城市天然氣廠站中調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要

摘要：論述了城市天然氣門站、調(diào)壓站、加氣站中調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)的工藝流程和設(shè)備選型與配置。關(guān)鍵詞：天然氣廠站；門站；調(diào)壓站；加氣站；流量計(jì)；調(diào)壓器Design of Pressure Regulation and
摘要：論述了城市天然氣門站、調(diào)壓站、加氣站中調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)的工藝流程和設(shè)備選型與配置。
關(guān)鍵詞：天然氣廠站；門站；調(diào)壓站；加氣站；流量計(jì)；調(diào)壓器
Design of Pressure Regulation and Metering System for City Natural Gas Stations
WU Xiao-feng
Abstract：The process flow，equipment type selection and configuration of pressure regulation and metering system for city natural gas gate station，regulator station and gas filling station are described.
Key words：natural gas station；gate station；regulator station；gas filling station；flowmeter；regulator
   現(xiàn)代化的城市天然氣輸配系統(tǒng)是復(fù)雜的能源綜合設(shè)施，由不同壓力級制的輸配管網(wǎng)、各類天然氣廠站(門站、調(diào)壓站、加氣站等)和信息采集、管理維護(hù)等軟、硬件系統(tǒng)組成[1]。
   根據(jù)各種類型的城市天然氣廠站如城市天然氣門站、調(diào)壓站和CNG標(biāo)準(zhǔn)加氣站的運(yùn)行和供氣特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)其調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)采取不同的配置和選型，本文對此進(jìn)行探討。
1 天然氣門站[2、3]
1.1 工藝流程
   天然氣門站是城市天然氣輸配系統(tǒng)的氣源點(diǎn)，應(yīng)具備過濾、調(diào)壓、計(jì)量、安全切斷、運(yùn)行路和備用路自動切換等主要功能，確保供氣的連續(xù)性、安全性和穩(wěn)定性。為保證天然氣門站供氣的可靠性，在其計(jì)量單元和調(diào)壓單元均設(shè)有備用路[4]。門站調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)工藝流程見圖1。
   ① 計(jì)量單元
   在進(jìn)站高壓流量計(jì)之間設(shè)計(jì)對比流程[1]，在兩個(gè)并聯(lián)流量計(jì)之間增加串聯(lián)回路。在流量計(jì)標(biāo)定時(shí)，將其中任一路的流量計(jì)臨時(shí)更換為標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)，即可對另一路流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。此設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是可使標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)和被檢測的流量計(jì)均在相同的壓力條件下運(yùn)行；缺點(diǎn)是由于標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)的某一組儀表常數(shù)是在與之相應(yīng)的操作條件不變的情況下測得的[5]，在對串聯(lián)的被檢測流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，運(yùn)行工況會因天然氣門站對外供氣而發(fā)生變化，因此需對標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)本身在不同壓力條件下進(jìn)行檢定，以保證其儀表常數(shù)的準(zhǔn)確性和有效性。
   ② 調(diào)壓單元
   每一調(diào)壓路均采用兩臺調(diào)壓器串聯(lián)連接而成。監(jiān)控調(diào)壓器給定出口壓力略高于工作調(diào)壓器的出口壓力，正常情況下，監(jiān)控調(diào)壓器的閥口全開，當(dāng)工作調(diào)壓器失靈，出口壓力上升到監(jiān)控調(diào)壓器的出口壓力設(shè)定值時(shí)，監(jiān)控調(diào)壓器投入運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行路發(fā)生事故，出口壓力仍然上升，運(yùn)行路上的超壓切斷閥發(fā)生作用，將運(yùn)行路關(guān)斷，備用路能自動運(yùn)行供氣。運(yùn)行路和備用路的工作調(diào)壓器和監(jiān)控調(diào)壓器的出口壓力應(yīng)為不同的設(shè)置。調(diào)壓器出口壓力的設(shè)定值按從大到小的順序排列依次為：運(yùn)行路監(jiān)控調(diào)壓器、運(yùn)行路工作調(diào)壓器、備用路監(jiān)控調(diào)壓器、備用路工作調(diào)壓器。調(diào)壓器均采用故障開型，即當(dāng)工作調(diào)壓器出現(xiàn)故障時(shí)為開啟狀態(tài)，此時(shí)該調(diào)壓器后壓力上升，從而啟動監(jiān)控調(diào)壓器。
1.2 流量計(jì)選型設(shè)計(jì)
    上游供氣方對門站的供氣計(jì)量為貿(mào)易交接計(jì)量，隨著計(jì)量技術(shù)的不斷發(fā)展，貿(mào)易交接計(jì)量采用的流量計(jì)已由過去的孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)發(fā)展到目前較為認(rèn)同的渦輪流量計(jì)和超聲波流量計(jì)。
    ① 超聲波流量計(jì)
    公稱直徑為80～1200mm，適用溫度范圍為-40～180℃，公稱壓力≤25.0MPa，計(jì)量精度等級為0.5級，量程比可達(dá)1:130，可雙向計(jì)量，無壓力損失。流量計(jì)上、下游直管段最小長度要求：當(dāng)無整流器時(shí)上游為10D(D為接管管道外徑，以下同)、下游為3D，有整流器時(shí)上游為5D、下游為3D。
    ② 渦輪流量計(jì)
    公稱直徑為50～600mm，適用溫度范圍為-10～65℃，公稱壓力≤4.0MPa(公稱壓力＞4.0MPa時(shí)需進(jìn)口或特殊訂貨)，計(jì)量精度等級為0.5級，量程比可達(dá)1:20、1:30、1:50。單向計(jì)量，對輸送介質(zhì)有最低壓力要求，流量計(jì)本體壓力損失為0.2～1.0kPa。流量計(jì)上游直管段最小長度為2D，有條件時(shí)上游為20D、下游為5D。
   ③ 選型建議
   在實(shí)際工程中，不同結(jié)構(gòu)形式的計(jì)量儀表，即使是同等級計(jì)量精度也會存在差異。用于貿(mào)易交接時(shí)建議采用計(jì)量精度等級為0.5級的計(jì)量儀表。通常情況下，當(dāng)壓力大于4.0MPa、公稱直徑大于600mm時(shí)，建議選用超聲波流量計(jì)。
1.3 調(diào)壓器選型設(shè)計(jì)
    目前運(yùn)行的城市天然氣門站多采用截止式調(diào)壓器和軸流式調(diào)壓器，這兩種調(diào)壓器均為間接作用調(diào)壓器，即通過指揮器與主調(diào)壓器聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。
    ① 截止式調(diào)壓器
    調(diào)壓器的閥口為非全通徑(即閥口全開口徑比調(diào)壓器口徑要小)，閥體采用鑄造，少數(shù)部件鍛造，制造成本比軸流式調(diào)壓器低。氣體下進(jìn)上出，在調(diào)壓器內(nèi)做逆“Z”字形流動，一方面氣體會產(chǎn)生氣蝕，沖刷閥體死角；另一方面氣體在閥體內(nèi)2次轉(zhuǎn)彎會產(chǎn)生一定壓力損失和較大的噪聲。
    ② 軸流式調(diào)壓器
    調(diào)壓器閥體采用鍛鋼制造，與鑄鋼相比鍛鋼的金屬晶粒更細(xì)、更致密，從而具有更高的強(qiáng)度和金屬致密度，鍛鋼閥體在高壓工況下使用安全性更高。
    氣體通過調(diào)壓器時(shí)為直線(軸向)流動，不會產(chǎn)生氣蝕。調(diào)壓器閥口為全通徑(即閥口全開口徑與調(diào)壓器口徑相同)，一方面閥體阻力小、流態(tài)好、同等工況下產(chǎn)生的噪聲比截止式調(diào)壓器小，同等口徑、同等壓力下，軸流式調(diào)壓器的額定流量要高出截止式調(diào)壓器15%以上；另一方面，氣體攜帶的微小固體雜質(zhì)(灰塵等)不易淤積在閥口造成調(diào)壓器關(guān)閉不嚴(yán)等故障，在實(shí)際應(yīng)用中軸流式調(diào)壓器故障率要低于截止式調(diào)壓器。
   ③ 選型建議
   同等規(guī)格的軸流式調(diào)壓器價(jià)格要高出截止式調(diào)壓器25%以上，但從調(diào)壓性能、流通能力及運(yùn)行維護(hù)等方面綜合考慮，軸流式調(diào)壓器的整體性能要優(yōu)于截止式調(diào)壓器，尤其是在高壓(壓力＞2.5MPa)工況下，軸流式調(diào)壓器安全性更高。實(shí)際工程證實(shí)，軸流式調(diào)壓器具有噪聲低、流量大、故障率低的優(yōu)點(diǎn)。建議在城市天然氣門站的調(diào)壓器選型時(shí)優(yōu)先考慮采用軸流式調(diào)壓器。
2 調(diào)壓站[6～10]
    調(diào)壓站按使用功能可分為區(qū)域調(diào)壓站、專用調(diào)壓站和調(diào)壓箱(柜)[11]。
2.1 區(qū)域調(diào)壓站
    區(qū)域調(diào)壓站流程與城市天然氣門站基本相同，為保證供氣的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)采用兩路及以上(除運(yùn)行路、備用路外，可根據(jù)工程具體情況預(yù)留調(diào)壓路)，每一調(diào)壓路均采用兩臺調(diào)壓器串聯(lián)連接而成。
2.2 專用調(diào)壓站
    專用調(diào)壓站特定向單一用戶供氣，供應(yīng)對象多為用氣量較大的工業(yè)用戶，其特點(diǎn)是供氣量大、穩(wěn)定性要求高(一般要求為24h連續(xù)供氣)，一旦出現(xiàn)停氣事故將給供氣對象造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對于此類調(diào)壓站設(shè)計(jì)時(shí)采用兩路(一用一備)，選用計(jì)量精度等級為0.5級的計(jì)量儀表以滿足貿(mào)易計(jì)量要求。
2.3 調(diào)壓箱(柜)
   用戶調(diào)壓箱(柜)的功能是接受城市中壓管網(wǎng)來氣，并將天然氣壓力降至2500～3000Pa，輸送至庭院低壓管道供應(yīng)居民用戶使用[11]。調(diào)壓箱(柜)工藝流程(采用兩路調(diào)壓)見圖2。
 
   調(diào)壓單元設(shè)計(jì)為兩路或一路加旁通管，采用截止式調(diào)壓器。采用兩路調(diào)壓的系統(tǒng)正常工作時(shí)，一臺調(diào)壓器工作，另一臺作為備用(關(guān)閉狀態(tài))。調(diào)壓器均采用故障開型，當(dāng)工作調(diào)壓器發(fā)生故障、出口壓力高于設(shè)定值時(shí)，運(yùn)行路的切斷閥關(guān)閉、出口壓力降低，當(dāng)下降到備用調(diào)壓器的設(shè)定出口壓力時(shí)，備用調(diào)壓器自動啟動工作。運(yùn)行路切斷閥動作壓力應(yīng)小于備用路切斷閥動作壓力。此外，當(dāng)用氣異常增大或進(jìn)口壓力降低造成運(yùn)行路出口壓力下降時(shí)，備用路投入運(yùn)行，兩條調(diào)壓路同時(shí)工作，滿足增大的用氣需求。如無特殊要求，可不設(shè)置計(jì)量單元。
3 CNG標(biāo)準(zhǔn)加氣站[12～17]
3.1 工藝流程
   CNG標(biāo)準(zhǔn)加氣站從城市天然氣輸配系統(tǒng)的輸氣管道上取氣，進(jìn)站的原料天然氣先進(jìn)行過濾、調(diào)壓、計(jì)量，再通過脫硫、脫水裝置有效地脫除原料天然氣中所含的H2S、水分，使其達(dá)到《車用壓縮天然氣》GB 18047—2000的要求，再由緩沖罐緩沖后進(jìn)入天然氣壓縮機(jī)增壓至25.0MPa，加壓后的成品CNG經(jīng)順序控制盤、儲氣設(shè)施，再通過加氣機(jī)給CNG汽車加氣。
3.2 進(jìn)氣調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)
   CNG標(biāo)準(zhǔn)加氣站的核心設(shè)備是天然氣壓縮機(jī)，當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力較高時(shí)，可相應(yīng)減少1～2級壓縮，單位產(chǎn)氣的壓縮能耗相應(yīng)降低。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)詳細(xì)分析供氣管道的運(yùn)行工況，合理配置加氣站進(jìn)氣調(diào)壓系統(tǒng)，在保證壓縮機(jī)穩(wěn)定工作的前提下盡可能降低加氣站壓縮能耗。加氣站調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)工藝流程見圖3。
 
    加氣站調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)由進(jìn)站緊急切斷閥(電動或氣動)、調(diào)壓單元和計(jì)量單元組成。由于加氣站一般每日運(yùn)行12～16h，調(diào)壓單元可采用“1+1”結(jié)構(gòu)，即“工作路+手動旁路”。計(jì)量單元采用渦輪流量計(jì)，僅作為內(nèi)部經(jīng)營核算時(shí)可采用計(jì)量精度等級為1.0、1.5級的流量計(jì)；需與供氣方貿(mào)易結(jié)算時(shí)，采用計(jì)量精度等級為0.5級的流量計(jì)。
3.3 調(diào)壓器選型
    CNG標(biāo)準(zhǔn)加氣站所選用的天然氣壓縮機(jī)對第一級壓縮的吸氣壓力有較高的要求，如超出其正常工作的吸氣壓力范圍，壓縮機(jī)無法正常啟動。
    ① 進(jìn)站壓力較為穩(wěn)定的條件下調(diào)壓器選擇
    當(dāng)進(jìn)站壓力較為穩(wěn)定時(shí)，調(diào)壓器可選用截止式調(diào)壓器，將進(jìn)加氣站的天然氣壓力調(diào)至壓縮機(jī)正常工作的吸氣壓力范圍內(nèi)即可。
    ② 進(jìn)站壓力波動較大的條件下調(diào)壓器選擇
    以某一實(shí)際工程為例，進(jìn)站天然氣壓力在0.6～1.6MPa范圍內(nèi)波動，可供選擇的天然氣壓縮機(jī)有兩種規(guī)格：第1種進(jìn)氣壓力為(0.8±0.2)MPa，4級壓縮，排氣量為828m3/h，排氣壓力為25.0MPa，電動機(jī)功率為132kW；第2種，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力為(0.5±0.1)MPa，4級壓縮，排氣量為720m3/h，排氣壓力為25.0MPa，電動機(jī)功率為132kW。對應(yīng)以上兩種規(guī)格壓縮機(jī)，有兩套設(shè)計(jì)方案。
    a. 方案一
    選用2臺排氣量為828m3/h、壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力為(0.8±0.2)MPa的天然氣壓縮機(jī)，單位產(chǎn)氣的壓縮能耗為0.16kW·h/m3；選用軸流式調(diào)壓器，設(shè)定調(diào)壓器后壓力值為0.8MPa(進(jìn)氣壓力在0.8MPa以下時(shí)，調(diào)壓器具備直通功能)。
    b. 方案二
    選用2臺排氣量為720m3/h、壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力為(0.5±0.1)MPa的天然氣壓縮機(jī)，單位產(chǎn)氣的壓縮能耗為0.18kW·h/m3；選用截止式調(diào)壓器，設(shè)定調(diào)壓器后壓力值為0.5MPa。
    c. 方案比選
    方案一的造價(jià)與方案二基本相當(dāng)(只是方案一選用的調(diào)壓器造價(jià)略高于方案二)，按標(biāo)準(zhǔn)加氣站1.5×104m3/d的供氣規(guī)模計(jì)算，方案一比方案二在壓縮能耗方面每年可節(jié)約用電約13×104kW·h/a。故該工程采用方案一作為實(shí)施方案。
    當(dāng)進(jìn)站壓力波動較大時(shí)，合理地配置加氣站進(jìn)氣調(diào)壓系統(tǒng)，可以做到盡可能地利用進(jìn)站天然氣壓力能、降低加氣站壓縮能耗、提高工程的經(jīng)濟(jì)性。
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(本文作者：吳筱峰 中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院 湖北武漢 430010)