城市天然氣廠站中調壓計量系統的設計

摘 要

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