燃?xì)怆姀S天然氣調(diào)壓器超壓失效實例分析

任 巖

(河北華電石家莊熱電有限公司,河北 石家莊 050041)

河北華電石家莊熱電有限公司建設(shè)2×453 MW級天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程,配套天然氣調(diào)壓站按工藝流程包括入口單元、過濾/分離單元、加熱單元、調(diào)壓單元、壓縮單元等。調(diào)壓單元共配置3×50%總流量的調(diào)壓管線,其中2條調(diào)壓管線為工作路,分別供給下游的2臺燃機(jī)使用,第3條為共用備用路。每條調(diào)壓管線設(shè)計流量為總流量的50%,串連配置1臺超壓安全切斷閥(HSV086)、1臺監(jiān)控調(diào)壓器(R100S-M)及1臺工作調(diào)壓器(R100S-SO),同時配置進(jìn)出口隔斷球閥、止回閥、放散閥以及必要的壓力儀表等,保證天然氣調(diào)壓、穩(wěn)壓、連續(xù)輸出。

1 調(diào)壓工作原理

1.1 調(diào)壓單元工作原理

調(diào)壓單元共配置“兩運(yùn)一備”3條調(diào)壓管線。當(dāng)一條工作路失效關(guān)閉時,備用路將自動進(jìn)行調(diào)壓工作,以滿足燃機(jī)使用要求。

調(diào)壓單元工作原理如下:正常運(yùn)行時,天然氣調(diào)壓由調(diào)壓器來完成,通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器指揮器調(diào)節(jié)螺釘,可以實現(xiàn)調(diào)壓器出口壓力維持某一定值。如果由于某種原因造成調(diào)壓器出口壓力超高,且高于安全切斷閥的設(shè)定切斷值時,安全切斷閥將在3 s內(nèi)緊急切斷,并發(fā)出報警信號。此時該調(diào)壓管線停止工作,而備用調(diào)壓管線開始工作(這是通過工作路與備用路的調(diào)壓器設(shè)定值不同來實現(xiàn)的)。同時設(shè)置安全放散閥,一旦超壓,安全放散閥動作,保證設(shè)備不受傷害[1]。調(diào)壓單元整定壓力見表1。

表1 調(diào)壓單元整定壓力 MPa

1.2 調(diào)壓器工作原理

調(diào)壓器原理見圖1[2]。當(dāng)調(diào)壓器出口壓力和天然氣流量基本不變時,主膜片上面受到的壓力和下面受到的出口壓力加上彈簧的彈力保持平衡。若調(diào)壓器出口天然氣流量變小,比如機(jī)組甩負(fù)荷時,出口壓力升高,調(diào)壓器直接調(diào)節(jié)(主閥):調(diào)壓器閥芯受力向上移動,流通面積減小,膜片向上移動,控制腔體積減小,彈簧伸展;調(diào)壓器間接調(diào)節(jié)(指揮器P095):出口壓力升高,使膜片向上移動,供氣閥減少天然氣經(jīng)由限流器進(jìn)入控制腔,使得控制腔壓力降低,直至出口壓力與指揮器設(shè)定值相等。若調(diào)壓器出口天然氣流量變大,比如機(jī)組升負(fù)荷時,系統(tǒng)響應(yīng)過程相反。

圖1 R100S+P095調(diào)壓器原理

2 故障概況

2.1 故障描述

因調(diào)壓站室外來氣電動總閥電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障,運(yùn)行人員只能手動開啟或關(guān)閉該閥門。夏季燃機(jī)每日均啟動調(diào)峰,為縮短啟動時間,運(yùn)行人員未關(guān)閉該來氣電動總閥,停機(jī)狀態(tài)下多次發(fā)生因調(diào)壓線出口壓力超壓、安全切斷閥動作的現(xiàn)象。檢查現(xiàn)場設(shè)備未發(fā)現(xiàn)異常,安全切斷閥復(fù)位后,調(diào)壓單元工作正常。

2.2 故障排查

2.2.1 上游天然氣來氣壓力周期性波動

截取2019年1月1日至2019年7月25日上游來氣壓力數(shù)據(jù):1月31日,通球及吹掃管道,壓力降至0.29 MPa;2月11日,壓力為1.58 MPa;近三月大部分時間壓力為2.5～3.6 MPa。

2.2.2 實時數(shù)據(jù)曲線分析

實時數(shù)據(jù)曲線見圖2。

圖2 實時數(shù)據(jù)曲線

時段1:時段1前,上游來氣壓力迅速降低至2.96 MPa,調(diào)壓線出口壓力跟隨上游來氣迅速降低,時段1開始,上游來氣壓力迅速升高后逐漸降低,調(diào)壓線出口壓力跟隨。時段1后,燃機(jī)啟動,調(diào)壓器開始正常工作。

時段2:燃機(jī)停機(jī)后,上游來氣壓力不穩(wěn),迅速上升,此時調(diào)壓器未關(guān)閉,調(diào)壓線出口壓力跟隨上游來氣壓力上升,因燃機(jī)停機(jī)管道無流量,調(diào)壓器無法有效調(diào)壓,調(diào)壓線出口壓力跟隨上游來氣波動。時段2期間,7:30-7:44,調(diào)壓線出口壓力最高達(dá)3.56 MPa,安全切斷閥自動關(guān)閉(整定值3.50 MPa)。

時段2后,12:30-12:44,因燃機(jī)啟動,調(diào)壓線出口壓力迅速下降,但此時安全切斷閥已自關(guān)(2號調(diào)壓管線和備用均關(guān)閉),造成燃機(jī)點火后,天然氣壓力低跳機(jī)。復(fù)位備用安全切斷閥后,燃機(jī)啟動,調(diào)壓器工作正常。

時段3:時段3前,上游來氣壓力迅速降低至3.23 MPa,調(diào)壓線出口壓力開始跟隨上游來氣迅速降低。時段3期間,調(diào)壓線出口壓力跟隨上游來氣壓力降低至3.15 MPa,后又開始猛漲至3.50 MPa,安全切斷閥未動作(7月23日,安全切斷閥已整定至略高于3.50 MPa)。隨著上游壓力逐漸回落,調(diào)壓線出口壓力也逐漸降低。時段3末,燃機(jī)啟動,調(diào)壓器開始正常工作。

3 原因分析

根據(jù)R100S-(M)氣體調(diào)壓系統(tǒng)操作維護(hù)手冊,在正常條件下且沒有氣體輸出時,監(jiān)控器的指揮器總是排出微量的氣體直到監(jiān)控器完全關(guān)閉。

3.1 曲線分析

根據(jù)曲線分析,燃機(jī)啟動狀態(tài)下,調(diào)壓器工作正常;燃機(jī)停機(jī)狀態(tài)下,調(diào)壓線出口壓力有時跟隨上游波動,有時不跟隨上游波動,說明停機(jī)狀態(tài)下,調(diào)壓器有時不能有效關(guān)閉,有時能有效關(guān)閉。而不能有效關(guān)閉的情況均存在上游來氣壓力迅速降低然后升高的現(xiàn)象,故可以推斷該現(xiàn)象主要是因為上游壓力迅速降低后,調(diào)壓器指揮器的進(jìn)口調(diào)節(jié)閥芯(穩(wěn)壓器)進(jìn)氣壓力過低,無法正常工作,控制腔內(nèi)的氣體無法通過指揮器上的限流器流向下游,控制腔的壓力大于出口壓力,閥芯在彈簧的作用下不嚴(yán)密的關(guān)閉。此時,調(diào)壓線出口壓力與上游來氣壓力保持一致,逐漸降低;當(dāng)上游來氣壓力逐漸升高時,調(diào)壓線出口壓力又逐漸升高。當(dāng)升高至指揮器穩(wěn)壓器工作壓力時,因為此時調(diào)壓器閥芯微微開啟,且下游無用氣流量,作用在主膜片上的力是緩慢的動態(tài)平衡狀態(tài),調(diào)壓器閥芯不動,仍保持微微開啟狀態(tài),調(diào)壓線出口壓力隨著上游來氣壓力逐漸升高。如果此時調(diào)壓線出口壓力升高至安全切斷閥壓力整定值,則安全切斷閥自動關(guān)閉;如果調(diào)壓線出口壓力始終沒有達(dá)到安全切斷閥壓力整定值,待到燃機(jī)啟動,下游有流量時,調(diào)壓器開始正常工作。

3.2 原因總結(jié)

無論啟機(jī)或停機(jī)狀態(tài),調(diào)壓器正常工作必須保證上游來氣壓力在一定范圍內(nèi)波動,上游來氣壓力的波動對調(diào)壓管線是否正常工作有重要影響。

當(dāng)上游來氣壓力大于3.2 MPa或略低于3.2 MPa時,如果下游燃機(jī)啟動,調(diào)壓線有流量,則調(diào)壓器能正常工作,調(diào)壓線出口壓力不超壓,安全切斷閥在開位,調(diào)壓線工作正常。當(dāng)下游燃機(jī)停機(jī),調(diào)壓線無流量,監(jiān)控調(diào)壓器和工作調(diào)壓器自動關(guān)閉,且上游來氣壓力遠(yuǎn)低于3.2 MPa時,監(jiān)控調(diào)壓器和工作調(diào)壓器的指揮器無法正常工作,導(dǎo)致監(jiān)控調(diào)壓器和工作調(diào)壓器不嚴(yán)密的關(guān)閉,使得調(diào)壓線出口壓力跟隨上游壓力波動。待上游來氣壓力逐漸上漲,因無流量監(jiān)控調(diào)壓器和工作調(diào)壓器始終無法調(diào)壓,導(dǎo)致調(diào)壓線出口壓力跟隨上游來氣壓力逐漸上漲,漲到3.50 MPa超壓時,安全切斷閥自動關(guān)閉。

4 防范措施及實施效果

綜上,由于霍尼韋爾R100S系列調(diào)壓器為自力式調(diào)壓器,當(dāng)調(diào)壓器無流量且上游來氣壓力不穩(wěn)時,調(diào)壓線的安全切斷閥存在自關(guān)風(fēng)險。為避免此風(fēng)險,在停機(jī)狀態(tài)下,可將調(diào)壓站室外來氣電動總門關(guān)閉,防止上游來氣壓力波動造成安全切斷閥關(guān)閉。

通過采取措施,2019-2020年供暖期,調(diào)壓器工作正常,未發(fā)生超壓失效現(xiàn)象。2020年夏季燃機(jī)調(diào)峰期間,上游天然氣來氣壓力也發(fā)生過壓力波動現(xiàn)象,因主動采取措施,停機(jī)后將調(diào)壓站室外來氣電動總門關(guān)閉,未再次發(fā)生超壓失效現(xiàn)象,確保了機(jī)組穩(wěn)定與安全。