天然气用气特点及配套工程设计研究

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摘要:大工业用户多具有生产不可间断、用气压力需求稳定、对天然气热值需求恒定等特点。针对以上特点，从合理配置气源、科学选择工艺流程及工艺设备，合理确定供气压力等，总结了燃气配套工程设计的注意事项，以期降低投资成本，提升稳定供应能力。

关键词:大工业用户，燃气配套工程，工业用气

1概述

随着国内天然气基础设施建设的不断完善，配合国家能源战略对天然气资源的布局，除气田自产气外，新时期下我国天然气资源将以进口中亚、南亚、俄罗斯管道气和海运LNG为主，在“十四五”期间改变我国长期天然气资源供需矛盾突出的情况。随着上游气源的落实，下游市场开拓会迎来新一轮增长期。天然气作为燃料及生产原料主要用于钢铁、化工、有色金属冶炼、陶瓷、食品加工、装备制造等行业。以吉林省天然气消费结构为例，2019年工业用气占比37．2%，高于居民用气的18%。在天然气资源供给充分可靠的情况下，工业企业“气代煤”“气代油”工程会越来越多，下面将简述大工业用户的用气特点和燃气配套工程设计注意事项。

2大工业用户的用气特点

1)企业生产不可间断或生产间歇时间短。除非发生不可抗力情况，大工业用户生产需严格遵照生产计划执行，用气设备负荷大，起炉相对困难且不可中断。这要求燃气企业供气同样不可中断，不能因燃气供应不稳定影响用户生产，对用户造成经济损失。2)大工业用户生产用气量较稳定。大工业用户根据企业生产计划，一般月不均匀性波动较小，日不均匀性基本不存在波动。企业生产班次采用一班制、二班制、三班制不同，小时不均匀性存在波动的特点。除非出现停产限产的情况外，大工业用户其日用气量和小时用气量基本保持稳定。3)大工业用户燃烧器要求供气压力稳定。大工业用户用气设备配套的燃烧器对天然气压力要求较敏感，一般会给定供气压力区间，例如30kPa～50kPa，用气设备燃烧器前燃气压力不可高于压力区间上限，也不应小于压力区间下限。燃烧器生产厂家会根据工艺要求在燃烧器前设置天然气稳压或减压装置。4)根据生产工艺要求或对天然气热值有特殊要求。大工业用户根据其生产工艺，有些用气设备对天然气热值要求较严格。以某陶瓷厂为例，其用气设备要求天然气低热值稳定在32MJ/Nm3，高于或低于这个值都会造成煅烧时间增加或减少，对产品的稳定出品有严重影响。5)燃气公司与用气企业天然气贸易计量结算。以某铝厂为例，其在每个用气车间都设置燃气计量表，作为考核每个车间单位产量成本的依据，出现结算时企业所有计量表计数之和与高中压调压计量撬中计量表计数有约0．75%的误差，考虑到该企业约2000万m3的年用气量，用气企业有可能对此误差提出异议。6)厂区内、厂房内生产设备及附属设施管道设置较复杂。大工业用户多为“煤改气”“油改气”项目，厂区内、厂房内原有生产设备及附属设施、管道设置复杂。有些企业完工较早，基础资料提供不全，在进行设计、施工时只能根据现场情况进行布置。

3燃气配套工程设计注意事项

3．1合理配置气源、科学选择工艺流程及工艺设备。在管道气可到达的区域，应优先采用管输气资源，利用用气企业附近已建天然气管网。如企业供气不可中断，则应根据企业周边LNG接收站或LNG液化工厂的位置，结合输气管道事故状态下的中断时间，建设LNG气化站，为企业用气提供双重气源保障。在管道气无法到达的区域。根据GB/T51098—2015城市燃气规划规范相关条文要求，应建设储存规模达企业日用气量3d～10d的LNG气化站作为企业主气源，保证应急状态下的天然气供应安全。如企业周边CNG资源供应充足且CNG减压站可满足企业用气需要，可采用CNG作为企业主气源，利用CNG较LNG的价格差，可显著降低企业用气成本，提高企业用气经济性。同时可采用小型LNG储罐气化一体撬或储罐气化集成应急供气车等方式，保障企业应急用气需求。在气源场站设备选型和工艺流程确定上一定要考虑到大工业用户供气不可中断的特点，具体可总结为过滤、调压、计量应设置备用路，互不影响;工艺设备用电应保证二级负荷并与企业应急供电设施相连;为防止阀门内漏造成停气事故，用气设备前预留阀门设置双阀串联使用等。3．2合理确定供气压力。根据燃烧器的用气参数，预选供气压力和管网管径，根据厂区内燃气管网的布置情况，对最不利支路和最有利环路进行水力计算，避免最不利环路压力过低或在其他设备停用的情况下最有利环路末端压力超压。天然气经济流速根据经验低压燃气管网不宜大于8m/s，中压燃气管网不宜大于20m/s。以水力计算结果为依据确定供气压力，优化燃气管网管径，提高燃气管网建设的经济性，同时保障燃烧器在额定工况下工作。3．3采用天然气掺混其他气体稳定热值。深圳大鹏湾进口LNG高热值可达49．47MJ/Nm3，国家标准GB17820—2018天然气对二类天然气高热值要求不小于31．4MJ/Nm3，可见不同气源因气体组分不同热值差别较大。如企业生产工艺对天然气热值有特殊要求，可在管道设置在线气体色谱仪实时监测计算天然气热值，并设置与气体色谱仪连锁的混气装置。如需要降低热值，则可采用天然气掺混空气(工艺流程参照图1);需要增加热值则采用天然气掺混气态液化石油气或液化天然气，根据燃烧器需用热值要求和来气热值，通过气体色谱仪在线监测，辅助计算机计算调整混气流量。以某玻璃厂为例，其天然气气源由大连LNG接收站海外液化天然气和中俄东线俄气组成，两种气源的不定期切换造成天然气供应热值极不稳定，自2019年12月～2020年3月上游气源热值波动记录详见表1。受天然气热值波动影响，该玻璃厂减产达10%，产品性能下降，缺陷大幅增多，严重影响产品交付，对企业造成重大经济损失。在工程设计中，将上游管道天然气热值仪的反馈数据，连锁增设的液化天然气/空气调压混气撬，根据上游来气热值相应掺混液化天然气和空气，确保低位热值稳定在不低于34．32MJ/Nm3，为生产提供稳定热值的天然气气源。3．4根据企业用气工况确定计量方式和计量表选型。如企业天然气用气是工况稳定，波动较小的情况，可在调压计量撬内采用一块总表计量，分成主路和备用路双路设置。如企业用气工况不稳，波动较大，可根据用气设备的用气工况分组分表进行计量，尽量保证在任意用气工况下各支路燃气流量在计量表的额定流量范围内，降低计量误差。如企业无法与燃气公司针对燃气计量表示数结算达成一致，可在设备或管道计量管段前后设置两块相同的计量表，并保证计量表安装的前后直管段要求，根据同样压力、流量的两块相同计量表的读数进行贸易结算。3．5施工图设计时应根据厂区内、厂房内现状进行优化。首先，应确认厂房事故通风设施设置情况，通过加设紧急切断阀、可燃气体探测报警系统与防爆轴流风机联动，保障厂房内用气安全。其次，燃气管道及附属管支架安装尽量依靠原有设施及建筑墙体，燃气管道沿企业外墙敷设应确认厂房的耐火等级及火灾危险性分类。最后，燃气管道布置应考虑到厂房内原有设施现状及工作情况，不要影响到诸如高空天车的吊装，叉车的搬卸等工作，同时避免受废料处置，烟道清掏等作业影响。要充分考虑一切可能影响燃气管道的因素，审慎选择燃气管道的管位。

4结论和建议

大工业用户是燃气公司的优质客户，其稳定的用气量和所提供的利润事实上弥补了燃气公司在居民供气上所带来的亏损。一般用气量3万Nm3/d的大工业用户，其年用气量已大于一般县级行政区域的居民、商业用户年用气量。因此，设计单位在进行施工图设计时，要充分考量大工业用户的特点，有针对性的进行设计优化，降低大工业用户燃气设施的投资成本，保障其用气的稳定性。在EPC或PC项目中，设计单位应对施工单位的施工全过程进行实时跟踪，且施工过程中不应影响大工业用户正常生产或将生产影响降到最低，同时施工单位要严格落实各项安全生产规章制度，杜绝“三违”现象，做好对相关人员的教育培训、相关设备设施的维护保养及检查等工作，切实保障施工安全，避免安全事故的发生。建议天然气大工业用户可利用调压站天然气减压过程的压力能进行发电和加热天然气。通过设置膨胀机发电机组，将加热天然气的热泵机组使用剩余的发电功率作为场站自用电或提供给企业使用，一定程度上降低用电成本。

参考文献:

［1］袁丹，徐文东，阮宝荣，等．天然气管网及工业气体压力能利用技术开发［J］．煤气与热力，2015，35(9):A30-A33．

［2］王勇，王鸿，刘永华，等．天然气混空气转换人工煤气的探讨［J］．煤气与热力，2006，26(1):5-7．

作者:王泽宗 王振雨 宋朋飞 李 颢 单位:1.长春燃气热力设计研究院有限责任公司 2.辽源市公用事业服务中心