1999年東海天然氣開始供應(yīng)上海城市燃氣,供氣能力期未將達到120萬米3/日,預(yù)計到2001年約有30萬米3/日天然氣需要平衡利用。與此同時,上海對能耗高、污染重的城市煤氣制氣廠提出了潔凈生產(chǎn)的新要求。2000年3月,上海市《關(guān)于加強本市環(huán)境保護和建設(shè)的實施意見》中,吳淞工業(yè)區(qū)環(huán)境綜合整治要求吳淞煤氣制氣有限公司在2002年完成結(jié)構(gòu)調(diào)整。另外,根據(jù)2000年冬季高峰期的需求預(yù)測,也要求調(diào)峰能力相應(yīng)提高,為此吳煤公司被批準實施天然氣改制和摻混改造工程。
天然氣改制和摻混工藝需要引入城市天然氣管網(wǎng)0.8~1.6MPa的天然氣,通過調(diào)壓站降壓,用于天然氣改制爐和摻混生產(chǎn)。二臺天然氣改制爐每天利用30萬米3天然氣,生產(chǎn)出66萬米3市用煤氣。改造后,吳煤公司日生產(chǎn)能力將從原來的180萬米3/日提高到220萬米3/日,全年可以削減廢水污染物76.0%,削減廢氣污染物74%以上,對吳淞工業(yè)區(qū)的削減污染效果有明顯提高。
二、調(diào)壓站設(shè)計參數(shù)的選定
1、調(diào)壓站進出口壓力的確定
天然氣改制爐主要生產(chǎn)工藝操作指標要求,加熱天然氣壓力為0.15 MPa,制氣天然氣壓力同樣為0.15MPa,改質(zhì)氣增熱(摻混)用的天然氣壓力僅為0.01 MPa,而城市天然氣中壓管網(wǎng)壓力設(shè)計壓力為0.8~1.6MPa,因此,需要通過天然氣調(diào)壓站,將0.8~1.6MPa 天然氣降壓,才能滿足生產(chǎn)工藝要求。由于天然氣改制和摻混工藝對天然氣壓力要求不同,故對調(diào)壓站要求有二路不同的出口壓力。
2、調(diào)壓站供氣規(guī)模的確定
本次改造工程為兩臺天然氣改制爐,改制和摻混天然氣總量為30萬m3/d,考慮到吳煤公司今后將繼續(xù)進行相關(guān)改造,因此將天然氣調(diào)壓站額定流量確定為六臺天然氣改制爐改制和摻混的總量,即90萬m3/d(其中改制天然氣量為60萬m3/d,摻混天然氣量為30萬m3/d)。由于天然氣改制爐生產(chǎn)是間歇式的,即加熱和制氣循環(huán)交替進行,改制天然氣又分為加熱天然氣和制氣天然氣,其瞬時流量;
加熱天然氣:3048Nm3/h,
制氣天然氣:8332Nm3/h。
由于兩臺制氣爐設(shè)計為聯(lián)鎖運行,即一臺爐處于制氣階段時,另一臺爐正處于加熱階段。因此二臺改制爐生產(chǎn)時,
天然氣管道瞬時流量應(yīng)為3048+8332=11370Nm3/h,
考慮到改制爐單爐生產(chǎn)能力的提高,故將最大瞬時流量確定為12000Nm3/h。所以按六臺改制爐同時生產(chǎn)計算:
改制用天然氣最大瞬時流量為12000m3/h×3=36000Nm3/h。
由于一臺改制爐所產(chǎn)改質(zhì)氣為28萬Nm3/日(2800kcal/m3),再用5萬Nm3/d(9600kcal/m3)進行增熱至33萬m3/d(3800kcal/m3),當六臺改制爐同時生產(chǎn)時,所需摻混天然氣量:
摻混用天然氣最大瞬時流量為(50000÷24)×6=12500Nm3/h。
因此,天然氣調(diào)壓站的供氣規(guī)模設(shè)計應(yīng)滿足天然氣改制與摻混改制所需最大流量要求,即改制用天然氣最大瞬時流量+摻混用天然氣最大瞬時流量=36000+12500=48500Nm3/h。
3、天然氣調(diào)壓站站址布置
吳煤公司天然氣改制和摻混工程改造屬老廠改造,必須因地制宜。由于城市天然氣管網(wǎng)運行壓力為0.8~1.6MPa,從安全角度考慮,調(diào)壓站到城市天然氣管網(wǎng)之間的距離越短越好。從現(xiàn)場情況來看,天然氣調(diào)壓站布置在公司東大門西北側(cè),與2萬m3氣柜、往復(fù)式壓送機房,機爐主廠房相鄰的原廢鋼倉庫位置較佳,符合建、構(gòu)筑物防火間距要求。天然氣調(diào)壓站與這些建、構(gòu)筑物防火間距如下:
相鄰建構(gòu)筑物名稱
現(xiàn)有間距(m)
規(guī)范要求間距(m)
往復(fù)壓送機
12.98
12.0
2萬米3氣柜
21.4
20.0
機爐主廠房
13.0
12.0
沉淀池
10.0
10.0
廠東大道
10.0
10.0
7.5萬米3氣柜
>25
25.0
三、調(diào)壓站的工藝方案的選定
為滿足天然氣改制與摻混工藝的需要,吳煤公司天然氣調(diào)壓站整個調(diào)壓系統(tǒng)需由以下部分組成:進口計量路、一級調(diào)壓路、二級調(diào)壓路、出口計量路。
1、進口計量路的設(shè)計方案
由于天然氣供應(yīng)方在我公司調(diào)壓站前的城市天然氣管網(wǎng)上未設(shè)計量設(shè)施,因此,該調(diào)壓站必須設(shè)有用于貿(mào)易結(jié)算的計量裝置,并且按規(guī)定必須具備在線標定功能。這一段管路從與上游管路相連的進口管路到一級調(diào)壓路前的截斷閥(不包括截斷閥)為止。
設(shè)計流量:50000 Nm3/h,(按六臺改制爐改制與摻混生產(chǎn)要求)
天然氣輸送能力50000 Nm3/h,天然氣計量能力:最小45500 Nm3/h (0.6MPa考慮管網(wǎng)用氣高峰時),最大110500 Nm3/h (預(yù)計管網(wǎng)壓力將升級到1.6MPa),設(shè)計壓力2.0 MPa,設(shè)計溫度 -10℃~60℃,進口管徑選取DN300(在48500m3/h、進口壓力0.6MPa的情況下,管道中天然氣的流速為27.2m/s),進口管壓力等級為PN25。
根據(jù)系統(tǒng)流量和壓力,選擇符合貿(mào)易結(jié)算標準要求的德國ELSTER公司的G4000型渦輪流量計(帶EK-88流量結(jié)算儀),該流量計量程比為1300~6500m3/h。
為了防止天然氣管路中的雜質(zhì)損傷到調(diào)壓站進口計量路上的渦輪流量計設(shè)備,需在調(diào)壓站進口處設(shè)置過濾分離設(shè)備。本工藝設(shè)計用旋風(fēng)分離器和過濾器二級過濾分離設(shè)備,來濾除天然氣中夾帶的雜質(zhì),以確保渦輪流量計的正常使用。在旋風(fēng)分離器前和過濾器后設(shè)旁通管,以備過濾分離設(shè)備檢修時,仍可連續(xù)供氣。
2、一級調(diào)壓路的設(shè)計方案
天然氣經(jīng)過進口計量路后進入一級調(diào)壓路。天然氣的減壓過程為一級減壓方式。一級調(diào)壓路的作用是將進口壓力為0.6~1.6 MPa天然氣,通過調(diào)壓器減壓至0.15 MPa,以滿足改制爐生產(chǎn)用天然氣的工藝需求,同時為二級調(diào)壓路提供恒定、低壓的天然氣。一級調(diào)壓路由三條配置相同的調(diào)壓路構(gòu)成,每路的設(shè)計流量為 25000Nm3/h(按兩臺改制爐改制和摻混流量要求為12000+12500=24500 Nm3/h)。本次改造工程只安裝兩路,其工作方式為一開一備(熱備用模式)第三路的兩端分別安裝球閥與蝶閥,并用法蘭盲板封閉。當吳煤公司天然氣利用量增加到90萬m3/d時,只需卸下法蘭盲板,即可進行第三路調(diào)壓路的安裝。此時可通過安裝在管道中限流孔板的作用,以兩開一備的方式進行工作。一級調(diào)壓路天然氣輸送能力50000 Nm3/h,設(shè)計進口壓力最大19.2MPa,出口壓力0.15MPa,設(shè)計溫度-10℃~+60℃,一級調(diào)壓路出口管徑選擇DN400(在36000 Nm3/h 的流量以及0.15 MPa的出口壓力下,管道中天然氣流速為31.80m/s),壓力等級選為PN25。根據(jù)進出口壓力和流量要求,一級調(diào)壓路一般選擇導(dǎo)閥控制式調(diào)壓器(出口壓力的變化通過放大控制主閥動作)。為避免調(diào)壓器導(dǎo)閥堵塞,一般在調(diào)壓器前設(shè)過濾器。在調(diào)壓器后設(shè)置緊急切斷閥,以防止由于意外原因所導(dǎo)致的調(diào)壓器下游壓力的非正常升高。調(diào)壓器能夠在進口壓力和流量波動的情況下,出口壓力恒定在0.15 MPa,以符合天然氣改制爐的工藝要求。兩條調(diào)壓路的配置如下:手控球閥,濾芯式過濾器,導(dǎo)閥式調(diào)壓器附緊急切斷閥,直接作用式安全閥,手控蝶閥。
3、二級調(diào)壓路的設(shè)計方案
天然氣經(jīng)過一級調(diào)壓路減壓至0.15MPa,一路通往改制爐,另一路進入二級調(diào)壓路。二級調(diào)壓路的作用是將0.15MPa天然氣,通過調(diào)壓器減壓至0.01 MPa以滿足摻混天然氣進入摻混器壓力需要。二級調(diào)壓路由兩條配置相同的調(diào)壓路構(gòu)成,每路設(shè)計流量為12,500 Nm3/h,工作模式為一開一備。二級調(diào)壓路天然氣輸送能力12,500 Nm3/h,設(shè)計壓力1.6 MPa,設(shè)計溫度-10℃~+60℃,管路尺寸進、出口DN400,壓力等級PN16。根據(jù)二級調(diào)壓路的進出口壓力和流量要求,一般選擇直接作用式調(diào)壓器進行調(diào)壓。在調(diào)壓器后設(shè)置緊急切斷閥,以防止由于意外原因所導(dǎo)致的調(diào)壓器下游壓力的非正常升高。與一級調(diào)壓路系統(tǒng)要求相同,二級調(diào)壓路中的調(diào)壓器也能夠在進口壓力和流量波動的情況下保證出口壓力恒定在0.01 MPa。出口壓力同時受到安全閥的保護。兩條調(diào)壓路的配置如下:手控蝶閥,直接作用式調(diào)壓器附緊急切斷閥,直接作用式安全閥,手控蝶閥。
4、出口計量路的設(shè)計方案
由于天然氣改制爐已設(shè)計天然氣流量計量裝置,故一級調(diào)壓路出口不設(shè)計量裝置。天然氣改制和摻混生產(chǎn)工藝中,將改質(zhì)氣作為恒定低熱值氣源,操作工通過電動蝶閥遙控控制天然氣摻混量的大小,配置出滿足質(zhì)量要求的城市煤氣,故需在二級調(diào)壓路出口設(shè)置流量計,以滿足生產(chǎn)工藝操作控制的需求。根據(jù)二級調(diào)壓路流量、壓力等級,選擇量程比為2000~10000m3/h 的德國ELSTER公司Q6500蝸輪流量計用于天然氣摻混量計量??紤]到30萬米3/日天然氣全部用于摻混的特殊工藝條件,即12500Nm3/h的流量以及0.01MPa的出口壓力情況下,二級調(diào)壓路出口管徑選擇DN400。
由上述進口計量路、一級調(diào)壓路、二級調(diào)壓路、出口計量路構(gòu)成的吳煤公司天然氣調(diào)壓站工藝流程如附圖所示。
四、結(jié)論
由吳煤公司、中國市政工程華北設(shè)計研究院、上海飛奧燃氣設(shè)備有限公司共同參與工藝方案設(shè)計的天然氣調(diào)壓站,并由上海飛奧燃氣設(shè)備有限公司制造和完成現(xiàn)場施工,2000年12月19日投入運行。在天然氣改制爐生產(chǎn)和天然氣摻混生產(chǎn)中,調(diào)壓、供氣、安全保護等功能穩(wěn)定可靠,滿足了生產(chǎn)工藝需要。由于在該工藝設(shè)計中在一級調(diào)壓路上已預(yù)留了第三路調(diào)壓路,為今后改造創(chuàng)造了條件,避免了重復(fù)建設(shè),節(jié)省了建設(shè)資金。
采用二級調(diào)壓二級出口壓力工藝方案、供氣規(guī)模達48500Nm3/h的天然氣調(diào)壓站應(yīng)用于城市煤氣廠天然氣改制和摻混工藝中,在國內(nèi)也是第一次,不僅工藝可行,而且已得到吳煤公司成功實踐證明,值得同行在實施相關(guān)改造中借鑒。