某城市燃氣門站工藝及儀表控制方案設計

劉芳芳　李巖　柯琳　杭厚義

[摘 要] 某城市燃氣分輸站項目充分利用管道天然氣替換人工煤氣，保障了市民的供氣安全與穩定，改善了人居環境，該項目的建設順應國家能源變革的方向，與我國能源結構發展的趨勢相一致，具有良好的發展前景。

[關鍵詞] 城市燃氣門站；儀表控制；方案設計

[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2016.28.088

1 引 言

天然氣作為一種優質高效的清潔能源和化工原料，已被廣泛地應用于我國國民經濟生產和生活中的各個領域，不僅廣泛應用于工業、家用燃料和石油化工原料，而且已被公認為一種廉價、清潔、安全、高效的車用燃料。天然氣的開發利用以其儲量大、清潔、高效而受到各國政府的高度重視，以天然氣替代煤和石油已成為當今世界能源發展的主要方向之一。

根據國家制定的遵循“多種氣源、多種途徑、因地制宜、合理利用”的城市燃氣發展方針，天然氣被列為鼓勵發展的重要產業，國家在能源建設方面也要求使用清潔能源，并逐步提高清潔能源的利用率。某管道在該分輸站所在市預留了分輸接口，為了順利承接和充分利用更為優質的管道天然氣來替換人工煤氣，改善人居環境，該市對天然氣的需求非常迫切。

2 工程概況

本工程預留分輸接口的分輸壓力為4.0MPa，管徑DN150，分輸氣量為54.3×104Nm3/d（1.90×108Nm3/a）。設置1座天然氣門站，一期設計規模為1.0×108Nm3/a，為城區中壓管網供氣；預留分輸規模為0.9×108Nm3/a。門站主要設置有過濾、計量、加熱、一級調壓、二級調壓、加臭、分輸預留等功能。

3 工藝方案

3.1 主要設計參數

（1）標準狀態。氣體標準狀態為壓力1.01325×105Pa（絕對壓力），溫度20℃。

（2）年工作天數。年設計工作天數為365天。

（3）上游來氣壓力與下游需要的壓力。預留分輸接口壓力為4.0MPa。

下游接已有的中壓管網，保證門站出站壓力不大于0.4MPa。

（4）供氣規模。本工程總設計規模1.90×108Nm3/a；其中，一期設計規模1.0×108Nm3/a，供城市中壓管網，設計小時流量2.61×104Nm3/h；中遠期預留分輸規模0.9×108Nm3/a，供CNG汽車用戶，設計小時流量1.60×104Nm3/h。

（5）設計壓力及管徑。本工程門站前管道設計壓力為4.0MPa，管道直徑DN400，長度4.17km；門站后管道設計壓力為0.4MPa，管道直徑DN500，長度3.69km。

3.2 工藝流程

3.2.1 門站一期設計規模為：1.0×108Nm3/a

3.2.2 門站工藝系統

站內設置過濾、計量、加熱、調壓、加臭、放空及排污等設備設施。進、出站設置緊急切斷系統，事故工況下可將站場與上、下游管道隔離。

站內進站管道、調壓后管道、經過加熱后的管道上設置安全泄放閥，當壓力高于相應設定值時，可實現自動泄放。

進站緊急切斷閥前、出站緊急切斷閥后、過濾及調壓調節設施后的管道均設置手動放空閥，站內維檢修時可手動放空管段內的天然氣。

站內籃式過濾器及所有匯管均設置排污口，且為雙閥（前端為球閥、后端為排污閥）。

3.2.3 主要設備選型

（1）籃式過濾器。

流量計前應安裝過濾器，本工程選用籃式過濾器，過濾精度≥5μm；效率≥98%。過濾器上應有前后壓差檢測裝置。

在設計溫度和設計壓力下滿足規定的強度要求，使用安全可靠，檢查、維修方便。

要求濾芯經久耐用、具有較大的過濾面積和納污能力，更換周期長（見表1）。

（2）加臭系統。為了安全使用天然氣，當它從管道和設備中泄漏出來時，應能馬上就可以察覺到。本工程下游為城市管網，為此在天然氣中加入臭味劑（或加味劑）。

（3）放空立管。放空立管主要用于事故檢修時天然氣的排放等。

放空立管應工藝合理，技術先進成熟，保證管道系統的檢修及事故排放；滿足安全、環保及健康的要求；操作范圍彈性大，可在規定的排放量之間穩定可靠；具有高可靠性，能承受地震、風載等各種荷載，可長期運行；運行維護簡單，操作費用低；滿足運輸、安裝和使用過程中的強度、剛度和穩定性的要求（見表2）。

（4）加熱系統。門站近期加熱量較小，采用電加熱器；遠期所需熱負荷較大，加熱系統采用“鍋爐+換熱器”系統，較為經濟可行。換熱器設置及具體參數和計算結果見表3。

（5）閥門及執行機構。緊急截斷閥：為便于輸氣管道的維修，以及當輸氣管道發生破損時，盡可能減少損失和防止事故擴大，站場的進、出站緊急截斷閥擬采用電動球閥，配置電動執行機構。當站場發生事故及檢修時，可關閉進、出站緊急截斷閥，保證站場的安全。

站場球閥：工藝站場主要工藝流程上的閥門擬采用球閥。球閥具有密封性能好、操作靈便、開閉時間短等優點。

截止閥：截止閥根據安裝位置及功能不同，分為節流截止放空閥和排污截止閥。節流截止放空閥具有密封可靠、耐沖刷、使用壽命長、操作輕便等特點。該閥門采用雙質（硬質及軟質）密封，節流面與密封面分開，使閥門的密封性和使用壽命大大提高。排污截止閥也采用硬軟雙質密封面，并采用閥座浮動連接，設有平衡孔可調節軟密封面變形量，保證了密封的可靠性，具有耐沖蝕、排污性能好、使用壽命長等優點。

站內放空管線上擬采用節流截止放空閥，在排污管線上采用排污截止閥。放空管線及排污管線均采用雙閥結構，節流截止放空閥及排污閥上游設置球閥，以保證密封性，便于維修與更換。

安全閥：為保護站內設施，防止管線和設備超壓，在有超壓可能的管線上設安全閥。

本設計中，在調壓系統出現故障時，為避免調壓橇下游管道壓力超高，調壓橇下游設置安全閥，為管道提供超壓保護。

安全閥有彈簧式和先導式兩種類型，先導式安全閥與彈簧式安全閥相比，改粗彈簧直接感應壓力為壓力傳感器（先導器）感測壓力，大大提高了壓力感測的靈敏度。同時克服了傳統彈簧式安全閥動作后閥芯不易復位、關閉不嚴的問題。本工程站內氣體超高壓泄放選用動作靈敏、泄放能力大的先導式安全閥。

止回閥：放空區所需的止回閥選用無沖擊、壓降小、流通能力大、密封性能好的軸流式止回閥。

執行機構：閥門執行機構是管道自動控制的關鍵設備，要求其性能必須穩定可靠。電動執行機構防爆/防護等級室外為ExdⅡBT4/IP65（最低）。閥門所有電動執行機構均應設有閥位檢測和顯示。

3.3 工藝用管

3.3.1 站內管徑確定

（1）站內管徑的選擇，采用以下公式進行計算：

d=[KF（][SX（]q[]0.785v[SX）][KF）] q=[SX（]P0TZqv[]86400T0P[SX）]

（2）根據計算的管內徑及相應制管標準，選擇相對應的管徑，并校核管內氣體流速，各站場流速小于15m/s。

3.3.2 管線材質及壁厚選擇

根據《城鎮燃氣設計規范》（GB 50028—2006），不同壓力等級鋼管壁厚按下式計算：

δ=[SX（]PD[]2σSFt[SX）]

經計算，站內管線管徑及壁厚選擇詳見表4。站內鋼管應滿足《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管 》（ GB/T 9711—2011）規范規定的PSL2級鋼管標準。

4 自動控制系統方案

4.1 自控設計范圍

自動控制系統根據生產工藝過程的需要，監控現場輸氣工藝、輔助設備或設施，以達到保證該管道安全、平穩和高效運行的目的。本工程儀表控制的主要設計內容包括工藝站場所有現場檢測儀表、站控制系統、計量系統、調壓系統以及儀表系統供電、防雷、接地等的設計，工藝及儀表控制流程見圖1。

圖1 工藝及儀表控制流程

4.2 控制水平及模式

該門站的控制系統為三級操作模式：

（1）調度中心級（預留）。

（2）站控制級：站操作員通過操作員工作站發布命令，由站控制系統自動完成。

（3）就地操作級：在現場對各種設備進行控制。

在正常情況下，由站控制系統完成對本站的監視控制，當進行設備檢修或事故處理時，可就地控制。

當調度中心建設完成后，在正常情況下由調度中心對安寧門站實施運行、調度和管理，在調度中心授權或計算機控制系統以及通信系統發生故障時，可以由站控制系統接管控制權來完成站工藝系統的控制。在站控制系統授權或站控制系統出現故障的狀況下，可進行就地操作。

在調度中心發出ESD命令（預留）、站ESD手動按鈕動作和站內火災發生的情況下關斷站場的進出口ESD閥。

在調度中心建成前，本工程由站控制系統進行控制。

4.2.1 調控中心

由于該門站所在市的調控中心尚未建成，該工程僅預留了調控中心的接口。

4.2.2 站控制系統

站控制系統（SCS）是SCADA系統的遠方控制單元，完成站內的計量、調壓、流程切換等控制功能。它不但能獨立完成對站場的數據采集和控制，而且將有關信息傳送給調度控制中心并接受調度控制中心下達的命令。

本設計為城市燃氣供氣管道項目，站場結構簡單，控制點數少，ESD控制邏輯較少，門站控制系統擬采用一套滿足SIL等級要求的PLC作為過程和安全儀表系統的控制器，完成站場的過程和安全儀表系統的控制。站控系統配置見圖2。

圖2 站控系統配置

4.3 現場儀表選型

儀表及控制設備的選型以系統安全、性能穩定、可靠性高、性價比高，滿足工藝條件要求、準確度要求，滿足現場環境及符合環保要求等為原則。

——溫度測量儀表

采用雙金屬溫度計作為就地溫度檢測儀表。雙金屬溫度計的準確度等級為1.5級。

站內和流量計量用的溫度檢測儀表，采用一體化智能溫度變送器（檢測元件為Pt100的鉑熱電阻）。溫度變送器的輸出信號為4～20mADC（二線制），并能輸出基于HART通信協議的數字信號。

——壓力測量儀表

采用彈簧管式不銹鋼壓力表作為就地壓力檢測儀表，其準確度等級為1.6級。

遠傳壓力/差壓信號采用智能型壓力/差壓變送器，用于流量壓力補償用的采用電容式絕對壓力變送器，用于過程控制檢測的壓力變送器可采用單晶硅檢測原件。變送器標準測量范圍內的測量準確度等級為0.075，輸出信號為4～20mADC（二線制），并能輸出基于HART通信協議的數字信號。

——火災及可燃氣體檢測儀表

在站控制室、機柜間等房間內，采用點型感溫探測器及感煙探測器進行火災監測，同時配有報警器，進行報警和記錄。點型感溫探測器主要為電子差定溫感溫探測器，點型感煙探測器主要為離子感煙探測器。探測器與火災報警系統采用二總線通信技術，整個系統隨時監測總線工作狀態，保證系統可靠運行。

在廚房內設置民用可燃氣體探測報警器，用來檢測生活用氣的泄漏并報警，同時將報警信號與用氣管線上的電磁閥和屋內風機進行聯鎖，當發生可燃氣體泄漏時，可燃氣體探測報警時聯鎖啟動風機，同時電磁閥動作切斷管道用氣。

在工藝裝置區設置防爆型紅外式可燃氣體探測器，用來檢測天然氣的泄漏并報警。

在鍋爐房設置可燃氣體探測報警器，用來檢測鍋爐用氣的泄漏并報警，同時將報警信號與用氣管線上的電磁閥和屋內風機進行聯鎖，當發生可燃氣體泄漏時，可燃氣體探測報警時聯鎖啟動風機，同時電磁閥動作切斷管道用氣。

在發電機房內設置三頻紅外式火焰探測器，用來檢測火焰并報警，發生火災時探測報警。

站場內配置便攜式可燃氣體探測器。

——取源部件

溫度取源部件：溫度計或溫度變送器采用外保護套管進行安裝，外保護套管與工藝管道或設備的連接采用焊接方式。

壓力取源部件：壓力取源部件采用焊接式截止閥與工藝管道焊接方式連接；截止閥和二次儀表閥串聯安裝。二次儀表閥的材質為不銹鋼，具有在線測試接口和排氣/排液口。

——電纜選型

將傳輸信號類型、用途、電壓等級以及周圍環境等作為電纜選型的主要依據。室外直埋敷設的電纜，全部采用鎧裝電纜。電纜截面積一般不小于1.5mm2。

控制電纜應選擇鋼帶鎧裝控制軟電纜；模擬信號傳輸電纜選用銅芯屏蔽鎧裝控制軟電纜；數字信號選用銅芯鎧裝控制軟電纜；通信電纜選用銅芯鎧裝分屏總屏計算機用軟電纜。

——計量系統

天然氣流量計量系統是企業進行貿易交接、經濟分析、成本核算的主要依據，將直接影響管道的經濟效益與用戶利益。計量系統在滿足《天然氣計量系統技術要求》（GB/T18603）的前提下，采用貿易交接流量計進行計量。流量計配流量變送器，將流量計檢測值轉換為電子信號，傳輸到配套的流量計算機上。同時與流量計算機上的壓力、溫度和氣體組分等信號，組成流量計量回路，并通過相應的標準進行流量計算、顯示、存儲與管理。

本工程計量儀表主要采用質量流量計。

——流量計量系統的設置原則

（1） 計量系統的準確度達到±1%，流量計的精確度在qt～qmax范圍內優于±0.5%，發熱量測量系統的不確定度小于±1%。

（2） 流量計量系統計量支路不應有旁通，流量計量應設有備用支路。

（3） 每臺流量計設置流量計算機，進行瞬時流量和累計流量計算，也可進行熱量的計算。

（4） 選用氣體超聲流量計，計量管路按最大流速20 m/s進行計算。

（5）計量系統應避免脈動流和振動。

（6） 計量系統推薦采用計量支路的方式進行供貨，每條計量支路包括流量計、溫度、壓力檢測儀表、流量計算機等，計量支路采用露天安裝方式。

（7）本工程計量系統所需氣體組分參數采用手動輸入。

——流量計量系統的選型

本工程中與上游用戶交接計量均為貿易交接計量，為保證流量計量的準確度，流量計的準確度等級按0.5級選型。由于本工程投產初期的輸量與正常運行的輸量以及遠期輸量相差太大，本設計在兼顧大小流量的情況下，對流量計的口徑進行了計算和比選，最終確定的計量系統流量計配置如表5所示。

當輸量達到遠期輸量后，將DN50的質量流量計計量支路拆除，更換為一路DN100的超聲流量計計量支路。工藝管線、閥門、直管段及設備間距均按DN100的超聲流量計計量支路的要求進行設計和預留。

——計量系統檢定

根據《中華人民共和國計量法》的規定，用于貿易結算的工作計量器具屬于強制檢定的范疇，必須進行周期檢定，并執行國家有關的計量檢定規程或標準。

本工程流量儀表的檢定方法采用離線檢定，依托計量檢定中心檢定設備進行檢定。

——壓力監控系統

本工程上游出站壓力為4.0MPa，門站出口壓力為0.4Mpa，調節壓差大，需采用兩級調壓方式。第一級調壓將壓力由4.0MPa調至1.6MPa，采用“安全切斷閥+自力式調壓閥+自力式調壓閥”的設計方案；第二級調壓將壓力由1.6MPa調至0.4MPa，采用“安全切斷閥+自力式調壓閥”的設計方案（見表6）。

針對天然氣管道壓力控制系統的特點，控制閥在大差壓持續工作的工況下，要滿足流通能力大、降噪、抗氣蝕以及壓力控制平穩、維護量小等要求，根據現有天然氣管道調節閥的使用情況，本工程安全切斷閥在結構上應選用翻板式或軸流式，自力式調壓閥在結構上選用流通能力大的軸流式閥門。調節閥的流量特性選擇等百分比的流量特性。

門站的壓力控制系統為對壓力進行控制。當供氣流量超過設定值時，可通過工藝出站閥的旁路進行手動控制，對用戶供氣量進行限量控制。

處于爆炸危險性場所的電動儀表及電氣設備按防爆型設計，所選用的電氣設備必須具有公認的權威機構頒發的符合有關標準的防爆合格證書。

防爆/防護等級：ExdⅡBT4/IP55（最低）-室內；ExdⅡBT4/IP65（最低）-室外。

——防雷

為保證設備安全和控制系統的可靠，根據有關防雷設計規范，對所有的檢測儀表信號傳輸接口、與ESD系統相關的所有I/O點、數據通信接口、供電接口等有可能將雷電感應所引起的過電流與過電壓引入系統的關鍵部位，均安裝浪涌保護器，以避免雷電感應的高壓竄入，造成設備損壞。主要現場檢測儀表也應具有防雷電保護的功能。對于現場儀表做有效的接地，接入現場的等電位接地網，防止現場管路出現靜電和雜散電流。

——接地

接地系統分為保護地和信號地，站內采用聯合接地方式，接地電阻不大于1Ω，接地系統由電力專業統一設計?，F場電氣儀表設備的保護地與各區域設置的保護地網相連，信號地設在站控制室端，且一點接地。

5 結 論

該門站的建成順應國家能源變革的方向，充分利用了管道天然氣替換人工煤氣，提高了清潔能源的利用，保障了市民的供氣安全與穩定，改善了人居環境，具有良好的發展前景。