摘要：在城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)日常作業(yè)時通常會將管段內(nèi)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(chǔ)，在如何提高放散作業(yè)安全性和經(jīng)濟性方面提出無燃燒放散裝置的設(shè)計思路并做方案初步設(shè)計和經(jīng)濟性分析。
關(guān)鍵詞：輸配系統(tǒng)；余氣；天然氣壓縮機；無燃燒放散；初步設(shè)計
1 問題提出
在城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)日常運行過程中經(jīng)常遇到管道日常接駁(動火作業(yè))、檢修、搶修等作業(yè)。在作業(yè)之前，為保證作業(yè)安全，通常會將作業(yè)管段內(nèi)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(jù)統(tǒng)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(yè)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(zhèn)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(shè)。為保證消防安全，在實施放散燃燒作業(yè)過程中經(jīng)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(fā)設(shè)計一種不需要通過燃燒就能對管道內(nèi)余氣進行放散的裝置。
2 設(shè)計思路
人們在對城鎮(zhèn)地下燃氣管網(wǎng)做布局設(shè)計時，為了提高供氣的穩(wěn)定性和可靠性，一般會考慮將管網(wǎng)成環(huán)布置，而且為便于日后燃氣管道接駁、檢修等作業(yè)，閥門兩側(cè)通常會預(yù)留Φ12.5、Φ25、Φ50大小不等的放散閥。
當(dāng)管網(wǎng)內(nèi)局部管段需要停氣檢修時，將待作業(yè)管段兩端(上下游)的閥門關(guān)閉，然后使用天然氣壓縮機將待作業(yè)管段內(nèi)(已成局部封閉狀態(tài))的余氣從放散閥內(nèi)抽出、加壓至一定壓力后通過已關(guān)閉閥門另一側(cè)的放散閥輸送至尚在運行中的管道內(nèi)繼續(xù)使用。同時，通過已經(jīng)設(shè)置好的壓力監(jiān)控單元監(jiān)控正在運行中的燃氣管道末端用戶側(cè)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(shè)計
3.1 放散裝置工藝流程圖
在設(shè)計思路上考慮在該裝置上設(shè)置兩個系統(tǒng)，分別實現(xiàn)兩種功能：
(1) 余氣回收：對地下燃氣管道內(nèi)殘余天然氣進行回收；
(2) 氮氣置換、試壓作業(yè)：在不使用壓縮機的情況下通過氮氣瓶組向管段內(nèi)充入氮氣，實施氮氣置換作業(yè)或管道系統(tǒng)壓力試驗作業(yè)。
3.2 工作過程模擬
3.2.1作業(yè)管段內(nèi)余氣回收工作過程
(1) 如圖1中紅色線段所示，當(dāng)需要對作業(yè)管段停氣檢修時，首先關(guān)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(yè)管段放散閥R2與回收系統(tǒng)吸氣端控制閥G6連接、將作業(yè)管段放散閥R1與回收系統(tǒng)吸氣端控制閥G3連接；
(2) 開啟作業(yè)管段放散閥R2，開啟系統(tǒng)控制閥G1、G3、G5、G6，關(guān)閉系統(tǒng)控制閥G2、G4、G7；保持R3、R4處于關(guān)閉狀態(tài)。
(3) 開啟壓縮機，當(dāng)壓縮機出口壓力上升至0.3MPa后緩慢開啟與作業(yè)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(yè)管段內(nèi)的余氣緩慢注入用戶端管網(wǎng)內(nèi)；在此過程中，需要隨時監(jiān)控壓縮機出口氣體壓力、溫度及管網(wǎng)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(wǎng)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(yè)工作過程
(1) 按照相關(guān)作業(yè)規(guī)范要求對作業(yè)管段實施氮氣置換時，通過高壓軟管將氮氣瓶組與系統(tǒng)控制閥G2相連接，使用軟管將作業(yè)管段放散閥R3與回收系統(tǒng)控制閥G7連接；
(2) 開啟作業(yè)管段放散閥R3，關(guān)閉系統(tǒng)控制閥G1、G3、G5、G6，保持R1、R2、R4處于關(guān)閉狀態(tài)；
(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(tǒng)控制閥G2、G4、G7，向作業(yè)管段內(nèi)注入氮氣，同時通過G6處的壓力表觀察管段內(nèi)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(nèi)余氣與壓縮機的排氣量要合理匹配
回收系統(tǒng)的輸氣能力，應(yīng)符合實際需要。輸氣能力的過分富?；驀?yán)重不足，在經(jīng)濟上都不合算。應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)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(yīng)一定范同的吸氣壓力區(qū)間
所選壓縮機應(yīng)能適應(yīng)一定范圍內(nèi)不同的管網(wǎng)壓力，當(dāng)壓縮機啟動后能自如地應(yīng)對管網(wǎng)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(nèi)余氣抽出。
(3) 壓縮機的運行可靠性與轉(zhuǎn)速、行程的擇取
首位要素當(dāng)推運行可靠性。壓縮機的可靠性與結(jié)構(gòu)參數(shù)，特別是其中的轉(zhuǎn)速，有很緊密的關(guān)系。故而轉(zhuǎn)速、行程的擇取應(yīng)很慎重。
(4) 冷卻及氣缸潤滑方式
壓縮機氣缸采取風(fēng)冷或自然冷卻，這種冷卻方式能適應(yīng)廣泛的環(huán)境條件，優(yōu)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(yīng)該是采用無油潤滑壓縮機；但限于國內(nèi)潤滑材料的制約，要實現(xiàn)可靠性較高的無油潤滑尚不成熟，建議企業(yè)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(zhì)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(yīng)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(jù)以上原則結(jié)合本公司實際生產(chǎn)情況選擇國內(nèi)某廠家W系列天然氣壓縮機，該壓縮機基本參數(shù)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(fēng)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(jīng)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(jīng)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(guān)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(tǒng)移動時動用的拖曳車輛消耗的能量。
(1) 年折舊費=【固定資產(chǎn)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(gòu)成及靜態(tài)投資回收期限表
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設(shè)備名稱
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投資額/元
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油料消耗(元，年)
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折舊費用(元/年)
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維修費(元/年)
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靜態(tài)回收期/年
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壓縮機
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150000
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2400
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14400
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2000
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3
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(2) 柴油機熱效率取40%，深圳地區(qū)柴油價格為每升7.51元；
(3) 2010年，深圳市龍崗片區(qū)地下燃氣管道相關(guān)接駁維修作業(yè)統(tǒng)計數(shù)字表明：全年作業(yè)量近200次、按平均每次作業(yè)燃燒放散余氣100m3估算，全年可回收余氣20000m3；
(4)設(shè)備維修費取經(jīng)驗值，平均每年按2000元計。
5 結(jié)論
(1) 將該裝置應(yīng)用于城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)輸配過程中的日常作業(yè)，不僅可以縮短作業(yè)管段內(nèi)余氣放散時間、提高工作效率，而且有相當(dāng)?shù)慕?jīng)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(tǒng)在實際生產(chǎn)中是否有較大的應(yīng)用范圍(盡管每次作業(yè)涉及的作業(yè)管段的壓力相差不大，但每次作業(yè)產(chǎn)生的余氣量差別較大)，因此，在設(shè)備選型上應(yīng)結(jié)合公司實際生產(chǎn)狀況與壓縮機廠家做充分溝通，必要時可提出相應(yīng)技術(shù)參數(shù)交廠家定制。
(3) 本文所有的計算分析均以中壓輸配管網(wǎng)為例，涉及次高壓級以上管網(wǎng)系統(tǒng)時需根據(jù)實際條件做相應(yīng)核算。
(本文作者：王坤 深圳市燃氣集團股份有限公司 518172)
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