全預混浸沒燃燒天然氣加熱裝置

郭蕭宇， 劉 蓉， 李 清， 史永征， 楊 洋， 王 浩

(1.北京建筑大學北京市供熱供燃氣通風及空調(diào)工程重點實驗室，北京100044；2.北京市燃氣集團有限責任公司，北京100035)

1 概述

長輸天然氣管道壓力級制較高，需經(jīng)燃氣調(diào)壓器降壓后才能進入城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)。在調(diào)壓器調(diào)壓過程中，由于節(jié)流效應，壓力下降1 MPa產(chǎn)生4～5 ℃的溫降[1-2]。在我國北方冬季低溫環(huán)境下，調(diào)壓器調(diào)壓帶來的溫降以及調(diào)壓器進口的持續(xù)低溫導致調(diào)壓站凍堵凍脹問題頻繁出現(xiàn)[2-4]。

針對調(diào)壓器的凍堵凍脹問題，最常用的技術是對管道天然氣加熱，使管道天然氣調(diào)壓后溫度保持在0 ℃以上。目前國內(nèi)有多種管道天然氣加熱技術被廣泛應用，因仍存在各種適應性問題，管道天然氣加熱技術仍有巨大研究空間[5]。

在此背景下，本文介紹了國內(nèi)首例采用全預混浸沒燃燒技術的管道天然氣加熱裝置(下文簡稱全預混浸沒燃燒加熱裝置)及其實際運行效果。

2 我國高中壓管道天然氣加熱技術現(xiàn)狀

目前國內(nèi)有多種管道天然氣加熱技術，諸如：分體式鍋爐水浴加熱、電磁感應加熱、低溫輻射加熱等，但仍存在各種不足：分體式鍋爐水浴加熱在國內(nèi)應用最為廣泛，其應用過程中鍋爐與水浴分離，需單獨設置鍋爐房，導致結(jié)構(gòu)松散，占地面積大。電磁感應加熱利用電磁感應技術，凍堵化解及加熱迅速，但其應用過程中耗電量大，加熱能力有限。低溫輻射加熱利用低溫催化燃燒原理，設備結(jié)構(gòu)相對緊湊，不需要建設鍋爐房，但低溫催化燃燒輻射加熱板國產(chǎn)化技術可靠性差，運行和維護成本高。

浸沒燃燒技術相比于其他加熱方式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、熱效率高等優(yōu)勢。該技術在國內(nèi)多用于LNG的氣化工藝。我們研發(fā)團隊將其首次應用于管道天然氣加熱系統(tǒng)，并采用全預混燃燒方式來實現(xiàn)超低氮氧化物排放，以達到北京市對氮氧化物的排放要求。

3 全預混浸沒燃燒加熱裝置原理

全預混浸沒燃燒加熱裝置的工作原理見圖1。燃氣與空氣混合后在燃燒室中燃燒，高溫煙氣通過煙管上的鼓泡孔進入水浴箱體，與水進行熱交換，換熱后的低溫煙氣通過煙囪排出。被加熱天然氣通過水浴中的天然氣換熱器吸收水的熱量被加熱。

在煙氣與水換熱過程中，因煙氣與水接觸產(chǎn)生大量氣泡，氣泡鼓出的過程增強了上方水體的擾動，進而加強了氣液間對流換熱的強度。

圖1 全預混浸沒燃燒加熱裝置的工作原理

4 全預混浸沒燃燒加熱裝置的應用

4.1 裝置介紹

基于全預混浸沒燃燒技術，筆者所在團隊成功研發(fā)出兩臺功率分別為200 kW和300 kW的全預混浸沒燃燒加熱裝置，裝置將燃燒室與天然氣換熱器置于同一水浴中，避免了分體式鍋爐水浴加熱占地面積大的問題，結(jié)構(gòu)緊湊，單臺裝置整體橇裝。全預混浸沒燃燒加熱裝置見圖2，該裝置由燃燒系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分組成。

圖2 全預混浸沒燃燒加熱裝置

① 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)的主要功能是通過燃燒產(chǎn)生高溫煙氣，使高溫煙氣與水進行熱質(zhì)交換，為水加熱天然氣提供熱源，支持換熱系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

采用低壓天然氣作為燃燒系統(tǒng)氣源，基于全預混和金屬纖維表面燃燒(金屬纖維表面燃燒器見圖3)兩項技術進行設計，以降低氮氧化物的排放。采用風機前預混及零壓混氣[6]的方式，以保證空燃比不受背壓和負荷調(diào)節(jié)的影響。

圖3 金屬纖維表面燃燒器

② 換熱系統(tǒng)

換熱系統(tǒng)包括天然氣換熱器與煙氣-水換熱兩部分。煙氣-水換熱減少了鍋爐房作為熱源時熱水輸送的管路熱損失。因煙氣-水換熱過程中煙氣對水的擾動影響，增強了天然氣換熱器的傳熱效率。整個換熱系統(tǒng)的熱效率可達90%以上。

為減小換熱器尺寸，舍棄了傳統(tǒng)的單管換熱模式，采用盤管式換熱，在保證其滿足受力強度、設計熱負荷的條件下，最大化增加匯管的數(shù)量，以此增大換熱的表面積，增強換熱。盤管式換熱器結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 盤管式換熱器結(jié)構(gòu)

③ 控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)裝置的運行安全，控制系統(tǒng)設置了天然氣換熱器的工況監(jiān)控、水浴液位監(jiān)控、水浴溫度監(jiān)控、水浴pH值監(jiān)控、環(huán)境甲烷濃度監(jiān)控等功能。為了精準加熱、節(jié)約能耗，燃燒加熱采用基于天然氣水合物生成臨界溫度的自動調(diào)控模式。

燃燒加熱自動調(diào)控模式，是根據(jù)管道天然氣氣質(zhì)和壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算出天然氣水合物生成的臨界溫度曲線，如陜京氣(甲烷體積分數(shù)92.83%、乙烷體積分數(shù)4.69%、丙烷體積分數(shù)0.49%、水蒸氣體積分數(shù)0.59%、二氧化碳體積分數(shù)0.92%、其余體積分數(shù)0.48%)天然氣水合物生成的臨界溫度曲線見圖5。若氣質(zhì)比較穩(wěn)定，可將計算的天然氣水合物生成臨界溫度曲線植入控制系統(tǒng)，進行判斷控制；也可直接植入天然氣水合物生成臨界溫度的關聯(lián)式進行判斷控制。判斷控制的依據(jù)為：當管道天然氣溫度低于水合物生成的臨界溫度時，啟動加熱；當管道天然氣溫度高于水合物生成的臨界溫度5 ℃時，停止加熱。

圖5 天然氣水合物生成的臨界溫度曲線

控制系統(tǒng)主體置于一防爆箱體內(nèi)，可在箱體面板上實現(xiàn)裝置狀態(tài)查詢、開關控制等。外部設多個感知探頭，對整機多項狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集和傳輸顯示，諸如：分項供電狀態(tài)、環(huán)境甲烷濃度、水浴pH值、水浴溫度、燃燒運行狀態(tài)、天然氣進出溫度及壓力、自用氣壓力及流量、故障信息等。

4.2 運行案例

作為北京市科技計劃課題“高中壓調(diào)壓站凍堵、凍脹對安全運行影響分析及應對措施研究”的示范內(nèi)容，2017年底在北京某天然氣門站安裝了兩臺全預混浸沒燃燒加熱裝置，并在其后的供暖期投入了實際運行。管道天然氣調(diào)壓前壓力為3 200～3 400 kPa，調(diào)壓后壓力為750～770 kPa，調(diào)壓溫降為13～14 ℃。

兩臺加熱裝置并聯(lián)布置，設備基礎占地面積15 m2，設計加熱天然氣流量為10×104m3/h，溫升10 ℃。額定功率為300 kW的加熱器，設計加熱天然氣流量為6×104m3/h，溫升為11 ℃；額定功率為200 kW的加熱器，設計加熱天然氣流量為4×104m3/h，溫升為10.5 ℃。根據(jù)不同加熱需求選擇性調(diào)整裝置的啟停數(shù)量、運行功率，避免因單臺故障或維修停機造成加熱中斷。

4.3 實際運行效果

加熱裝置水浴溫度40～50 ℃，排煙溫度與水浴溫度基本相同。燃燒器功率可根據(jù)加熱負荷連續(xù)自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為燃燒器額定功率的40%～100%。裝置可遠程控制，從而適應無人值守的環(huán)境要求。圖6為兩臺加熱裝置的遠程控制面板。

圖6 加熱裝置遠程控制面板

① 熱工性能

熱工測試數(shù)據(jù)見圖7。該廠站的流量未達到裝置額定設計流量，以運行期間實測數(shù)據(jù)對裝置的熱工性能進行分析。對于額定功率為300 kW的加熱裝置，以某連續(xù)5 d運行數(shù)據(jù)平均值進行計算，廠站高壓管道天然氣的流量為1.235 6×104m3/h，穩(wěn)定運行功率為120 kW，天然氣溫升為19.25 ℃。對于額定功率為200 kW的加熱裝置，以某連續(xù)4 d運行數(shù)據(jù)平均值進行計算，流量為1.267×104m3/h，穩(wěn)定運行功率為90 kW，天然氣溫升為13.3 ℃。熱工性能均可達到要求。兩臺裝置的加熱效率通過第三方檢測均在90%以上。

② 安全可靠性

a.壓力容器超壓保護可靠性：通過儀表設置模擬了天然氣換熱器超壓(超過4 MPa)情景，可以實現(xiàn)聲光報警及信號遠傳，同時切斷燃燒器運行。

b.天然氣泄漏保護可靠性：模擬了天然氣泄漏情景，可以實現(xiàn)聲光報警及信號遠傳，同時切斷燃燒器運行。

圖7 裝置某階段連續(xù)運行數(shù)據(jù)

c.水浴溫度保護可靠性：運行中手動控制使水浴溫度升高超過保護溫度(70 ℃)時，可以實現(xiàn)聲光報警及信號遠傳，同時切斷燃燒器運行；運行中手動控制使水浴溫度低于保護溫度(5 ℃)時，停止燃燒器運行，可以實現(xiàn)聲光報警及信號遠傳，同時電加熱裝置啟動進入升溫模式。

③ 排放性能

本加熱裝置采用全預混燃燒，空燃比可達1.8，可實現(xiàn)超低氮氧化物排放。第三方檢測的煙氣中氮氧化物質(zhì)量濃度低于10 mg/m3，達到了北京市關于鍋爐排放氮氧化物低于30 mg/m3的要求。