天然氣增壓系統在工業用戶的應用
1 概述
隨著天然氣在工業上應用逐漸普及，越來越多的工業用戶開始改用天然氣作燃料。管網的壓力往往一定，但工業用戶的用氣壓力卻各不相同。個別工業用戶需要的用氣壓力可能會超過管網的供應壓力，這就需要進行天然氣增壓。
天然氣增壓系統主要在氣田、大型氣站和電力行業忙運用較多，但在工業用戶的小用氣量增壓上目前應用較少。因此一些用戶在有管道氣供應的情況下不得不采用液化石油氣瓶組舊0或者液化天然氣瓶組M 0供氣來保證特殊生產要求，增加了運行成本和安全成本。針對這類用氣情況，需要一種合適的增壓系統來滿足用戶需求，同時該系統應具有資金投入少、運行經濟、使用方便安全、維護簡單等特點。
2 工程實例概況
北方地區一家工業用戶，生產工藝過程有一道工序需要燃氣壓力為0.10～0.12 MPa，用氣量為30 m3／h，但是管網供應壓力范圍為0.08～0.12 MPa，大部分時間穩定在O.10 MPa，一旦供氣壓力低于0.10 MPa，生產就面臨停產。用戶經過討論后對增壓系統提出以下要求：當管網供應的天然氣壓力在0.10 MPa以上時直接使用管網供氣，增壓系統不工作；當管網供應的天然氣壓力在0.10 MPa以下時靠增壓系統供氣，當一臺壓縮機長時間工作后，出口溫度高于70℃時自動切換到另外一臺壓縮機工作。
3 工程分析
用戶提出的要求，在實際中雖然能夠實現，但是實施起來會面臨兩個問題：
①用戶要求的系統是兩臺設備交替使用，沒有備用設備，如果一臺設備出現故障，不能實現連續的生產供應。
②系統的布置和控制要求比較繁瑣復雜，在使用的考慮上傾向于自動，增加了不可靠度。
出于投資和運行經濟、使用方便安全、維護簡單的考慮，我們對用戶的要求進行了修正并且對用戶顧慮的問題進行了考慮。壓縮機長時間運轉必然導致運行部件的溫度升高，效率降低，因此需要間歇停機以保證壓縮機有冷卻時間。因此，可以考慮使用儲氣罐進行氣體儲存，能夠保證臨時供氣，使壓縮機具有足夠的冷卻時間。
另外，人口氣體溫度和壓縮比的增加也會使出口氣體溫度增加，同時使設備工作部件溫度升高，因此，壓縮機的壓縮比不能過高，當環境氣溫過高時可考慮采用水冷系統進行冷卻。這樣就解決了單機運行溫度過高的問題，從而可以采用一開一備的運行模式，即使單臺壓縮機出現問題，備用壓縮機可以很快地投入工作，不至于對生產造成影響。同時系統的復雜性和組成部件數量都大大降低。
4 設計總體思路
按照GB 50028--2006《城鎮燃氣設計規范》要求，增壓裝置前需有緩沖裝置。壓縮機的排氣量不能超過管網供氣量，實際現場有一段長度約100 m的DN 200 mm的管道專用于該道工序，管道的額定供氣量在200 m3／h以上，遠超過實際用氣量，因此該管道可視為緩沖裝置。壓縮機設備嚴禁水、塵進入，增壓前要具有氣液分離、氣體過濾等程序，最后氣體升壓后要進入儲氣罐緩沖儲存，由于壓縮機停機后儲氣罐上游壓力將低于儲氣罐，因此進人儲氣罐前應設置止回閥。儲氣罐的高壓氣體不能直接應用于工序，需要經過調壓裝置調壓后方能使用。由于旁通路連接上游，必然導致儲氣罐調壓后壓力高于旁通路的上游壓力，因此旁通路也要設置止回閥。
5 方案設計
5．1 壓縮機出口溫度的計算
壓縮機出口溫度是整個方案設計考慮的核心因素，因此首先要計算在不同壓縮比下的壓縮機出口溫度，以選擇合適的壓縮比。壓縮機出口溫度的近似計算公式為：
式中T2——壓縮機出口溫度，K
T1——壓縮機入口溫度，K
P2——壓縮機出口壓力，MPa
P1——壓縮機入口壓力，MPa
K——等熵指數，天然氣等熵指數取1.27
管網出現最不利壓力為0.08 MPa，夏天天然氣人口溫度為303 K，冬天天然氣人口溫度為273 K，計算結果見表1、2。
表1夏天壓縮機出口溫度
|
入口絕對壓力/MPa |
出口絕對壓力/MPa |
壓縮比 |
出口溫度/℃ |
|
0.18 |
0.20 |
1.11 |
36.86 |
|
0.18 |
0.30 |
1.67 |
64.76 |
|
0.18 |
0.40 |
2.22 |
86.06 |
|
0.18 |
0.50 |
2.78 |
103.51 |
|
0.18 |
0.60 |
3.33 |
118.39 |
表2冬天壓縮機出口溫度
|
入口絕對壓力/MPa |
出口絕對壓力/MPa |
壓縮比 |
出口溫度/℃ |
|
0.18 |
0.20 |
1.11 |
6.18 |
|
0.18 |
0.30 |
1.67 |
31.32 |
|
0.18 |
0.40 |
2.22 |
50.51 |
|
0.18 |
0.50 |
2.78 |
66.23 |
|
0.18 |
0.60 |
3.33 |
79.64 |
根據以上計算結果，夏季壓縮機壓縮比達到2.22時，壓縮機出口絕對壓力為0.4 MPa，此時溫度達到了86.06℃，已經超過了用戶所要求的70℃，因此需要采取水冷降溫。另外，隨著溫度的升高，氣體體積膨脹，可壓縮性降低，壓縮機的工作效率也會降低。冬季出于設備安全考慮，停用水冷系統，則壓縮比為2.78比較合適，此時的出口絕對壓力為0.5 MPa，出口溫度為66.23℃，滿足用戶的要求。因此確定設計壓縮比為2.78，春季和秋季在該壓縮比下根據平均進氣溫度計算也需采用水冷系統降溫。按照確定的壓縮比，出口絕對壓力為O.5 MPa，儲罐增壓到該壓力時，壓縮機就停機冷卻。這樣，在冬季僅靠風冷就能滿足使用要求，春夏秋季都需要開啟水冷系統降溫。
5．2儲氣罐的選擇
由于儲氣罐后有調壓設備，因此儲氣罐內要保證0.2 MPa以上的壓力，后續的調壓設備才有足夠的人口壓力進行調壓。而壓縮機冷卻時間以10 min左右為合適，因此儲氣罐的儲存量要保證10 min用氣量。按照30 m3／h的用氣量，10 min用氣量約5 m3。儲氣罐從O.4 MPa降壓到0.2 MPa要保證氣量為5 m3，換算成工況體積為2.5 m3，考慮安全余量，按計算結果的1.2倍選擇標準規格儲罐為3 m3。
5．3壓縮機的選擇
壓縮機工作時間為每1 h工作50 min，要同時供應生產用氣和儲罐儲存用氣，合計為35 m。。這里采用保守計算，近似地按照標準狀態的氣量來確定活塞的排氣量，計算出壓縮機排氣量需滿足42
m3／h。
由于用氣量小，可以選擇小型活塞式壓縮機。壓縮的介質為可燃氣體，對密封要求較高，可采用雙密封無油潤滑結構來保證密封效果。要保證壓縮機在夏天出口溫度不要過高，壓縮機上還需帶有水循環系統，保證壓縮機正常使用和效率。電機及其他檢測設備均要采用隔爆產品，適用于現場環境。
5．4調壓設備的選擇
調壓設備也采取一開一備形式，壓力從0.2～0.4 MPa調到O.12 MPa后供生產使用。調壓設備流量要滿足最小壓差下30 m3／h即可。
6方案確定
6．1 方案簡介
采用活塞式壓縮機，當儲氣罐內壓力下降到O.2作壓力，因此設置調壓器出口壓力為0．12 MPa，比管網的壓力要高，故旁通路生產工藝要設置止回閥。
6．3控制系統
增壓系統的控制系統見圖3。
由于兩臺壓縮機為一開一備，控制操作相同，為方便圖示，圖3中以單臺壓縮機的控制為例。該套系統需設置弱電K1控制箱和強電K2控制箱，K1控制箱用于接收檢測儀器的信號來控制電磁閥的關開，同時發信號給K2控制箱以啟動和關閉電機。
該套控制系統分為供氣選擇控制、儲氣罐增壓控制和保護控制3部分。
供氣選擇控制：入口P—l號壓力變送器檢測到管網壓力高于0．11 MPa時，調壓設備出口的s一3號電磁閥關閉，此時旁通路s一2號電磁閥打開，由管網直接供氣。當人口檢測出來的壓力低于0.105 MPa時，旁通路s一2號電磁閥關閉，s一3號電磁閥打開，開始使用儲氣罐中的氣體。
儲氣罐增壓控制：在使用儲氣罐內氣體時，當儲氣罐的出口P一2號壓力變送器檢測的壓力低To.2 MPa時，壓縮機啟動；當儲氣罐中的壓力增到0.4 MPa時，壓縮機停機。
保護控制：當壓縮機出口溫度變送器檢測到溫度超過70℃時，壓縮機停機，并進行報警，此時壓縮機不能再次啟動，待排除故障后才能再次啟動。
當泄漏報警探頭檢測到現場出現泄漏，人口處 s一1號電磁閥關閉，壓縮機停機，并進行報警，此時壓縮機不能再次啟動，待排除故障后才能再次啟動。7項目建設及運行情況
該套系統于2011年8月上旬開始壓縮機系統
整體成橇和控制系統制作，8月下旬橇體運到現場后進行管道連接、棚架安裝、電氣安裝，9月初運行調試。經過一段時間的使用，工作情況保持穩定。增壓系統現場見圖4。
該增壓系統試運行時噪聲較大，主要出現在儲氣罐處。由于現場壓縮機進出口都采用軟管連接，并且噪聲是在增壓的高壓階段出現，因此不是振動引起。我們對此進行了分析，噪聲可能是由以下原因造成：進入儲氣罐的氣流速度過快，產生了噪聲(聽起來類似口哨聲)，同時儲氣罐的體積較大且罐壁薄，對噪聲進行了放大d如果能夠分散進入儲氣罐的氣流，噪聲可能會相應降低。于是制作了網狀結構的擋板(見圖5)裝于儲氣罐內部進氣口處。安裝完成后，經過實際使用驗證，整體噪聲大大降低。
MPa時候，壓縮機工作，將壓力提升到0.4 MPa。由于場地大小限制，整體進行橇裝，以節省現場空間，與人口緩沖管道及儲氣罐的連接到現場后再進行�？刂葡到y及其附件也集成到橇體。當采取壓縮機路供氣的時候，旁通路處于自動關閉狀態。由于管道和閥門管路存在壓力損失，因此實際設置管網壓力要高于0.11 MPa時才使用旁通路，以保證進人生產環節的壓力能達到最低要求(0.1 MPa)。
6．2工藝流程
增壓系統工藝流程見圖2。
增壓前天然氣經過緩沖管道，這樣能夠讓氣體有一定的緩沖，避免壓縮機啟動時上游管道壓力下降；人口處設置有P一1號壓力變送器，用于檢測管網壓力是否滿足使用要求，以便決定是采用增壓系統供氣還是采用管網供氣；入口處的s—l號電磁閥主要是用于出現緊急情況時切斷。
壓縮機采用一開一備形式，工作壓縮機出現故障停機報警后，值班人員可關閉故障壓縮機進出閥門，等待維修，同時打開備用壓縮機進出口閥門進行控制操作后接替運行，以滿足連續生產的需要。壓縮機進出口都采用金屬軟管連接，防止機械振動順管道傳遞；壓縮機入口設置有帶過濾的氣液分離器，防止管壁內銹蝕物和水分進入壓縮機；壓縮機出口設置有溫度變送器，用于檢測壓縮機出口的排氣溫度，進行連鎖保護。
進入儲氣罐前設置止回閥，防止壓縮機停機后儲罐內氣體倒流。儲氣罐能夠儲存一定量的氣體供生產工序使用，從而保證壓縮機有間歇的冷卻時間。儲氣罐出口設置有P一2號壓力變送器，用于檢測儲氣罐的壓力，對壓縮機進行連鎖控制，以保證儲氣罐壓力保持在設定范圍內。
由于儲氣罐內的壓力高于生產工序需要的壓力，因此需要對儲氣罐內氣體經過調壓后再進行使用。調壓后設置有s一3號電磁閥，當使用增壓系統時s一3號電磁閥打開，s一2號電磁閥關閉；當使用旁通路時，s一2號電磁閥打開，s一3號電磁閥關閉。由于采用增壓路時一般要取生產工藝要求的最優工作壓力，因此設置調壓器出口壓力為O．12 MPa，比管網的壓力要高，故旁通路生產工藝要設置止回閥。
6．3控制系統
增壓系統的控制系統見圖3。
由于兩臺壓縮機為一開一備，控制操作相同，為方便圖示，圖3中以單臺壓縮機的控制為例。該套系統需設置弱電Kl控制箱和強電l(2控制箱，K1控制箱用于接收檢測儀器的信號來控制電磁閥的關開，同時發信號給K2控制箱以啟動和關閉電機。
該套控制系統分為供氣選擇控制、儲氣罐增壓控制和保護控制3部分。
供氣選擇控制：入口P一1號壓力變送器檢測到管網壓力高于0.11 MPa時，調壓設備出口的s一3號電磁閥關閉，此時旁通路s一2號電磁閥打開，由管網直接供氣。當入口檢測出來的壓力低于O.105
MPa時，旁通路s一2號電磁閥關閉，s一3號電磁閥打開，開始使用儲氣罐中的氣體。
儲氣罐增壓控制：在使用儲氣罐內氣體時，當儲氣罐的出口P一2號壓力變送器檢測的壓力低于O.2 MPa時，壓縮機啟動；當儲氣罐中的壓力增到O.4 MPa時，壓縮機停機。
保護控制：當壓縮機出口溫度變送器檢測到溫度超過70℃時，壓縮機停機，并進行報警，此時壓縮機不能再次啟動，待排除故障后才能再次啟動。
當泄漏報警探頭檢測到現場出現泄漏，人口處 s一1號電磁閥關閉，壓縮機停機，并進行報警，此時壓縮機不能再次啟動，待排除故障后才能再次啟動。7項目建設及運行情況
該套系統于2011年8月上旬開始壓縮機系統整體成橇和控制系統制作，8月下旬橇體運到現場后進行管道連接、棚架安裝、電氣安裝，9月初運行調試。經過一段時間的使用，工作情況保持穩定。增壓系統現場見圖4。
該增壓系統試運行時噪聲較大，主要出現在儲氣罐處。由于現場壓縮機進出口都采用軟管連接，并且噪聲是在增壓的高壓階段出現，因此不是振動引起。我們對此進行了分析，噪聲可能是由以下原因造成：進入儲氣罐的氣流速度過快，產生了噪聲(聽起來類似口哨聲)，同時儲氣罐的體積較大且罐壁薄，對噪聲進行了放大。如果能夠分散進入儲氣罐的氣流，噪聲可能會相應降低。于是制作了網狀結構的擋板(見圖5)裝于儲氣罐內部進氣口處。安裝完成后，經過實際使用驗證，整體噪聲大大降低。
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