Газовая турбина или газопоршневой двигатель требуют, чтобы топливный газ поступал в пределах, заданных их производителем по давлению, температуре, чистоте и составу. Блок подготовки и учёта топливного газа — это система блочного исполнения на раме, которая доводит газ из трубопровода или сети до этих пределов: отделяет жидкость и механические примеси, подогревает газ с достаточным запасом над точкой росы, поддерживает давление в требуемом потребителю диапазоне и измеряет расход сжигаемого газа. Исходной точкой проектирования служат требования к топливу конкретной машины, а не параметры питающей сети.
Этим подготовка топливного газа отличается от универсального блока фильтрации и от сетевого редуцирования. Фильтрация и регулирование давления здесь тоже есть, но каждая ступень подбирается и располагается исходя из того, какие параметры газа нужно обеспечить на входном фланце потребителя.
Отправная точка — требования к топливу потребителя
Производители газовых турбин и двигателей публикуют подробные требования к топливному газу и ставят их выполнение условием нормальной работы системы сжигания. Поскольку значения зависят от производителя и модели, каждый блок подготовки проектируется по соответствующему документу. Обычно в требованиях оговариваются:
· Давление подачи и его стабильность: Допустимый диапазон давления на входе и допустимые колебания при изменении нагрузки.
· Температура и перегрев над точкой росы: Требуемый запас над точками росы по углеводородам и по воде; для части оборудования задаётся и верхний предел температуры.
· Механические примеси и жидкость: Ограничения на загрязнения, способные попасть в систему сжигания и топливные регулирующие клапаны.
· Изменение состава и теплоты сгорания: Допустимые диапазоны и скорость изменения теплоты сгорания, числа Воббе и отдельных компонентов.
· Особые примеси: Ограничения на сернистые соединения и другие вещества, вызывающие коррозию.
Почему жидкие углеводороды так опасны
Жидкие углеводороды, уносимые с топливом, могут вызывать перегрев тракта горячих газов турбины и смещение пламени из предусмотренной зоны камеры сгорания, что повреждает её элементы. Поэтому документы производителей требуют эффективной сепарации жидкости и подогрева газа выше точки росы. Например, в руководстве по эксплуатации и обслуживанию одного из производителей тяжёлых газовых турбин рекомендуется перегрев топливного газа примерно на 28 °C (50 °F) над точкой росы по углеводородам в месте присоединения газового регулирующего клапана турбины; точное значение определяется требованиями к топливу этого производителя.
Важно, что запас перегрева должен обеспечиваться на входе потребителя. При снижении давления газ охлаждается за счёт эффекта Джоуля-Томсона и может приблизиться к точке росы, а теплопотери на участке трубопровода между блоком и потребителем тоже необходимо учитывать.
Последовательность функций внутри блока
Конкретная компоновка зависит от проекта, однако в типовом блоке подготовки и учёта топливного газа газ проходит следующие ступени:
1. Входная запорная арматура и отсечной клапан для аварийного прекращения подачи
2. Сепаратор или фильтр-сепаратор для удаления свободной жидкости и механических примесей, с дренажом собранной жидкости по уровню
3. Коалесцирующий фильтр для отделения мелких капель до подогревателей
4. Подогрев газа: предварительный — для компенсации охлаждения при редуцировании, при необходимости рабочий подогреватель для установки температуры на входе потребителя
5. Регулирование давления регуляторами или регулирующими клапанами, с предохранительным запорным клапаном (ПЗК) и предохранительным сбросным клапаном (ПСК) для защиты от превышения давления
6. Учёт расхода: расходомер, измерение давления и температуры, вычислитель расхода
7. Фильтр тонкой очистки и интерфейс с потребителем: защита регулирующих клапанов и обмен сигналами с системой управления потребителя
Руководства производителей называют установку коалесцирующих фильтров перед рабочими подогревателями хорошей практикой: капли, попавшие в подогреватель, испаряются в газ и при последующем охлаждении могут снова сконденсироваться. Типы подогревателей и регулирование температуры подробнее рассмотрены на странице о блоках подогрева, редуцирования и учёта газа.
Регулирование давления и недостаточное давление подачи
Если давление подачи выше требуемого, его снижают регулятором или регулирующим клапаном, а защиту от превышения давления обеспечивают ПЗК и ПСК. Для газовых турбин необходимость удерживать давление при внезапном сбросе нагрузки или аварийном останове определяет быстродействие и пропускную способность линии редуцирования. Если давление подачи ниже требуемого, нужен дожимной компрессор топливного газа. Обычно это отдельная поставка, и её интерфейс с блоком подготовки, включая параметры давления и температуры, следует определить с самого начала.
Учёт расхода и расчёт показателей эффективности
Учёт на блоке топливного газа чаще служит для контроля расхода и эффективности каждого агрегата, а не для коммерческих расчётов. Для расчёта удельного расхода тепла или КПД нужна энергия сожжённого топлива, то есть объём при стандартных условиях или масса, умноженные на теплоту сгорания. Теплота сгорания берётся из потокового анализа газа или из данных поставщика. Коммерческий учёт на границе объекта обычно ведётся на отдельном узле коммерческого учёта.
При выборе расходомера решающими являются диапазон между малым расходом при пуске и расходом при полной нагрузке, допустимые потери давления и то, учитывается ли каждый потребитель отдельно. Если потребитель чувствителен к изменению точки росы по углеводородам или газ поступает из нескольких источников, имеет смысл рассмотреть потоковый газовый хроматограф с расширенным анализом — для контроля и теплоты сгорания, и точки росы.
Проектные критерии блока топливного газа
Параметр | Почему важен при проектировании | Влияние на выбор |
Требования к топливу потребителя | Задают пределы по давлению, температуре, чистоте и составу | Определяют ступени фильтрации, мощность подогрева и схему редуцирования |
Состав питающего газа и точки росы | Показывают необходимый запас перегрева и нагрузку по жидкости | Влияют на тип сепаратора, мощность подогревателя и потребность в анализе |
Диапазон давления подачи | Редуцирование охлаждает газ; низкое давление требует компримирования | Определяет предварительный подогрев, выбор регулятора и интерфейс с компрессором |
Число потребителей и диапазон расходов | Разница между пуском и полной нагрузкой велика | Влияет на число параллельных линий, тип расходомера и резервирование |
Изменения нагрузки и поведение при останове | Давление должно оставаться стабильным при резком изменении расхода | Влияет на быстродействие линии редуцирования и уставки защитных устройств |
Источник тепла | Возможны электроэнергия, горячая вода или сбросное тепло объекта | Определяет тип подогревателя, способ управления и меры для взрывоопасной зоны |
Интерфейс с системой управления | Системе управления потребителя нужны состояние блока и измерения | Определяет перечень сигналов, связь и логику блокировок |
Вклад TLY Enerji
TLY Enerji поддерживает проекты подготовки топливного газа инженерными работами — от сопоставления требований потребителя с параметрами питающего газа до выбора измерительной и регулирующей техники. В зависимости от объёма проекта это может включать поставку расходомеров, датчиков давления и температуры, регулирующих клапанов и потоковых газовых хроматографов; монтаж и пусконаладку КИП; конфигурирование ПЛК или РСУ (DCS); техническую поддержку после пуска. Какая сторона изготавливает блок и где проходят границы поставки, согласуется по проектной документации.
Какие данные подготовить для проекта
· Тип и число потребителей, требования производителя к топливному газу
· Состав питающего газа, точки росы по воде и углеводородам, сведения о случаях уноса жидкости
· Минимальное и максимальное давление подачи и давление, требуемое потребителем
· Расход на агрегат при пуске, частичной и полной нагрузке
· Доступный источник тепла и диапазон температуры окружающего воздуха
· Назначение учёта: контроль эффективности, внутреннее распределение или коммерческие расчёты
· Требования к интерфейсу и аварийному останову (ESD / ПАЗ) со стороны системы управления потребителя
Другие связанные решения
· Блоки фильтрации и учёта газа: Для задач общей защиты от примесей без конкретных требований к топливу.
· Блоки подогрева, редуцирования и учёта газа: Типы подогревателей, регулирование температуры и эффект Джоуля-Томсона подробно.
· Системы измерения и анализа качества природного газа: Потоковое измерение теплоты сгорания и точки росы по углеводородам.
· Блоки редуцирования газа: Выбор регуляторов, ПЗК и ПСК.
Вопросы о подготовке топливного газа
Чем блок подготовки топливного газа отличается от блока фильтрации?
Блок фильтрации в общем виде задерживает механические примеси и жидкость, защищая расходомеры и регуляторы. Блок подготовки топливного газа строится вокруг требований конкретного потребителя: фильтрация проектируется вместе с подогревом, перегревом над точкой росы, стабилизацией давления и учётом расхода. Каждая функция рассчитывается на параметры, которые нужно обеспечить на входном фланце потребителя.
На сколько градусов газ нужно перегревать над точкой росы?
Запас задаётся требованиями к топливу производителя потребителя и различается от машины к машине. Например, один из производителей тяжёлых газовых турбин рекомендует около 28 °C (50 °F) над точкой росы по углеводородам в месте присоединения газового регулирующего клапана. Главное, чтобы запас обеспечивался на входе потребителя, а не только на выходе блока, с учётом редуцирования и теплопотерь в трубопроводе.
Что делать, если давление подачи ниже требуемого турбиной?
В этом случае нужен дожимной компрессор топливного газа, который обычно поставляется отдельным пакетом. Оборудование подготовки может располагаться до компрессора, после него или распределяться по обе стороны. То, как будут решаться вопросы температуры нагнетания и возможного уноса масла из компрессора, влияет на порядок ступеней подготовки, поэтому это нужно определить на старте проекта.
Достаточно ли одного блока для нескольких турбин или двигателей?
Общие функции — фильтрацию и подогрев — можно объединить в одном блоке, однако для контроля эффективности каждого агрегата часто предусматривают отдельный учёт на каждого потребителя. Важны и требования к резервированию: если обслуживание не должно останавливать все агрегаты, линии фильтрации и редуцирования дублируются. Решение принимается исходя из стратегии эксплуатации и режима работы агрегатов.