词：燃气电厂，天然气供应系统，天然气缓冲系统，天然气缓冲罐，天然气增压机

天然气缓冲系统是天然气供应系统的一个组成部分，通常布置在天然气供应系统的最下游。天然气缓冲系统一般包括缓冲系统增压机、天然气缓冲罐、减压单元和加热单元四个部分。

天然气缓冲罐的结构形式。由于燃气发电站天然气缓冲罐体积较大，考虑到设备制造和运输的便利性和可操作性，通常都是采用工厂预制和现场组装的方法，将若干组小体积的缓冲罐串联使用。

天然气缓冲罐的布置形式。天然气缓冲罐的布置形式有立式和卧式两种，布置形式的选择主要取决于场地的大小。通常情况优先采用卧式布置，因为卧式布置稳定性好，便于操作维修，但是卧式布置占地较大。在场地受局限的情况下可以考虑立式布置。

下面结合我公司执行的两个国外燃气电厂项目对天然气缓冲罐的设计和应用进行简单的阐述探讨。

1沙特某燃机电站项目

1.1项目概况

本项目为西门子SGT6-5000F燃气联合循环机组，主燃料为天然气，备用燃料为燃油。厂区边界处天然气供应点天然气压力为19bar(a)~49bar(a)，燃机边界入口处所需压力为33.8bar(a)~37.4bar(a)。

1.2天然气供应系统的总体要求

根据业主要求每台燃机需要配备单独的天然气供应系统，包括：入口紧急关断阀单元、过滤分离单元、测量单元、加热单元、减压单元、增压单元、缓冲单元。

天然气供应系统应该能够满足燃机启动、发电、停机。并能够自动或者手动的从天然气模式切换到柴油模式或者从柴油模式切换到天然气模式。并确保在整个燃料切换过程中保持机组负荷稳定。

1.3天然气缓冲系统的设计原则

根据业主要求每台燃机配置一套天然气供应系统，每套天然气供应系统设置一套天然气缓冲系统。天然气缓冲系统的设计基于以下原则：

天然气缓冲系统需包括天然气缓冲罐、天然气缓冲系统增压机、天然气缓冲系统减压装置、天然气缓冲系统水浴加热器。

天然气缓冲系统的设计能力必须满足在机组不降负荷的情况下从运行的增压机切换到备用增压机。一个增压机跳机接着备用增压机启动必须不能造成天然气系统压力的波动，以避免影响燃机的平稳运行和造成燃料切换操作（从天然气到燃油）。

在备用压缩机没有启动或者启动过程中失败的情况下，还有足够的存储能力确保机组在不降负荷的情况下安全平稳切换到燃油模式。

1.4天然气缓冲罐容量设计

天然气缓冲罐设计能力应该按照下面最差的工况考虑：

a.燃机用增压机运行在天燃气模式。

b.增压机跳机，备用增压机准备启动。在这个阶段缓冲罐里面的天然气需要被用到（2分钟，100%负荷）。

c.备用压缩机没有启动成功，从而决定燃机从天然气模式切换到燃油模式。

d.根据燃机燃料切换的要求，燃机从100%负荷降到80%负荷（1.6分钟）。西门子SGT6-5000F燃机燃料切换过程所允许的最大负荷为80%。

e.燃料切换过程（10分钟）

要求的天然气缓冲罐的容量为：8361Nm3。

1.5缓冲罐类型的选取：

天然气缓冲系统出口压力要求为37bar(g)~41bar(g)，占地面积50mx100m。考虑采用高压天然气缓冲罐，压力范围为90bar(g)~37.2bar(g)，所需天然气储罐的体积为196m3。天然气缓冲罐的体积为199m3，符合要求的8361Nm3天然气储量。缓冲罐的建造基于6根长度为52米直径为36英寸的碳钢管道。天然气缓冲罐采用卧式布置。

2阿曼某天然气燃机电站项目

2.1项目概况

本项目为安萨尔多GT26燃气联合循环机组，主燃料为天然气，备用燃料为燃油。厂区边界处天然气供应点天然气压力为24bar(g)~28bar(g)，燃机边界入口处所需压力为43bar(g)~45.5bar(g)。

2.2天然气供应系统的总体要求

根据业主要求全场四台燃机配备一套天然气供应系统，包括：入口紧急关断阀单元、过滤分离单元、测量单元、加热单元、增压单元、缓冲单元。

天然气供应系统应该能够满足燃机安全平稳运行。天然气供应系统应该提供足够的天然气缓冲能力,能够确保燃机在突发事件发生的时候自动立即从燃气模式平稳切换到燃油模式。这个突发事件是指以下情况：天然气操作失败、天然气连接设施跳机、厂区天然气边界点天然气压力低于设计值。并确保在整个燃料切换过程中保持机组安全稳定。

2.3天然气缓冲系统的设计原则

根据业主要求全场四台燃机配置一套天然气供应系统，天然气供应系统设置配套天然气缓冲系统。天然气缓冲系统的设计基于以下原则：

在不可预见的情况发生时，天然气缓冲系统存储的天然气需要能够满足四台燃机从燃气工况安全平稳切换到燃油工况。

天然气缓冲系统设置在天然气增压机的下游，包括以下设备：

•缓冲系统增压机，使得缓冲系统增压机出口天然气压力达到存储压力。

•天然气缓冲罐，存储足够的天然气确保燃机从天然气模式安全平稳切换到燃油模式。

•天然气减压模块，设置在天然气缓冲系统的出口，确保降压后的天然气压力满足燃机侧的要求。

•天然气加热模块，确保天然气缓冲系统出口天然气的温度满足燃机侧的要求。

2.4天然气缓冲罐容量设计

天然气缓冲罐设计能力按照下面的工况考虑：

a.厂区边界天然气压力降低至设计压力范围之下或者天然气供应系统其他设备故障发生时，需要燃机从天然气模式向燃油模式切换。

b.燃料切换全过程（8分钟，如下图所示）。安萨尔多GT26燃机要求的燃料切换最大负荷为95%，为了尽可能的减少整个切换过程中天然气的消耗量从而降低天然气缓冲系统的燃料储量，最终将燃料切换过程中燃机负荷控制在70%。

整个燃料切换过程中四台燃机所消耗的天然气量为18400kg。

2.5缓冲罐类型的选取：

天然气缓冲系统出口压力要求为40bar(g)~46bar(g)，占地面积70mx15m。考虑采用高压天然气缓冲罐，压力范围为78bar(g)~48bar(g)。天然气缓冲罐的体积为1020m3，能够满足要求的18400kg的天然气储量。缓冲罐采用102个小储气罐组合而成，每个小储气罐高度约为11.5米，直径约为1.2米。因空间限制，经过反复验证后决定天然气缓冲罐采用立式布置。

结论：

通过对这两个燃机电站项目中天然气缓冲系统的设计和选型的研究探讨，主要有以下结论与建议：

1)天然气缓冲系统的设置目的是保证燃机电站安全稳定性。电站安全稳定性要求越高，天然气缓冲系统的容量就会越大，相应的投资费用也就越大。不过，较高的安全稳定性使得机组运行事故大大降低，在一定程度上节省了检修维护费用。

2)运行理念的规划设计是决定天然气缓冲系统容量的主要因素。沙特项目要求考虑天然气增压机故障和燃料切换，并要求在这个过程中要保证燃机负荷不能降低；阿曼项目则只要求考虑燃料切换，没有保证机组不降负荷的要求。

3)不同品牌的燃机在燃料切换过程中对燃机运行的最大负荷有不同的要求，对降负荷速率也有不同要求，在很大程度上影响天然气的消耗量，进而影响天然气缓冲系统的容量。

4)天然气缓冲罐的布置形式主要取决于场地的大小。场地宽敞时宜采用卧式布置，场地受限制时宜采用立式布置。卧式布置和立式布置相比，安装容易，检修维护方便。

5)天然气缓冲罐的大小取决于天然气缓冲罐中存储天然气的压力，在一定范围内存储天然气压力越大需要的缓冲罐的总体积越小，造价越低。但是缓冲系统压缩机和减压站的造价将随着天然气存储压力的增加而增加。

参考文献

［1］熊少军,赵训豪，王建.带增压和缓冲功能的燃气调压站[J]发电技术，2015（06）.

［2］徐明.燃机联合循环电厂天然气增压站的组成与功能分析[J].华电技术,2009(08).

【作者简介】姓名：安荣朝工作单位：山东电力建设第三工程有限公司职务：技术专工。

姓名：王国栋工作单位：山东电力建设第三工程有限公司职务：技术专工。