摘　要：分析了天然氣調(diào)壓橇系統(tǒng)的配置，包括安全切斷閥的選擇，調(diào)壓設備(調(diào)壓器和調(diào)節(jié)閥)類型和結構形式的選擇，主要功能閥(安全切斷閥、工作調(diào)壓設備、監(jiān)控調(diào)壓設備等)的配置，減壓級的選擇。

關鍵詞：天然氣調(diào)壓；  調(diào)壓橇；  系統(tǒng)配置；  安全切斷閥；  調(diào)壓器；  調(diào)節(jié)閥

Configuration of Natural Gas Pressure Regulating Skid System

Abstract：The configuration of gas pressure regulating skid system is analyzed，including the selection of safety shut-off valve，the selection of pressure regulating equipment(pressure regulator and control valve)type and structure form，the configuration of main function valves(safety shut-off valve，pressure regulating equipment，monitoring pressure regulating equipment and so on)and the selection of pressure reducing grade．

Keywords：natural gas pressure regulating；pressure regulating skid；system configuration；safety shut-off valve；pressure regulator；control valve

1　概述

本文所討論的調(diào)壓橇，包括輸氣管道分輸站內(nèi)的調(diào)壓橇，也包括城市門站、調(diào)壓站內(nèi)的調(diào)壓橇以及壓縮天然氣(CNG)減壓橇，在此統(tǒng)稱調(diào)壓橇，它是集過濾分離、安全切斷、氣體加熱、氣體減壓穩(wěn)壓等功能于一體的集成橇裝系統(tǒng)。

較之歐洲200多年的天然氣工業(yè)歷史，我國天然氣行業(yè)發(fā)展較晚，基礎較弱，在標準上、技術上、經(jīng)驗上、人才上都有著明顯差距。從行業(yè)層面上，我國沒有1.6MPa以上天然氣調(diào)壓橇的行業(yè)標準，各設計單位也都只能參照歐洲標準執(zhí)行。從企業(yè)層面上，我國現(xiàn)有的橇裝站生產(chǎn)廠家技術水平參差不齊，對專業(yè)標準的理解也有很大差異，技術人員從業(yè)時間相對較短，大多數(shù)企業(yè)與國外專業(yè)公司學習交流先進技術的機會較少，與國際先進水平差距較大。

調(diào)壓橇的主要功能是實現(xiàn)在入口壓力不斷變化和下游流量不斷變化下，經(jīng)調(diào)壓橇后獲得一個穩(wěn)定的出口壓力。調(diào)壓橇一般由進出口閥門、過濾器、安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器、工作調(diào)壓器(或工作調(diào)節(jié)閥)等組成。其中核心設備是安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器和工作調(diào)壓器。這些核心設備的選擇和配置方案很大程度上決定著調(diào)壓橇的品質(zhì)和可靠性，下面我們就這些核心設備的配置原則做一些探討。

2　安全切斷閥的選擇

安全性是調(diào)壓橇設計的重中之重。在調(diào)壓橇的核心設備中，最重要的設備之一是安全切斷閥(又叫作緊急安全切斷閥)，它安裝在調(diào)壓器上游，位于調(diào)壓橇的入口位置，在緊急情況下，當安全閥放散、監(jiān)控調(diào)壓器動作等一系列安全措施動作(或失效)后，下游氣體仍然持續(xù)超壓時，通過快速關斷來切斷上游來氣。它是保護整站安全，避免因調(diào)壓器失效造成下游超壓的最后一道安全屏障。因此，要求它必須反應靈敏、切斷迅速、可靠性高、抗外界干擾能力強。

目前市場上有各種型式的安全切斷閥，有自力式的、氣動的、電動的等?，F(xiàn)實情況是，如果設計文件沒有明確提出要求，大多數(shù)廠家在選用安全切斷閥時會主要考慮成本，而不是安全可靠性。例如，在壓力高達20MPa的CNG減壓橇市場，因進口高壓自力式安全切斷閥價格較高，國內(nèi)又沒有成熟的高壓自力式安全切斷閥產(chǎn)品，因而廠家大多選用價格低廉的國產(chǎn)氣動安全切斷閥。在筆者走訪過的CNG儲配站中，看到國產(chǎn)氣動安全切斷閥經(jīng)常有漏氣，提供動力氣源的氮氣瓶很少進行定期檢測和定期查驗剩余壓力，有的儲配站甚至連氣動氣源氮氣瓶都沒有配備，氣動安全切斷閥就成了擺設，一旦調(diào)壓器出現(xiàn)故障，其危險程度可想而知。

調(diào)壓橇上的安全切斷閥應選用自力式的安全切斷閥。自力式安全切斷閥是不依靠外界動力(如電動、氣動、液動等)，僅依靠管道自身壓力和閥門內(nèi)部彈簧儲能自動工作的安全切斷裝置。它具有切斷迅速、可靠性高、抗干擾能力強等特點，不存在因停電、線圈老化、氣壓不足等潛在可能因素造成誤動作或不動作的風險，也不存在因操作人員疏忽，沒有及時更換或維護動力氣源、電源而造成的人為失誤風險。因此，調(diào)壓橇上的安全切斷閥應首選自力式安全切斷閥。如果選用氣動或電動安全切斷閥，則必須保證動力氣源或電源的持續(xù)可靠供給，并且當動力氣源或電源出現(xiàn)失效時，閥門必須處于切斷狀態(tài)。這對產(chǎn)品質(zhì)量和操作人員的素質(zhì)水平提出了更高的要求。

3　調(diào)壓器和調(diào)節(jié)閥的選擇

3.1　調(diào)壓設備類型的選擇

調(diào)壓設備包括調(diào)壓器、調(diào)節(jié)閥。工作調(diào)壓器或調(diào)節(jié)閥是調(diào)壓橇的核心功能設備，擔負著核心任務——減壓穩(wěn)壓。目前行業(yè)內(nèi)使用的工作調(diào)節(jié)閥主要有氣動式調(diào)節(jié)閥、電動式調(diào)節(jié)閥。我們看到電動式調(diào)節(jié)閥作為工作調(diào)節(jié)閥越來越多地應用到各個廠站上。

在早期的天然氣輸配工程中，下游用戶數(shù)量有限，而天然氣供氣量穩(wěn)定且因大規(guī)模儲存設備不足，上游公司往往希望下游用戶公司多用氣，簽訂的用氣合同也多為照付不議合同，調(diào)壓橇的主要功能是減壓穩(wěn)壓。這期間，工作調(diào)壓設備主要以調(diào)壓器為主，因為調(diào)壓器是各種工作調(diào)壓設備中反應速度最快、精度最高、穩(wěn)定性和可靠性最好的。

隨著燃氣市場的蓬勃發(fā)展，下游用氣量越來越大，上游供氣能力開始受到挑戰(zhàn)，在用氣高峰季節(jié)就會出現(xiàn)供不應求的局面，上游公司開始提出限流的要求，以對不同用戶進行流量分配。這個時候既可以按壓力信號控制閥口開度實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)，還可以按流量信號控制閥門開度實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)閥就被大量應用了。

調(diào)節(jié)閥按驅(qū)動形式可以分為氣動調(diào)節(jié)閥和電動調(diào)節(jié)閥。在我國氣動調(diào)節(jié)閥的動力氣源主要是儀表風(由站內(nèi)提供的壓縮空氣)，在國外除儀表風外，還可以是管道氣經(jīng)減壓后就地用作氣動氣源。國內(nèi)設計人員出于受國內(nèi)標準所限和對安全的考慮，一般不使用管道氣做氣動氣源。氣動調(diào)節(jié)閥的優(yōu)點是反應速度快，尤其是相對于電動調(diào)節(jié)閥。缺點是在國內(nèi)項目中需要配置儀表風，在沒有配置儀表風的廠站就不能應用。中海油廣東大鵬LNG項目當年是國外機構提供的咨詢，工作調(diào)節(jié)閥全部采用氣動調(diào)節(jié)閥。

在不配置儀表風的廠站，又有調(diào)節(jié)流量要求的項目上，就會以電動調(diào)節(jié)閥為主，中石油的西氣東輸工程就是采用電動調(diào)節(jié)閥作為工作調(diào)節(jié)閥。電動調(diào)節(jié)閥具有安裝方便、動力源簡單易實現(xiàn)的特點，但電動調(diào)節(jié)閥反應速度相對于自力式、氣動式要慢一些，因而通常會與監(jiān)控調(diào)壓器配合使用。

綜上所述，如果一個調(diào)壓橇是以調(diào)壓為主要任務，應首選調(diào)壓器；如果既有調(diào)壓的需求又有調(diào)流的需求，則首選氣動式調(diào)節(jié)閥；如果既有調(diào)壓需求又有調(diào)流需求，但站內(nèi)不配置儀表風的，則選用電動調(diào)節(jié)閥。

3.2　調(diào)壓設備結構形式的選擇

調(diào)壓設備分為截止式和軸流式兩種結構形式。無論哪種結構形式，其基本原理都是一樣的，即節(jié)流減壓。

調(diào)壓設備都需要一個負載元件，這個負載元件決定要求的下游壓力。感應元件．(薄膜)持續(xù)比較負載元件給出的調(diào)節(jié)力和經(jīng)信號管傳遞來的下游壓力，從而將得出的動作指令(開大或關小)傳遞給作用元件閥芯，經(jīng)一定周期的動態(tài)過程，兩者趨向協(xié)調(diào)，閥芯趨向穩(wěn)定，這就是調(diào)壓的基本原理和過程。

無論是截止式還是軸流式，只是閥口形式不同，其流通能力取決于閥口的大小，也就是流通截面積的大小，與結構形式?jīng)]有本質(zhì)關系。

截止式調(diào)壓設備的優(yōu)點如下：

①安裝維修方便，檢修時所有內(nèi)部部件都可以從頂部和底部取出，不需要把閥體從管道上拆下來。對于大口徑閥門的檢修來說，便利性尤其突出，節(jié)約了檢修時間，經(jīng)濟效益明顯。

②由于截止式調(diào)壓設備的閥口特點，可以加裝內(nèi)置式消聲器，把噪聲消除在產(chǎn)生的地方，降噪效果明顯，閥門運行平穩(wěn)安靜，對管道上的超聲波流量計影響較小。

③截止式調(diào)壓設備閥體容易實現(xiàn)整體鑄造，壓力可以做到很高，比如42MPa。

截止式調(diào)壓設備的缺點是由于閥桿為上下徑向運動，由于大口徑閥門的閥桿需要的運動行程長，因此，實現(xiàn)大口徑(比如DN 250mm及以上)時比較困難。目前歐洲截止式調(diào)壓設備的廠家只有少數(shù)公司可以做到DN 400mm的調(diào)壓設備和DN 500mm的安全切斷閥。

軸流式調(diào)壓設備的優(yōu)點如下：

①容易實現(xiàn)大口徑，因其閥口形式為軸向，受閥桿行程局限小，對于大口徑閥門需求易于實現(xiàn)。

②噪聲可以通過在出口處加裝整流器來減小，雖然不如安裝在閥口處的消聲器降噪效果明顯，但是也可以做到噪聲達標。

軸流式調(diào)壓設備的缺點是加工難度大，造價高，進行閥內(nèi)維修時必須把整閥從管道上拆下，對于大口徑調(diào)壓設備的維修需要的時間較長，維修和采購成本偏高。

另外，近兩三年有些球閥廠家通過對球閥進行改造，試圖以簡單改變節(jié)流面積的方法用球閥實現(xiàn)調(diào)壓。球閥調(diào)壓僅僅關注了節(jié)流降壓的實現(xiàn)，沒有很好地解決平衡負載和反饋校準的問題，閥門的調(diào)節(jié)特性差，無論是調(diào)壓精度、穩(wěn)定性，還是反應速度方面，都不適于要求較高的應用場所。

4　調(diào)壓橇主要功能閥的配置

目前行業(yè)內(nèi)對于調(diào)壓橇內(nèi)的主要功能閥的配置，多是參照歐洲標準EN 12186：2000《供氣系統(tǒng)一傳送和分輸用氣體調(diào)壓站一功能要求》(Gas supply systems-Gas pressure regulating stations for transmission and distribution-Functional requirements，以下簡稱EN 12186：2000)。該標準適用于進氣壓力不超過10MPa的調(diào)壓站，對于壓力超過10MPa的調(diào)壓站可指導使用。源于對標準的理解存在著偏差或?qū)藴蕛?nèi)容不清楚，行業(yè)內(nèi)對于標準的執(zhí)行效果也差異很大。

調(diào)壓橇的常見配置有：安全切斷閥(SSV)+工作調(diào)壓設備(R)；安全切斷閥(SSV)+安全切斷閥(SSV)+工作調(diào)壓設備(R)；安全切斷閥(SSV)+監(jiān)控調(diào)壓設備(M)+工作調(diào)壓設備(R)。這里工作調(diào)壓設備可以是調(diào)壓器，也可以是氣動調(diào)節(jié)閥或電動調(diào)節(jié)閥。

歐洲標準EN 12186：2000第8．3．3條分3種情況做了規(guī)定：

①在如下條件時，壓力安全設備是不需要的：

最大上游工作壓力小于最大下游偶發(fā)極限壓力或者最大上游工作壓力小于等于10kPa時。

對于這條的理解有兩個方面，一是最大上游工作壓力比可能出現(xiàn)的最大下游工作壓力還小的時候，那就表示下游管道設備等的設計壓力等級至少不會比上游低，這樣必然是安全的；第二個方面就是當最大上游工作壓力小于等于10kPa時不需要壓力安全設備，也就是說，10kPa及以下的管道不需要安裝安全切斷閥等壓力安全設備。

②在如下條件時，須安裝一個壓力安全設備：

當最大上游工作壓力大于最大下游偶發(fā)極限壓力(在安全設備限制內(nèi)，系統(tǒng)可以短時經(jīng)歷的最大壓力)時。

對于這一條，其實還應該和第一條結合起來理解，就是當最大上游工作壓力大于可能發(fā)生的最大下游偶發(fā)極限壓力，且最大上游壓力大于10kPa時，必須加裝一個壓力安全設備。

③在如下條件下，需要安裝兩個壓力安全設備：

最大上游工作壓力減去最大下游工作壓力大于1.6MPa，并且最大上游工作壓力大于下游強度試驗壓力時，需要在按照第二條要求安裝了第一個壓力安全設備之外，再加裝第二個壓力安全設備。第二個壓力安全設備的作用是提高安全水平。

對于這一條的理解不僅僅是上下游最大壓力的壓差大于1.6MPa時，更要注意還有一個條件，就是最大上游工作壓力大于下游的強度試驗壓力。這個下游強度試驗壓力，不僅僅是下游管道，還包括下游的設備、用戶等。

第一個壓力安全設備包括了安全切斷閥租監(jiān)控調(diào)壓設備，第二個安全設備包括了安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓設備，也包括了安全閥。但是安全閥的使用是有條件的：第一，它只能作為第二個壓力安全設備使用，不能作為唯一壓力安全設備；第二，在作為第二個壓力安全設備使用時必須是全流量放散閥，以確保工作調(diào)壓設備失效后，僅通過放散，下游壓力也不會超過下游強度試驗壓力。

既然安全切斷閥和監(jiān)控調(diào)壓設備都是壓力安全設備，那么什么時候采用安全切斷閥(SSV)+安全切斷閥(SSV)+工作調(diào)壓設備(R)，什么情況下采用安全切斷閥(SSV)+監(jiān)控調(diào)壓閥(M)+工作調(diào)壓設備(R)呢?筆者認為，這主要取決于下游用戶的性質(zhì)。如果下游用戶是允許隨時停氣檢修的，則選用SSV+SSV+R的配置，這種配置不僅保證了高安全性，還因為安全切斷閥的造價比監(jiān)控調(diào)壓設備低而節(jié)約了造價。如果下游用戶要求盡可能連續(xù)供氣，則選用SSV+M+R的配置，當工作調(diào)壓設備失效后監(jiān)控調(diào)壓設備開始工作，在保證下游不超壓的前提下可以不間斷供氣。同時，現(xiàn)場操作人員可以根據(jù)監(jiān)控調(diào)壓設備狀態(tài)做出判斷，及時切換備用路，并對失效工作調(diào)壓設備進行檢修。

5　減壓級的選擇

通常分輸站的調(diào)壓橇使用一級減壓，但當壓力降比較大時，比如自用氣橇，一般從8～9MPa減到0.2～0.4MPa，則需要多級減壓。自用氣橇的兩級減壓也是筆者多年呼吁的配置優(yōu)化方案，目前中石油已經(jīng)率先開始改變以往一級減壓的做法。過去一直使用的自用氣橇一級減壓已經(jīng)證明存在很多問題：容易冰堵、易喘振、噪聲大等，造成白用氣橇從交貨試運行起就一直難以穩(wěn)定工作。

進出口壓力差較大時采用單級減壓的主要弊病是，由于壓力降太大，閥口開度很小，小流量時尤其嚴重，造成閥口流通面積過小，有時甚至小至1％，大壓力降又導致了溫降過大，如果調(diào)壓前加熱不足，比如換熱器結垢，則在溫降大、開度小的條件下，閥口很容易發(fā)生冰堵。而冰堵發(fā)生后，因流道被堵塞，下游壓力迅速下降，調(diào)壓器會自動打開，高速氣體流過又將冰堵吹掉，使得流通面積陡升，下游又會超壓，調(diào)壓器又迅速關閉……如此反復，就形成了喘振。同時，由于閥口開度過小，當流道內(nèi)有顆粒雜質(zhì)時，又很容易造成閥口損傷，從而使調(diào)壓器失效，造成超壓切斷。

解決的辦法就是使用兩級減壓，例如在自用氣橇中，可以先將進站壓力從8～9MPa降到4～6MPa，具體降到多少，需通過計算得出一個最優(yōu)中間壓力。然后二級減壓將出口壓力降到0.2～0.4MPa。這樣既可以使降壓任務均勻地分配到兩級減壓上，又可以減輕每一級加熱器的負荷，更重要的是在小流量的情況下仍然可以獲得很好的閥門開度，避免了喘振和高噪聲。

減壓級的選擇沒有強制性的規(guī)定，但通常壓力降超過5～6MPa時，應通過計算最大壓差、最小流量條件下的閥門開度，考慮增加減壓級，這樣做會使調(diào)壓器工作在合適的開度范圍內(nèi)，能夠讓調(diào)壓器在最優(yōu)特性曲線區(qū)間內(nèi)工作，從而獲得整個調(diào)壓橇的最優(yōu)工作品質(zhì)。

6　結語

對于調(diào)壓橇的系統(tǒng)配置，在遵循相關標準為基本原則的基礎上，仍需根據(jù)項目實施的實際情況進行分析和配置。由于各個項目都具有其特殊性，技術方案和選擇方法很難一概而論，需要在實踐中以安全為首要條件，研究和分析技術參數(shù)，并充分考慮用戶特點，如用戶性質(zhì)、管理水平、操作經(jīng)驗等，確定最適宜的配置方案。

本文作者：劉子良

作者單位：高拓石油天然氣技術(上海)有限責任公司北京分公司