城市天然气场站中的计量调压系统设计.doc

城市天然气场站中的计量调压系统设计吴筱峰（中国市政工程中南设计研究院，武汉市解放公园路41号 邮编：430000）摘要：随着我国天然气资源的开发，长输管道工程及其沿线城市天然气利用工程项目的陆续建成投产，使得越来越多的城市使用上了天然气这种洁净能源。本文根据城市天然气利用工程中涉及到的各种类型天然气场站的运行和供气特点，着重论述其计量调压系统设计的选型、配置情况。关键词：天然气、天然气门站、调压站、加气站、流量计、调压器。0 引言以2000年“西气东输”工程的启动为标志，十年来我国天然气产业得到了长足的发展，越来越多的城市使用上了天然气这种洁净能源，城市天然气输配系统也逐渐成为城市基础设施之一。现代化的城市天然气输配系统是复杂的能源综合设施，由不同压力级制的输气管网、各类城市天然气场站（门站、调压站、加气站等）和信息采集、管理维护等软硬件系统组成。大、中型城市天然气输配系统框图小型城市天然气输配系统根据各种类型城市天然气场站，如城市天然气门站、调压站和CNG加气站的运行和供气特点，其计量调压系统设计采取不同配置、选型，本文将用以下内容中详细论述。1天然气门站天然气门站是城市天然气输配系统的气源点，应具备过滤、调压、计量、安全切断、使用线和备用线的自动切换等主要功能，确保供气的长期性、安全性和稳定性。1.1工艺流程典型门站调压计量系统工艺流程框图为保证天然气门站调压系统的可靠性，在其计量单元和调压单元均设有备用路。计量单元：在进站高压流量计表之间设计对比流程及在线标定接口，可使标准气体流量计和被检测的流量计均在相同的压力条件下运行，存在缺点是标准气体流量计本身需在几种不同压力条件下进行检定。调压单元：对每一路调压均采用两个调压器串联连接而成。监控调压器给定出口压力略高于工作调压器的出口压力，正常情况下，监控调压器的阀口是全开的，当工作调压器失灵，出口压力上升到监控调压器的出口设定压力值时，监控调压器投入运行。当运行路发生事故，出口压力仍然上升，运行路上的超压切断阀发生作用将运行路关断，备用路能自动的补上运行供气。运行路和备用路的主调压器和监控调压器的出口压力应为不同的设置，其出口压力的设置应满足：运行路监控调压器 > 运行路工作调压器 > 备用路监控调压器 > 备用路工作调压器。调压器均采用故障开型。1.2选型设计（1）流量计城市天然气门站多为从长输管道分输站接气，上游供气方对门站的供气计量为贸易交接计量。随着计量产品的不断发展和市场行为的不断深化，贸易交接计量采用的流量计已由过去的孔板流量计、涡街流量计发展到目前较为认同的涡轮流量计和超声波流量计，其计量精度也由1.5级、1.0级提升至±0.5%（超声波流量计通过实流标定和系数修正，可实现±0.2%的计量精度）。从以往的工程案例来看，上游供气方和门站选择不同形式的计量仪表，即便是同等级计量精度也会存在差异，因此目前天然气门站的计量仪表在设计上尽可能选择精度更高的超声波流量计（一般为4声道），以避免产生贸易纠纷。超声波流量计缺点是目前尚未实现国产化，设备依赖进口、增加了工程造价。用于贸易输送计量的超声波流量计与涡轮流量计性能对比见下表：对比项目超声波流量计涡轮流量计公称直径DN80DN1200DN50DN600温度范围-40+180-10+65公称压力PN25.0MPa；最高可达45.0 MPaPN4.0MPa；PN4.0MPa为进口或需特殊订货。计量精度4声道：±0.5%（干标）；±0.2%（实流标定和系数修正）±0.5%（0.2Qmax Qmax）±1.0%（Qmin 0.2Qmax）量程比最大1：1301：20；1：30；1：50压力损失双向计量，无压力损失单向计量，对输送介质有最低压力要求，流量计本体压损0.21.0kPa。安装要求表体长度3D，上下游直管段最小要求：无整流器时前10D后3D,有整流器时前5D后3D。表体长度3D，上游直管段最小为2D，有条件时前20D后5D。（2）调压器目前城市天然气门站多采用截止式调压器（自力式）和轴流式调压器，这两种调压器均为间接作用调压器，即通过指挥器与主调压器联合作用实现调压。两者性能对比如下：对比项目轴流式（金属阀口式）调压器截止式(金属阀口式)调压器制造工艺轴流式调压器阀体采用煅钢制造，铸钢与煅钢比较，煅钢的金属晶粒更细更致密，从而具有更高的强度和金属致密度，煅钢阀体对于高压的情况下，更可靠性、安全性更高，这就决定了轴流式调压器在高压条件使用更加适合。截止式调压器阀体由于结构上的原因，阀体制造只能采用铸造制造，只有很少气体非冲刷的部件用了煅造，所以成本也相对较低。铸钢工艺本身有局限性，阀体铸造时内部容易产生气泡、沙眼、缩孔等。同时截止式阀体有些死角，是检测不到的。安全可靠性调压器和切断阀为分体式，相互影响小、安全系素高。高压气体冲涮不锈钢阀口。直线（轴向）流动，不会产生气蚀。一般为调压器和切断阀为一体式，即调压器和切断阀共用一个阀体。调压器阀体增加一切断阀其流量减少10%左右。相互影响大，安全性低。高压气体冲涮铸造的阀体及死角，同时Z型流动容易产生气蚀，从而对阀体产生更大的危害。流通能力阀口为全通径，直线（轴向）流动，阀体阻力小、流态好，流通能力大，同口径的调压器、同等压力下，轴流式的流量大于截止式17%。截止式调压器由于气流需要在调压器内做作Z字形流动，其阀口为非全通径（既阀口口径调压器口径要小），所以截止式的压力损失大、流态差、流通能力小。噪音轴流式调压器由直线（轴向）流动，流态好，同样的工况下产生的噪音更小。对其阀体出口法兰变小，流速变二次变高，从而产生更大的噪音。因为阀体锻造，可以阀体出口法兰变大。由于气流在截止式调压器内做Z字形流动，气体在阀体内转弯多，产生紊流，同时内部元件对气流的阻挡比较多 ，意味着产生更大的噪音。由于阀体整体铸造，对其阀体出口法兰变小，流速变二次变高，从而产生更大的噪音，不能从更本上解决问题。 维修维护轴流式调压器可以在线维修，比较容易就能拆卸阀口。可以在线维修，拆卸阀口麻烦，不能看到阀口内部。经济性同等规格的情况下，高出截止式调压器25%以上，但其流通能力大于同口径截止式调压器17%，检修维护方便，因此单位流通量性价比略高于截止式调压器。同等规格的情况下，价格低于轴流式调压器。DN150口径轴流式调压器流量表DN150口径截止阀式调压器流量表综合考虑以上因素，尤其是当进站天然气压力高于2.5MPa时，门站的调压单元设计推荐采用轴流式调压器。2调压站高中压调压站按使用性质可分为：区域调压站、专用调压站和用户调压箱（柜）。2.1区域调压站区域调压站的功能是接受城市外环高压天然气管道来气，并将天然气压力降至0.20.4MPa，输送至城市中压输气管网。其流程与城市天然气门站基本相同，为保证供气的可靠性和稳定性，调压单元设计采用两路以上（可预留远期发展支路），每一路调压均采用两个调压器串联连接而成，如无特殊要求可采用自力式截止阀型调压器；计量单元采用两路（一用一备）设计，采用涡轮流量计以满足城市燃气信息采集系统的需求即可。2.2专用调压站专用调压站顾名思义为特定向单一用户供气的调压站，此类用户多为用气量较大的工业用户，其用气特点是用气量大（城市中压天然气输配管网不能满足其用气需求）、稳定性要求高（一般要求为24小时连续供气），一旦出现停气事故将给用户造成巨大的经济损失。对于此类调压站设计时采用天然气门站的设计方案，调压单元设计采用两路以上（可预留远期发展支路），每一路调压均采用两个调压器串联连接而成，如无特殊要求可采用自力式截止阀型调压器；计量单元采用两路（一用一备）设计，采用超声波流量计以满足贸易计量需求。2.3用户调压箱（柜）用户调压箱（柜）的功能是接受城市中压输气管网来气，并将天然气压力降至25003000Pa，输送至庭院低压输气管道供应居民用户使用。典型用户调压箱（柜）工艺流程框图系统正常工作时，一台调压器工作，另一台作为监视器备用（关闭状态），当工作调压器发生故障、出口压力高于设定值时，工作路的切断阀关闭、出口压力降低，当下降到并联监视器的给定出口压力时，备用调压器自行启动工作。运行路和备用路的切断阀的动作压力应为不同的设置：工作路切断阀动作压力 > 备用切断阀动作压力。调压器均采用故障开型。此外，当用气异常增大或进口压力降低造成工作路出口压力下降时，并联备用路投入运行，形成两条调压管路同时工作，可增加约50%以上流量，满足增大的用气需求。调压单元设计采用两路（“2+0”结构），多采用自力式截止阀型调压器；如无特殊要求可不设置计量单元。3 CNG加气站3.1加气站工艺流程管道供气的加气站工艺流程框图管道供气的加气站的核心设备是增压系统（天然气压缩机），对不同取气压力压缩机的选型略有不同，其经济技术比较如下：型号规格排气量(Nm3/h)进气压力(MPa)排气压力(MPa)主电机功率(kW)单位产气压缩能耗（kW/Nm3）L-8.4/2-2505040.225.01320.262L-11/8-2506600.825.01100.167L-13.5/10-2508101.025.01320.163L-12/25-2507202.525.0750.104注：以上参照国产某厂家CNG压缩机资料。由上表可知，压缩机进气压力较高时，可相应减少一或两级压缩，单位产气压缩能耗相应降低。管道供气的加气站进气调压系统和天然气压缩机的选择关系密切，进气调压系统决定了天然气压缩机型号的选择。在设计过程中应详细分析供气管道的运行工况，合理配置加气站进气调压系统，在保证压缩机稳定工作的前提下尽可能降低加气站压缩能耗。3.2加气站进气调压系统进气调压系统工艺流程框图加气站进气计量调压系统由进站紧急切断阀（电动或气动）、调压单元和计量单元组成。由于加气站一般每日运行1216小时，无特殊要求时，进站调压计量系统不设置备用旁路或采用手动调节旁路。调压单元：采用“1+1”结构，即“工作路+手动旁路”，可选择调压器自带超压切断阀或另行独立配置超压切断阀。计量单元：多采用涡轮流量计，作为加气站经营核算计量时可采用计量精度1.0级、1.5级的流量计；与供气方的结算计量时可采用计量精度0.5级的流量计。3.3调压器选型管道供气的加气站所选用的天然气压缩机对第一级压缩的吸气压力有较高的要求，如超出其正常工作的吸气压力范围时，压缩机无法正常启动。因此，在设计过程中应详细分析供气管道的运行工况，合理配置加气站进气调压系统。（1）调压器额定流量的确定调压器不宜在全开启状态下工作，如果调压器长时间在全开启状态下工作，会影响薄膜的弹性和调压精度，一般以阀芯的位移不超过最大行程的90%为宜。Q0=(1.381.44)QJQ0调压器额定流量（m3/h）QJ加气站计算集中流量（m3/h）（2）进站压力较为稳定的条件下调压器选择当进站压力较为稳定时，调压单元可选用自力式截止阀型调压器。 P0P1-P2P0压缩机额定进气（MPa）P1进站天然气压力（MPa）P2调压器正常工作前后端最小允许压差（MPa）（3）进站压力波动较大的条件下调压器选择以某一工程案例为例，进站天然气压力在3.24.8MPa范围内波动，可供选择的天然气压缩机有两种规格：额定进气压力3.5±0.5MPa，两级压缩，排气量3700Nm3/h，主电机功率315kW；额定进气压力2.4±0.3MPa，三级压缩，排气量2900Nm3/h，主电机功率315kW。对应以上两种规格压缩机，有两套设计方案，其经济技术比较如下：对比项目方案一方案二压缩机配置选用3台排气量3700Nm3/h，额定进气压力3.5±0.5MPa的天然气压缩机。选用4台排气量2900Nm3/h，额定进气压力2.4±0.3MPa的天然气压缩机。单位产气压缩能耗0.085kW/Nm30.109kW/Nm3调压器配置选用轴流式调压器，调压阀工作压力设定值为3.8MPa（进气压力3.8 MPa以下时，调压器直通）。选用自力式截止阀型调压器，调压阀工作压力设定值为2.5MPa。工程经济性虽然调压单元造价高，但少配置一台压缩机，整体工程投资小于方案二、单位产气电耗低，工程经济性好。工程投资高、单位产气电耗高，工程经济性逊于方案一。方案一明显要优于方案二，该工程采用方案一作为实施方案。当进站压力波动较大时，合理的配置加气站进气调压系统，做到尽可能利用进站天然气压能、降低加气站压缩能耗、提高工程的经济性。4 结论综上所述，在设计各类型城市天然气场站的计量调压系统时，应根据其的运行和供气特点，合理的配置和选择设备型号，以确保城市天然气输配系统供气的长期性、安全性、稳定性和经济性。参考文献：1、严铭卿 廉乐明等 天然气输配工程； 2、若干城市天然气利用工程设计实例（中国市政工程中南设计研究院）； 3、特瑞斯能源装备（北京）有限公司等设备供货商提供的相关产品样本。 参考文献内容：1、天然气输配工程引用其第6章（城市天然气输配系统）的部分内容； 2、中国市政工程中南设计研究院完成的若干城市天然气利用工程、CNG加气站工程的设计实例； 3、特瑞斯能源装备（北京）有限公司等设备供货商提供的调压器、流量计、天然气压缩机等的设备选型样本。