燃气电厂天然气调压器超压失效实例分析

任 岩

(河北华电石家庄热电有限公司,河北 石家庄 050041)

河北华电石家庄热电有限公司建设2×453 MW级天然气热电联产工程,配套天然气调压站按工艺流程包括入口单元、过滤/分离单元、加热单元、调压单元、压缩单元等。调压单元共配置3×50%总流量的调压管线,其中2条调压管线为工作路,分别供给下游的2台燃机使用,第3条为共用备用路。每条调压管线设计流量为总流量的50%,串连配置1台超压安全切断阀(HSV086)、1台监控调压器(R100S-M)及1台工作调压器(R100S-SO),同时配置进出口隔断球阀、止回阀、放散阀以及必要的压力仪表等,保证天然气调压、稳压、连续输出。

1 调压工作原理

1.1 调压单元工作原理

调压单元共配置“两运一备”3条调压管线。当一条工作路失效关闭时,备用路将自动进行调压工作,以满足燃机使用要求。

调压单元工作原理如下:正常运行时,天然气调压由调压器来完成,通过调节调压器指挥器调节螺钉,可以实现调压器出口压力维持某一定值。如果由于某种原因造成调压器出口压力超高,且高于安全切断阀的设定切断值时,安全切断阀将在3 s内紧急切断,并发出报警信号。此时该调压管线停止工作,而备用调压管线开始工作(这是通过工作路与备用路的调压器设定值不同来实现的)。同时设置安全放散阀,一旦超压,安全放散阀动作,保证设备不受伤害[1]。调压单元整定压力见表1。

表1 调压单元整定压力 MPa

1.2 调压器工作原理

调压器原理见图1[2]。当调压器出口压力和天然气流量基本不变时,主膜片上面受到的压力和下面受到的出口压力加上弹簧的弹力保持平衡。若调压器出口天然气流量变小,比如机组甩负荷时,出口压力升高,调压器直接调节(主阀):调压器阀芯受力向上移动,流通面积减小,膜片向上移动,控制腔体积减小,弹簧伸展;调压器间接调节(指挥器P095):出口压力升高,使膜片向上移动,供气阀减少天然气经由限流器进入控制腔,使得控制腔压力降低,直至出口压力与指挥器设定值相等。若调压器出口天然气流量变大,比如机组升负荷时,系统响应过程相反。

图1 R100S+P095调压器原理

2 故障概况

2.1 故障描述

因调压站室外来气电动总阀电动执行机构故障,运行人员只能手动开启或关闭该阀门。夏季燃机每日均启动调峰,为缩短启动时间,运行人员未关闭该来气电动总阀,停机状态下多次发生因调压线出口压力超压、安全切断阀动作的现象。检查现场设备未发现异常,安全切断阀复位后,调压单元工作正常。

2.2 故障排查

2.2.1 上游天然气来气压力周期性波动

截取2019年1月1日至2019年7月25日上游来气压力数据:1月31日,通球及吹扫管道,压力降至0.29 MPa;2月11日,压力为1.58 MPa;近三月大部分时间压力为2.5～3.6 MPa。

2.2.2 实时数据曲线分析

实时数据曲线见图2。

图2 实时数据曲线

时段1:时段1前,上游来气压力迅速降低至2.96 MPa,调压线出口压力跟随上游来气迅速降低,时段1开始,上游来气压力迅速升高后逐渐降低,调压线出口压力跟随。时段1后,燃机启动,调压器开始正常工作。

时段2:燃机停机后,上游来气压力不稳,迅速上升,此时调压器未关闭,调压线出口压力跟随上游来气压力上升,因燃机停机管道无流量,调压器无法有效调压,调压线出口压力跟随上游来气波动。时段2期间,7:30-7:44,调压线出口压力最高达3.56 MPa,安全切断阀自动关闭(整定值3.50 MPa)。

时段2后,12:30-12:44,因燃机启动,调压线出口压力迅速下降,但此时安全切断阀已自关(2号调压管线和备用均关闭),造成燃机点火后,天然气压力低跳机。复位备用安全切断阀后,燃机启动,调压器工作正常。

时段3:时段3前,上游来气压力迅速降低至3.23 MPa,调压线出口压力开始跟随上游来气迅速降低。时段3期间,调压线出口压力跟随上游来气压力降低至3.15 MPa,后又开始猛涨至3.50 MPa,安全切断阀未动作(7月23日,安全切断阀已整定至略高于3.50 MPa)。随着上游压力逐渐回落,调压线出口压力也逐渐降低。时段3末,燃机启动,调压器开始正常工作。

3 原因分析

根据R100S-(M)气体调压系统操作维护手册,在正常条件下且没有气体输出时,监控器的指挥器总是排出微量的气体直到监控器完全关闭。

3.1 曲线分析

根据曲线分析,燃机启动状态下,调压器工作正常;燃机停机状态下,调压线出口压力有时跟随上游波动,有时不跟随上游波动,说明停机状态下,调压器有时不能有效关闭,有时能有效关闭。而不能有效关闭的情况均存在上游来气压力迅速降低然后升高的现象,故可以推断该现象主要是因为上游压力迅速降低后,调压器指挥器的进口调节阀芯(稳压器)进气压力过低,无法正常工作,控制腔内的气体无法通过指挥器上的限流器流向下游,控制腔的压力大于出口压力,阀芯在弹簧的作用下不严密的关闭。此时,调压线出口压力与上游来气压力保持一致,逐渐降低;当上游来气压力逐渐升高时,调压线出口压力又逐渐升高。当升高至指挥器稳压器工作压力时,因为此时调压器阀芯微微开启,且下游无用气流量,作用在主膜片上的力是缓慢的动态平衡状态,调压器阀芯不动,仍保持微微开启状态,调压线出口压力随着上游来气压力逐渐升高。如果此时调压线出口压力升高至安全切断阀压力整定值,则安全切断阀自动关闭;如果调压线出口压力始终没有达到安全切断阀压力整定值,待到燃机启动,下游有流量时,调压器开始正常工作。

3.2 原因总结

无论启机或停机状态,调压器正常工作必须保证上游来气压力在一定范围内波动,上游来气压力的波动对调压管线是否正常工作有重要影响。

当上游来气压力大于3.2 MPa或略低于3.2 MPa时,如果下游燃机启动,调压线有流量,则调压器能正常工作,调压线出口压力不超压,安全切断阀在开位,调压线工作正常。当下游燃机停机,调压线无流量,监控调压器和工作调压器自动关闭,且上游来气压力远低于3.2 MPa时,监控调压器和工作调压器的指挥器无法正常工作,导致监控调压器和工作调压器不严密的关闭,使得调压线出口压力跟随上游压力波动。待上游来气压力逐渐上涨,因无流量监控调压器和工作调压器始终无法调压,导致调压线出口压力跟随上游来气压力逐渐上涨,涨到3.50 MPa超压时,安全切断阀自动关闭。

4 防范措施及实施效果

综上,由于霍尼韦尔R100S系列调压器为自力式调压器,当调压器无流量且上游来气压力不稳时,调压线的安全切断阀存在自关风险。为避免此风险,在停机状态下,可将调压站室外来气电动总门关闭,防止上游来气压力波动造成安全切断阀关闭。

通过采取措施,2019-2020年供暖期,调压器工作正常,未发生超压失效现象。2020年夏季燃机调峰期间,上游天然气来气压力也发生过压力波动现象,因主动采取措施,停机后将调压站室外来气电动总门关闭,未再次发生超压失效现象,确保了机组稳定与安全。