天然气压气站燃机余热发电项目设计难点及其解决方案

胡信韬，陈雨欢，王 操，彭义林

(湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430000)

在天然气压气站燃机余热利用发电项目[1-5]中，由于业主方并不是中石油，项目属于在中石油西气东输场站内外的改造，因此中石油方面对余热利用电厂的设计尤为关注。其核心诉求是燃机余热利用电厂，不能够给天然气压气站的运行带来负面影响。

1 项目概况

某压气站原有三台罗尔斯-罗伊斯RB211-G62 PhII燃气轮机，用于驱动三台天然气压缩机。燃机顶部排气通过三根排气管穿出压缩机房顶部，直排大气，燃机两运一备。该燃机余热发电工程，将燃气轮机排气通过三根f×5 mm的烟道支管，汇集至一根f4 420×5 mm的烟道母管，每根烟道支管上设有一台三通挡板阀，发电厂区域出现故障时通过三通挡板阀将烟气排入大气。烟道母管进入电厂区域的一台余热锅炉，余热锅炉产生的中温中压蒸汽进入一台13 MW级别的汽轮发电机组进行发电。余热锅炉位于电厂区域围墙边，把原有中石油压气站内的单循环燃气轮机改为联合循环。烟道平面布置图见图1。余热锅炉后设置有引风机、烟囱，其中引风机用于克服燃机出口至烟囱段所有阻力。

2 设计难点及其解决办法

2.1 余热锅炉后设置引风机

常规燃气-蒸汽联合循环电厂中，燃机排气扩散段对接余热锅炉入口，在余热锅炉出口设有烟囱。由于中石油与项目业主并非同一单位，若余热锅炉后不设置引风机，将会显著增加燃机排气背压，燃机效率将下降，消耗的燃气量会上升。为了新建电厂完全不影响燃机本体效率，在新建电厂余热锅炉出口增设引风机，用于克服燃机排气口至烟囱段阻力。

根据布置情况，核算引风机出力，结果如表1所示。

当余热发电系统运行时，在设计工况下，某余热发电系统在余热锅炉与余热锅炉烟囱之间增设一台全压3 830 Pa的引风机用于克服烟道阻力。根据表1的计算结果，当余热发电系统满负荷运行时，烟道总阻力为3 288 Pa，小于引风机全压。所以此工况下余热发电系统对燃机性能没有影响。在极端工况下，烟道系统的总阻力为3 806 Pa，小于引风机全压。综上所述，在所有工况下，烟道系统不会给燃机造成背压。

引风机未出现故障时，在任何工况下，均不应停运引风机。

当出现引风机故障时，可快速启动两台燃机的三通挡板阀和余热锅炉旁路烟道挡板门，保证两台燃机的烟气快速排出，不对压气站造成任何影响。

2.2 烟道支架的设计

由于中石油方面提出烟道不能有任何荷载作用于现有燃机房顶部，施工期间不得破坏燃机房顶的要求。这使得烟道支架的设计难度显著提高。

在设计烟道支架前，工程组参观某余热电站。该余热电站采用了三排柱，横跨压缩机房的双层简支桁架，桁架跨度大，钢柱及基础多，烟道布置于桁架中间，其布置图如图2所示。

图2 烟道支架设计

钢烟道支架跨度大，双层桁架高度较高，设计钢柱及基础较多，虽然结构扎实，但不经济，根据洛宁余热电站提供的结构图纸及工程量资料，其用钢量为307 t(不含平台和支座)，基础砼量为132 m3。

针对工艺烟道需求，土建组经过讨论，本项目考虑采用单侧悬挑桁架的方案，烟道布置于桁架顶部，如图3所示。

此方案减少一排钢柱、钢梁，且悬挑跨度为洛宁简支跨度的一半不到，初步判定必然节省大量钢材。根据锅炉专业提资，结构专业经过三轮优化和局部构件布置调整，最终算的采用双侧悬挑桁架用钢量为128 t(不含顶层平台和支座)，基础砼量76 m3。相比余热电站烟道节省钢材约179 t，基础砼量56 m3，直接费用节省175万元。同样达到了无任何荷载落在已有燃机厂房顶部的效果。

对于余热锅炉后设置引风机及烟道支架的设计，由于计算书翔实可靠，采用两种结构建模软件对大跨度悬挑结构进行核算，出具计算书，方案顺利通过了中石油上海管理处的审查。

图3 某压气站烟道支架设计

2.3 火炬的放空管线及电缆迁改

根据现场实际，本工程厂区内现状放散管包括四条管线和两根电缆：f219自动放空管、f406手动放空管、f34气撬放空管、f34传火管，统称为“放散管”，火炬控制电缆两根：81#FK-1WP(ZR-YJV22-0.6/1 kV 3×4 mm2)、82#FK-1WC(ZR-KYJV22-0.5 kV 12×1.5 mm2)。放散管目前均从厂区现状围墙西北角穿入厂区，后从厂区东侧现状围墙北部区域穿出厂区，向东与压气站放散塔连接。

现拟拆除本工程厂区影响范围内的放散管及电缆，并在厂区北侧及东侧还建。还建后的放散管与厂区实际建成后的围墙应保持11.5 m净距。还建后的放散管与现状放散管、压气站围墙的接口位置，由还建实施方根据现场实际情况确定。

此外，还有另一根现状电缆与现状放散管路径相同，穿过厂区与压气站放散塔连接。此次拟与放散管一并拆除还建，还建路径与还建后的放散管相同。管线还建路径规划详见图4。

图4 火炬的放空管线及电缆迁改

通过动火改建部分天然气放散管道，改建火炬控制电缆。放散管道所在隔离管段需要放空，进行氮气置换合格后实施动火作业，且空间、环境允许动火作业。根据《中国石油西气东输管道公司动火作业指导书》规定，此次动火为二级动火。

根据中石油武汉管理处会议纪要，迁改原有放空管线及电缆的改迁设计需由有GA长输管道设计资质的单位承担。改线涉及的管材型号、承压级别、防腐形式应与站场原有管线设计规格相符。方案中涉及的管道打压试验要求、电缆铺设标准、验收标准等要按照国家和石油行业标准执行。

该项工作以EPC形式分包给了中石油系统内某具有压力管道GA资质单位执行，通过了中石油武汉管理处设计评审，并在工程完成时进行了火炬点火试验及工程验收。

3 结 论

本文详细分析了天然气压气站燃机余热发电项目的三个设计难点及其解决办法。对于新建工程不增加燃机背压的要求，解决方案是增设引风机，核算极端工况下燃机出口至烟囱出口所有阻力，作为引风机的TB点压头；对于烟道荷载不能落在燃机厂房顶部的要求，解决方案是采取单侧悬挑桁架方案，将烟道布置于桁架顶端，大大节约了用钢量和混凝土用量；对于穿过新建厂区的火炬的放空管线及电缆迁改要求，由于设计工作需要压力管道GA资质和满足中石油系统内部诸多要求，解决方案是将该工作以EPC形式分包给中石油系统内部某具有压力管道GA资质的单位实施、火炬点火试验及通过中石油武汉管理处验收。