城鎮燃氣輸配系統無燃燒放散裝置設計探討

摘 要

摘要：在城鎮燃氣輸配系統日常作業時通常會將管段內余氣做放散燃燒，這一過程一方面排放大量C02，另一方面，為滿足放散點與周圍建筑物、綠化等消防安全間距要求，通常較難選擇放散點
摘要：在城鎮燃氣輸配系統日常作業時通常會將管段內余氣做放散燃燒，這一過程一方面排放大量C02，另一方面，為滿足放散點與周圍建筑物、綠化等消防安全間距要求，通常較難選擇放散點。本文以天然氣壓縮機為基礎，在如何提高放散作業安全性和經濟性方面提出無燃燒放散裝置的設計思路并做方案初步設計和經濟性分析。
關鍵詞：輸配系統；余氣；天然氣壓縮機；無燃燒放散；初步設計
1 問題提出
在城鎮燃氣輸配系統日常運行過程中經常遇到管道日常接駁(動火作業)、檢修、搶修等作業。在作業之前，為保證作業安全，通常會將作業管段內的余氣做放散燃燒。這一過程通常會造成大量天然氣浪費并增加溫室氣體排放量。據統計，1970年—2004年，34年期間大氣中溫室氣體排放增加了70%。2007年大氣中C02、CH4濃度分別達到383×10-6、1789×10-6，比人類工業革命前分別上升37%和156%。因此，如何研究并采取有效措施減少以二氧化碳、甲烷為代表的溫室氣體的排放量，其重要性日益明顯。[1]
    另外，隨著各地城鎮化程度的不斷提高，城市人口、車輛、各種建筑物、道路綠化等密度不斷增加，而地下燃氣管道大都沿人行道或綠化帶鋪設。為保證消防安全，在實施放散燃燒作業過程中經常面臨無法選擇放散點的困難局面。在這種情況下，極需要開發設計一種不需要通過燃燒就能對管道內余氣進行放散的裝置。
2 設計思路
人們在對城鎮地下燃氣管網做布局設計時，為了提高供氣的穩定性和可靠性，一般會考慮將管網成環布置，而且為便于日后燃氣管道接駁、檢修等作業，閥門兩側通常會預留Φ12.5、Φ25、Φ50大小不等的放散閥。
    當管網內局部管段需要停氣檢修時，將待作業管段兩端(上下游)的閥門關閉，然后使用天然氣壓縮機將待作業管段內(已成局部封閉狀態)的余氣從放散閥內抽出、加壓至一定壓力后通過已關閉閥門另一側的放散閥輸送至尚在運行中的管道內繼續使用。同時，通過已經設置好的壓力監控單元監控正在運行中的燃氣管道末端用戶側的使用壓力，以不超過運行壓力0.20MPa為宜。
3 無燃燒放散裝置方案初步設計
3.1 放散裝置工藝流程圖
    在設計思路上考慮在該裝置上設置兩個系統，分別實現兩種功能：
    (1) 余氣回收：對地下燃氣管道內殘余天然氣進行回收；
    (2) 氮氣置換、試壓作業：在不使用壓縮機的情況下通過氮氣瓶組向管段內充入氮氣，實施氮氣置換作業或管道系統壓力試驗作業。
 

3.2 工作過程模擬
3.2.1作業管段內余氣回收工作過程
    (1) 如圖1中紅色線段所示，當需要對作業管段停氣檢修時，首先關閉該管段上下游控制閥門V1、V2，然后使用高壓軟管分別將作業管段放散閥R2與回收系統吸氣端控制閥G6連接、將作業管段放散閥R1與回收系統吸氣端控制閥G3連接；
    (2) 開啟作業管段放散閥R2，開啟系統控制閥G1、G3、G5、G6，關閉系統控制閥G2、G4、G7；保持R3、R4處于關閉狀態。
    (3) 開啟壓縮機，當壓縮機出口壓力上升至0.3MPa后緩慢開啟與作業管段相鄰的用戶端所在的燃氣管段的放散閥R1，通過R1將作業管段內的余氣緩慢注入用戶端管網內；在此過程中，需要隨時監控壓縮機出口氣體壓力、溫度及管網末端用戶處使朋壓力，保證壓縮機出口燃氣溫度不超過50℃，管網末端用戶處使用壓力不超過0.2MPa。
3.2.2實施氮氣置換作業工作過程
    (1) 按照相關作業規范要求對作業管段實施氮氣置換時，通過高壓軟管將氮氣瓶組與系統控制閥G2相連接，使用軟管將作業管段放散閥R3與回收系統控制閥G7連接；
    (2) 開啟作業管段放散閥R3，關閉系統控制閥G1、G3、G5、G6，保持R1、R2、R4處于關閉狀態；
    (3) 緩慢開啟氮氣瓶組各鋼瓶角閥，然后按順序緩慢開啟系統控制閥G2、G4、G7，向作業管段內注入氮氣，同時通過G6處的壓力表觀察管段內壓力上升情況，直至達到置換要求的壓力為止。
3.3 壓縮機選型要求[2]
3.3.1壓縮機選型遵循原則
    (1) 管內余氣與壓縮機的排氣量要合理匹配
    回收系統的輸氣能力，應符合實際需要。輸氣能力的過分富裕或嚴重不足，在經濟上都不合算。應結合生產實際情況合理地確定所配置壓縮機的排氣量。
    (2) 所選壓縮機要能適應一定范同的吸氣壓力區間
    所選壓縮機應能適應一定范圍內不同的管網壓力，當壓縮機啟動后能自如地應對管網壓力的下降；最低吸氣壓力最好能控制在0.02MPa，這樣可最大程度的將管內余氣抽出。
    (3) 壓縮機的運行可靠性與轉速、行程的擇取
    首位要素當推運行可靠性。壓縮機的可靠性與結構參數，特別是其中的轉速，有很緊密的關系。故而轉速、行程的擇取應很慎重。
    (4) 冷卻及氣缸潤滑方式
    壓縮機氣缸采取風冷或自然冷卻，這種冷卻方式能適應廣泛的環境條件，優越性突出。
    無油潤滑壓縮機對氣體的油污染是最小的，合理的選擇應該是采用無油潤滑壓縮機；但限于國內潤滑材料的制約，要實現可靠性較高的無油潤滑尚不成熟，建議企業以可靠性為主選擇有油或少油潤滑壓縮機。
    (5) 安全要求
    天然氣壓縮機壓縮介質是烴類氣體的混合物，因此，安全問題比較突出。天然氣所處空間壓力、溫度越高，則爆炸范圍越大，特別是壓力影響很顯著。隨著壓力的增高，爆炸下限能基本保持不變，而上限卻大大增加。在滿足上述工藝要求的前提下，所選壓縮機應能滿足防爆要求。
    (6) 排氣溫度的限制
    天然氣組成主要是烷烴，為了減少油氣碳化和著火的危險，排氣溫度宜控制在140℃以下。
3.3.2壓縮機選型
    根據以上原則結合本公司實際生產情況選擇國內某廠家W系列天然氣壓縮機，該壓縮機基本參數如下：
    ① 進氣壓力范圍0～0.1MPa，出氣壓力范圍0.1MPa～0.5MPa；
   ② 最大處理氣量：1000Nm3/h；
   ③ 控制方式：全自動；
   ④ 氣源：天然氣；
   ⑤ 冷卻方式：風冷；
   ⑥ 潤滑方式：注油潤滑；
   ⑦ 尺寸：3m×2.5m×1.5m(長、寬、高)；
   ⑧ 動力方式：55kW柴油機。
4 經濟性分析
    由于各地天然氣價格水平相差較大，在此以深圳市天然氣價格為例對該裝置的經濟性進行分析。目前深圳市居民用天然氣價格為3.5元/m3。
    在成本核算中關于能量消耗方面，主要考慮使用該裝置工作時壓縮機消耗的能量，不考慮對該系統移動時動用的拖曳車輛消耗的能量。
    (1) 年折舊費=【固定資產投資額×(1-殘值率)】÷使用年限，其中，殘值率取4%，使用年限取10年。計算得年折舊費為14400元。
表1 無燃燒放散裝置成本構成及靜態投資回收期限表
設備名稱
投資額/元
油料消耗(元，年)
折舊費用(元/年)
維修費(元/年)
靜態回收期/年
壓縮機
150000
2400
14400
2000
3
    (2) 柴油機熱效率取40%，深圳地區柴油價格為每升7.51元；
    (3) 2010年，深圳市龍崗片區地下燃氣管道相關接駁維修作業統計數字表明：全年作業量近200次、按平均每次作業燃燒放散余氣100m3估算，全年可回收余氣20000m3；
    (4)設備維修費取經驗值，平均每年按2000元計。
5 結論
    (1) 將該裝置應用于城鎮燃氣管網輸配過程中的日常作業，不僅可以縮短作業管段內余氣放散時間、提高工作效率，而且有相當的經濟效益和社會效益；
    (2) 天然氣壓縮機選型成功與否直接決定著該系統在實際生產中是否有較大的應用范圍(盡管每次作業涉及的作業管段的壓力相差不大，但每次作業產生的余氣量差別較大)，因此，在設備選型上應結合公司實際生產狀況與壓縮機廠家做充分溝通，必要時可提出相應技術參數交廠家定制。
    (3) 本文所有的計算分析均以中壓輸配管網為例，涉及次高壓級以上管網系統時需根據實際條件做相應核算。
 
(本文作者：王坤 深圳市燃氣集團股份有限公司 518172)