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天然气热值调整工艺研究 高秀敏 余 智 曾树兵 王彦瑞 宋文路 海洋石油工程股份有限公司 摘 要 随着我国天然气管网的互联互通, 研究具有不同燃烧特性的天然气的互换性具有重 要的现实意义。针对香港某电厂的气源多元化, 进行天然气热值调整工艺研究, 采用添加L P G来 升高热值、 添加氮气 或者液氮 、 空气等低热气体来降低热值的方法具有可行性。 关键词 天然气 L NG 热值调整 华白指数 修正华白指数 互换性 中图分类号T E 6 2 6. 7 文献标志码 A D O I1 0. 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 7 - 3 4 2 6. 2 0 1 4. 0 1. 0 1 0 R e s e a r c ho nn a t u r a l g a sh e a t v a l u ea d j u s t m e n t t e c h n o l o g y G a oX i u m i n,Y uZ h i,Z e n gS h u b i n g,W a n gY a n r u i,S o n gW e n l u C h i n aO f f s h o r eO i lE n g i n e e r i n gC o r p o r a t i o n,T i a n j i n3 0 0 4 5 2,C h i n a A b s t r a c tW i t ht h ei n t e r c o n n e c t i o no fn a t u r a lg a sn e t w o r k si nC h i n a,t h e r ei sa ni m p o r t a n t p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t or e s e a r c hn a t u r a l g a s i n t e r c h a n g e a b i l i t yw i t hd i f f e r e n tc o m b u s t i o nc h a r a c- t e r i s t i c s . B a s e do nt h eg a ss o u r c ed i v e r s i f i c a t i o no fs o m ep o w e rp l a n t i nH o n gK o n g,t h i sp a p e r s t u d i e s t h et e c h n o l o g yo fn a t u r a lg a sh e a tv a l u ea d j u s t m e n t . I ti sp r o v e dt h a tt h e m e t h o do f a d d i n gL P Gt o i n c r e a s e t h eh e a t v a l u e,a n da d d i n gn i t r o g e no r l i q u i dn i t r o g e n ,a i ro ro t h e r l o w c a l o r i f i cg a s t or e d u c e t h eh e a tv a l u e i s f e a s i b l e . K e yw o r d sn a t u r a l g a s,L NG,h e a tv a l u ea d j u s t m e n t,W o b b e i n d e x,m o d i f i e dW o b b e i n d e x, i n t e r c h a n g e a b i l i t y 1 热值调整的意义 由于天然气资源的多元化, 国产天然气、 进口天 然气、 引进L NG的组成及燃烧特性各不相同, 因此 存在下游终端用户的用气设施与不同特性的天然气 相互匹配问题。根据G B/T1 3 6 1 1-2 0 0 6 城镇燃 气分类和基本特性 , 当一种燃气置换另一种燃气 时, 首先要保证燃具所产生的热负荷在燃气置换前 后不能发生大的改变。华白指数是代表燃气特性的 一个参数, 如果两种燃气的华白指数相等, 就能在同 一供气压力下, 在同一燃具上获得相同的热负荷。 因此, 当用一种燃气替代另一种燃气时, 必须充分考 虑燃气的“ 互换性” 和燃具的“ 适应性” 。当供给用户 的燃气性质发生改变时, 置换气必须对基准气具有 “ 互换性” , 否则就不能保证用户的使用安全。因此, 随着我国天然气管网的互联互通, 研究具有不同燃 烧特性的天然气的互换性具有重要的现实意义[ 1 - 3]。 香港某电厂原使用海上气田供气, 随着气田进 入衰减期, 电厂需要补充和更新新的气源。由于电 厂供气的天然气资源多元化, 而不同的天然气组成 具有不同的物性参数, 其热值和华白指数也不相同。 因此, 必须充分考虑电厂发电机组与不同特性的天 然气之间相互匹配的问题, 即解决不同气源间的互 94 石 油 与 天 然 气 化 工 第4 3卷 第1期 CHEM I C A LE N G I N E E R I NGO FO I L S Gg a s为气体燃料与空气的相对密 度; Tg a s为气体燃料的绝对温度, R a n k i n e;MWg a s为 气体燃料的相对分子质量; 2 8. 9 6为干燥空气的相 对分子质量。 3 气源组成分析 考虑有3种可能的气源组成。气源一 全部是 L NG; 气源二L NG与某陆地终端干气各占5 0; 气源三 L NG与终端干气各占8 0、2 0。每种气 源的具体热值数据见表1。 表1 3种气源组成的热值表 T a b l e1 H e a t v a l u e l i s t o f t h r e ek i n d so f g a ss o u r c e s VL NGVL NG∶终端干气5 0∶5 0VL NG∶V 终端干气8 0∶2 0 贫气富气 贫气 终端干气 富气 终端干气 贫气 终端干气 富气 终端干气 高热值 0℃,0. 1MP a / M Jm-33 8. 3 24 3. 6 03 7. 2 43 9. 8 73 7. 8 94 2. 1 1 低热值 0℃,0. 1MP a / M Jm-33 4. 5 33 9. 4 43 3. 5 63 6. 0 23 4. 1 43 8. 0 7 华白指数 0℃,LHV / M Jm-35 0. 6 05 3. 8 84 7. 8 34 9. 5 84 9. 4 75 2. 1 7 相对分子质量 1 6. 5 91 8. 9 41 7. 5 21 8. 6 91 6. 9 61 8. 8 3 MW I2 5℃,LHV / b t u/s c f/R 0. 5 5 2. 8 65 6. 5 34 9. 9 05 1. 9 55 1. 6 95 4. 7 0 调整方案调低热值 调低热值调高热值不需调整不需调整调低热值 4 国际通用的热值调整方法 4. 1 升高热值方法 主要 是 添 加 高 热 值 气 体, 例 如 液 化 石 油 气 L P G 、 轻烃气体等, 使其达到所需要的热值。 4. 2 降低热值方法 国际上通用的降低热值方法有[ 5] 1掺混无热 低热 气体 在天然气中加入零 热值的氮气、 空气或其他低热值燃气, 使天然气热值 降低以达到设定的目标值。 2天然气混合 按照设定的热值目标值, 将不 同热值、 不同来源的天然气或其他燃气按相应的比 例混合, 使其满足要求。例如, 荷兰和德国利用其庞 大的天然气储存运输设施实现热值稳定。 3轻烃分离 将天然气中热值相对较高的乙 烷和丙烷等重质组分分离出来, 提高CH4含量, 使 热值降至目标值。 5 热值调整方案比选 5. 1 升高热值方案比选 由于产生干气的某陆地终端也生产L P G, 因此 本项目推荐采用添加L P G法升高热值。 5. 2 降低热值方案比选 方法一 天然气混合 终端天然气是唯一可供调配入L NG接收站外 输气体的天然气, 从计算可以看出, 当L NG与终端 干气按照业主推荐的比例混合后, 仍有不满足热值 要求的情况。因此, 不能通过天然气混合完全解决 热值统一的问题。 方法二 轻烃分离 05 高秀敏 等 天然气热值调整工艺研究 2 0 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 当气源全部是L NG时, 即使完全脱除丙烷及 以上烷烃, 其MW I值仍难以满足电厂的热值要求。 因此, 还需进一步脱除部分乙烷, 或者用化学转化法 将乙烷转化为合成气后再合成CH4。轻烃分离的 运行成本高、 流程复杂, 还涉及到乙烷、 丙烷等烃类 的市场和外运问题。考虑到L NG项目建设地点条 件及可用地面积, 轻烃分离方案实施困难。因此, 此 方法不可行。 方法三 掺混无热气体 掺混无热气体的方法, 相比轻烃分离法, 既有效 也相对简单, 更适合本项目进行热值调整。由于外 输气源还需经比较长的海底管道运输至香港, 氧含 量如果偏高, 则安全性较差, 出于安全考虑, 推荐采 用添加氮气的方法将L NG热值降至目标值。 6 升高热值具体方案实施 6. 1 添加L P G工艺路线比选 气体/液体调高 用泵将液态L P G加压到管输 压力, 然后与管网内的L NG和终端气体直接混合。 该系统应充分考虑在环境温度较低时, 输气管道内 出现凝液等不安全因素。 气体/气体调高 将混输气体与蒸发后的丁烷和 丙烷以一定比例在专用混合器内混合。采用此种方 式, 不管L P G是常温带压储存还是低温常压储存, 则不必担心出现凝液和混合器选型受限制的问题。 液体/液体调高 将L P G在L NG接收站O R V 海水气化器 前与低温L NG液态混合后, 通 过 O R V气化成热值调整后的高热值气体, 然后与来自 终端处理厂的天然气进一步混合进入海管系统。由 于L NG接收站并非专供本项目电厂, 该方案需要 对L NG接收站高压外输及气化设施进行专项配 置, 其他因素导致的不确定性较高, 故不推荐。 综上所述, 推荐采用气体/气体调高方式进行调 整热值。 6. 2 添加L P G工艺流程 利用泵将L P G加压到管输压力, 再经过丙烷/ 丁烷蒸发器蒸发后, 与L NG、 终端干气在静态混合 器内充分混合。L NG、 终端干气和添加的丙烷/丁 烷气体分别经流量计计量后的标准体积流量信号远 传至中央控制台。中央控制台根据以上参数计算, 得出混气比例, 由控制系统调节气动调节阀的开度, 使丙烷/丁烷以一定比例进入静态混合系统。并将 热值仪对混合后的燃气连续在线检测的信号反馈至 中央控制系统, 中央控制系统将根据热值的偏差随 时微调气动调节阀的开度, 最终将混合气热值稳定 在设定值范围内。 工艺流程框图见图1。 6. 3 所需L P G量 为保守起见, 选取具有较低热值的典型L P G 组成为8 0 y 丙烷和2 0y 正丁烷 进行调质 计算。为了满足长远输气规模6 0 0 MM S C F/D 即 17 0 01 0 4 m 3/ d 的热值调整, 经HY S Y S模拟计 算需要加入的L P G量为6 6. 6 5t/h。 7 降低热值具体方案实施 7. 1 添加氮气工艺路线比选 添加氮气进行热值调整有两种不同的工艺。一 是加入液氮, 二是加入氮气 中压氮气或者高压氮 气 。其具体方案实施如下 1采用液氮进行热值调整。该方案需要采用 低温空气分离装置A S U 生产氮气, 再通过中间介 质对空气进行预冷, 然后利用低温蒸馏将氮气分离 出来。液氮经泵加压, 再经过新增汽化器汽化后送 往外输管道。该工艺对液氮生产装置要求较高, 能 耗较大, 需设置的设备较多。因此, 本项目不推荐此 方案。 2采用注入中压氮气方案。该方案是将氮气 压缩后与从蒸发气压缩机送出的蒸发气相混合后进 入再冷凝器, 在再冷凝器中, 混合气体被冷凝, 然后 经由高压泵和汽化器送往燃气输送管道。此方案存 15 石 油 与 天 然 气 化 工 第4 3卷 第1期 CHEM I C A LE N G I N E E R I NGO FO I L 需增大再冷凝器的 尺寸; 需增设氮气压缩机, 并提高所有低压输送泵和 B OG压缩机的功率; 再冷凝器必须设一台备用, 以 备再冷凝器检修时热值调整的正常进行; 将中压氮 气与从蒸发气压缩机送出的蒸发气相混合后进入再 冷凝器, 则需要按照L NG接收站总外输量 除了电 厂用户, 还有其他用户 来添加氮气量, 将对外输 L NG全部进行热值调整, 这将需要极大的氮气量, 大大增加了氮气发生装置的处理能力, 增加了整个 接收站的投资和运行费用。因此, 中压氮气方案对 本项目不可取。 3采用注入高压氮气方案。该方案是将氮气 压缩至燃气输送管道中的压力, 其工艺流程简单, 不 必更改再冷凝器操作压力和负荷, 也不存在中压氮 气方案中除了电厂用户以外的其他L NG用户进行 调整热值的情况。 综上所述, 推荐采用添加高压氮气的方法, 以满 足电厂燃气的互换性要求。 7. 2 添加氮气工艺流程 添加氮气工艺流程框图见图2。 氮气流量根据外输天然气气量和热值进行实时 调整。外输天然气流量由安装在天然气外输总管上 的流量计进行计量, 热值则通过天然气外输管线上 在线色谱仪检测到的天然气组成进行计算, 测得的 流量和热值经逻辑运算后用于控制氮气流量调节阀 的开度。 掺混过程设计为等压混气。为防止混合气进入 外输管道后供给热值仪的气体未均匀混合, 获得一 个错误的讯号使控制失误。因此, 需要设置静态混 合器, 使混合气通过静态混合器时形成螺旋状气流, 进行充分混合。L NG、 高栏岛终端干气和添加的氮 气分别经流量计计量后的标准体积流量信号远传至 中央控制台。中央控制台根据以上参数计算得出混 气比例, 由控制系统调节气动调节阀的开度, 使氮气 以一定比例进入静态混合系统。并将热值仪对混合 后的燃气连续在线检测的信号反馈至中央控制系 统, 中央控制系统将根据热值的偏差随时微调气动 调节阀的开度, 最终将混合气热值稳定在设定值范 围内。 7. 3 降低热值所需氮气量 若将3种 气 源 组 成 的 修 正 华 白 指 数 调 整 到 5 1. 52 b t u/s c f/R 0. 5范围内, 通过 HY S Y S模拟 对需加入的氮气量分别进行了计算。最大管输规模 下需要添加的氮气量见表2。 表2 热值调整需要氮气量表 T a b l e2 N i t r o g e nn e e d e d f o rh e a t v a l u ea d j u s t m e n t 最大管输规模17 0 01 0 4m3/ d 对应小时高峰用气1 0 01 0 4m3/ h 气源一气源三 贫气富气富气终端干气 氮气量/th-1 2 3. 3 68 6. 7 15 5. 9 折合氮气生产能力 2 0℃,0. 1MP a /m3h-1 1. 9 71 0 4 7. 3 21 0 4 4. 7 21 0 4 8 结 语 经过对具体案例进行天然气热值调整工艺研 究, 采用添加L P G来升高热值、 添加氮气 或者液 氮 、 空气等低热气体来降低热值的方法是值得推广 的。如果气源多样, 可首先考虑多种气源按一定比 例混合的方法达到调整热值的目的。 参 考 文 献 [1]姜正侯.燃气工程技术手册[M].上海 同济大学出版社,1 9 9 7. [2]张玉坤, 许文晓, 陈勇.天然气气质及其互换性[J].石油与天然 气化工,2 0 0 8, 3 76 5 2 3 - 5 2 6. [3]秦朝葵, 吴之觐.多气源天然气的互换性问题[J].天然气工业, 2 0 0 9,2 91 2 9 0 - 9 3. [4]T i r a t s o oE N.天 然 气 [M]. B e a c o n s f i e l d,E n g l a n dS c i e n t i f i c P r e s sL t d .,1 9 7 2. [5]郭峰, 张莺枥.天然气热值调整工艺技术研究[J].石油规划设 计,2 0 0 8,1 9 3 췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍 1 0 - 1 2. 收稿日期2 0 1 3 - 0 7 - 0 5; 修回日期 2 0 1 3 - 0 8 - 1 3;编辑 康 莉 25 高秀敏 等 天然气热值调整工艺研究 2 0 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m