天然氣用氣特點及配套工程設計研究

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摘要:大工業用戶多具有生產不可間斷、用氣壓力需求穩定、對天然氣熱值需求恒定等特點。針對以上特點，從合理配置氣源、科學選擇工藝流程及工藝設備，合理確定供氣壓力等，總結了燃氣配套工程設計的注意事項，以期降低投資成本，提升穩定供應能力。

關鍵詞:大工業用戶，燃氣配套工程，工業用氣

1概述

隨著國內天然氣基礎設施建設的不斷完善，配合國家能源戰略對天然氣資源的布局，除氣田自產氣外，新時期下我國天然氣資源將以進口中亞、南亞、俄羅斯管道氣和海運LNG為主，在“十四五”期間改變我國長期天然氣資源供需矛盾突出的情況。隨著上游氣源的落實，下游市場開拓會迎來新一輪增長期。天然氣作為燃料及生產原料主要用于鋼鐵、化工、有色金屬冶煉、陶瓷、食品加工、裝備制造等行業。以吉林省天然氣消費結構為例，2019年工業用氣占比37．2%，高于居民用氣的18%。在天然氣資源供給充分可靠的情況下，工業企業“氣代煤”“氣代油”工程會越來越多，下面將簡述大工業用戶的用氣特點和燃氣配套工程設計注意事項。

2大工業用戶的用氣特點

1)企業生產不可間斷或生產間歇時間短。除非發生不可抗力情況，大工業用戶生產需嚴格遵照生產計劃執行，用氣設備負荷大，起爐相對困難且不可中斷。這要求燃氣企業供氣同樣不可中斷，不能因燃氣供應不穩定影響用戶生產，對用戶造成經濟損失。2)大工業用戶生產用氣量較穩定。大工業用戶根據企業生產計劃，一般月不均勻性波動較小，日不均勻性基本不存在波動。企業生產班次采用一班制、二班制、三班制不同，小時不均勻性存在波動的特點。除非出現停產限產的情況外，大工業用戶其日用氣量和小時用氣量基本保持穩定。3)大工業用戶燃燒器要求供氣壓力穩定。大工業用戶用氣設備配套的燃燒器對天然氣壓力要求較敏感，一般會給定供氣壓力區間，例如30kPa～50kPa，用氣設備燃燒器前燃氣壓力不可高于壓力區間上限，也不應小于壓力區間下限。燃燒器生產廠家會根據工藝要求在燃燒器前設置天然氣穩壓或減壓裝置。4)根據生產工藝要求或對天然氣熱值有特殊要求。大工業用戶根據其生產工藝，有些用氣設備對天然氣熱值要求較嚴格。以某陶瓷廠為例，其用氣設備要求天然氣低熱值穩定在32MJ/Nm3，高于或低于這個值都會造成煅燒時間增加或減少，對產品的穩定出品有嚴重影響。5)燃氣公司與用氣企業天然氣貿易計量結算。以某鋁廠為例，其在每個用氣車間都設置燃氣計量表，作為考核每個車間單位產量成本的依據，出現結算時企業所有計量表計數之和與高中壓調壓計量撬中計量表計數有約0．75%的誤差，考慮到該企業約2000萬m3的年用氣量，用氣企業有可能對此誤差提出異議。6)廠區內、廠房內生產設備及附屬設施管道設置較復雜。大工業用戶多為“煤改氣”“油改氣”項目，廠區內、廠房內原有生產設備及附屬設施、管道設置復雜。有些企業完工較早，基礎資料提供不全，在進行設計、施工時只能根據現場情況進行布置。

3燃氣配套工程設計注意事項

3．1合理配置氣源、科學選擇工藝流程及工藝設備。在管道氣可到達的區域，應優先采用管輸氣資源，利用用氣企業附近已建天然氣管網。如企業供氣不可中斷，則應根據企業周邊LNG接收站或LNG液化工廠的位置，結合輸氣管道事故狀態下的中斷時間，建設LNG氣化站，為企業用氣提供雙重氣源保障。在管道氣無法到達的區域。根據GB/T51098—2015城市燃氣規劃規范相關條文要求，應建設儲存規模達企業日用氣量3d～10d的LNG氣化站作為企業主氣源，保證應急狀態下的天然氣供應安全。如企業周邊CNG資源供應充足且CNG減壓站可滿足企業用氣需要，可采用CNG作為企業主氣源，利用CNG較LNG的價格差，可顯著降低企業用氣成本，提高企業用氣經濟性。同時可采用小型LNG儲罐氣化一體撬或儲罐氣化集成應急供氣車等方式，保障企業應急用氣需求。在氣源場站設備選型和工藝流程確定上一定要考慮到大工業用戶供氣不可中斷的特點，具體可總結為過濾、調壓、計量應設置備用路，互不影響;工藝設備用電應保證二級負荷并與企業應急供電設施相連;為防止閥門內漏造成停氣事故，用氣設備前預留閥門設置雙閥串聯使用等。3．2合理確定供氣壓力。根據燃燒器的用氣參數，預選供氣壓力和管網管徑，根據廠區內燃氣管網的布置情況，對最不利支路和最有利環路進行水力計算，避免最不利環路壓力過低或在其他設備停用的情況下最有利環路末端壓力超壓。天然氣經濟流速根據經驗低壓燃氣管網不宜大于8m/s，中壓燃氣管網不宜大于20m/s。以水力計算結果為依據確定供氣壓力，優化燃氣管網管徑，提高燃氣管網建設的經濟性，同時保障燃燒器在額定工況下工作。3．3采用天然氣摻混其他氣體穩定熱值。深圳大鵬灣進口LNG高熱值可達49．47MJ/Nm3，國家標準GB17820—2018天然氣對二類天然氣高熱值要求不小于31．4MJ/Nm3，可見不同氣源因氣體組分不同熱值差別較大。如企業生產工藝對天然氣熱值有特殊要求，可在管道設置在線氣體色譜儀實時監測計算天然氣熱值，并設置與氣體色譜儀連鎖的混氣裝置。如需要降低熱值，則可采用天然氣摻混空氣(工藝流程參照圖1);需要增加熱值則采用天然氣摻混氣態液化石油氣或液化天然氣，根據燃燒器需用熱值要求和來氣熱值，通過氣體色譜儀在線監測，輔助計算機計算調整混氣流量。以某玻璃廠為例，其天然氣氣源由大連LNG接收站海外液化天然氣和中俄東線俄氣組成，兩種氣源的不定期切換造成天然氣供應熱值極不穩定，自2019年12月～2020年3月上游氣源熱值波動記錄詳見表1。受天然氣熱值波動影響，該玻璃廠減產達10%，產品性能下降，缺陷大幅增多，嚴重影響產品交付，對企業造成重大經濟損失。在工程設計中，將上游管道天然氣熱值儀的反饋數據，連鎖增設的液化天然氣/空氣調壓混氣撬，根據上游來氣熱值相應摻混液化天然氣和空氣，確保低位熱值穩定在不低于34．32MJ/Nm3，為生產提供穩定熱值的天然氣氣源。3．4根據企業用氣工況確定計量方式和計量表選型。如企業天然氣用氣是工況穩定，波動較小的情況，可在調壓計量撬內采用一塊總表計量，分成主路和備用路雙路設置。如企業用氣工況不穩，波動較大，可根據用氣設備的用氣工況分組分表進行計量，盡量保證在任意用氣工況下各支路燃氣流量在計量表的額定流量范圍內，降低計量誤差。如企業無法與燃氣公司針對燃氣計量表示數結算達成一致，可在設備或管道計量管段前后設置兩塊相同的計量表，并保證計量表安裝的前后直管段要求，根據同樣壓力、流量的兩塊相同計量表的讀數進行貿易結算。3．5施工圖設計時應根據廠區內、廠房內現狀進行優化。首先，應確認廠房事故通風設施設置情況，通過加設緊急切斷閥、可燃氣體探測報警系統與防爆軸流風機聯動，保障廠房內用氣安全。其次，燃氣管道及附屬管支架安裝盡量依靠原有設施及建筑墻體，燃氣管道沿企業外墻敷設應確認廠房的耐火等級及火災危險性分類。最后，燃氣管道布置應考慮到廠房內原有設施現狀及工作情況，不要影響到諸如高空天車的吊裝，叉車的搬卸等工作，同時避免受廢料處置，煙道清掏等作業影響。要充分考慮一切可能影響燃氣管道的因素，審慎選擇燃氣管道的管位。

4結論和建議

大工業用戶是燃氣公司的優質客戶，其穩定的用氣量和所提供的利潤事實上彌補了燃氣公司在居民供氣上所帶來的虧損。一般用氣量3萬Nm3/d的大工業用戶，其年用氣量已大于一般縣級行政區域的居民、商業用戶年用氣量。因此，設計單位在進行施工圖設計時，要充分考量大工業用戶的特點，有針對性的進行設計優化，降低大工業用戶燃氣設施的投資成本，保障其用氣的穩定性。在EPC或PC項目中，設計單位應對施工單位的施工全過程進行實時跟蹤，且施工過程中不應影響大工業用戶正常生產或將生產影響降到最低，同時施工單位要嚴格落實各項安全生產規章制度，杜絕“三違”現象，做好對相關人員的教育培訓、相關設備設施的維護保養及檢查等工作，切實保障施工安全，避免安全事故的發生。建議天然氣大工業用戶可利用調壓站天然氣減壓過程的壓力能進行發電和加熱天然氣。通過設置膨脹機發電機組，將加熱天然氣的熱泵機組使用剩余的發電功率作為場站自用電或提供給企業使用，一定程度上降低用電成本。

參考文獻:

［1］袁丹，徐文東，阮寶榮，等．天然氣管網及工業氣體壓力能利用技術開發［J］．煤氣與熱力，2015，35(9):A30-A33．

［2］王勇，王鴻，劉永華，等．天然氣混空氣轉換人工煤氣的探討［J］．煤氣與熱力，2006，26(1):5-7．

作者:王澤宗 王振雨 宋朋飛 李 顥 單位:1.長春燃氣熱力設計研究院有限責任公司 2.遼源市公用事業服務中心