天然氣門站設(shè)計(jì)問題與方法

徐勇俊，方忠(新地能源工程技術(shù)有限公司，河北 廊坊 065001)

0 引言

隨著天然氣管道分支項(xiàng)目的深入建設(shè)，我國天然氣管道正逐步向各個中小型城市擴(kuò)展。在新通天然氣管道的城市中，燃?xì)饣A(chǔ)設(shè)施的建設(shè)工作才剛剛開始，規(guī)模較小，天然氣用戶數(shù)量有限。因此，在天然氣管道連接的初始階段，天然氣消耗量很小，但是隨著天然氣用戶數(shù)量的不斷增加，天然氣消耗量也迅速增加。因此，在設(shè)計(jì)中小型城市天然氣門站的過程中，下游市場的短期和長期天然氣消耗通常會遇到顯著差異。相關(guān)人員應(yīng)深入分析城市天然氣門站設(shè)計(jì)過程中短期和長期天然氣消耗差異較大的問題，并提出了解決問題的方法和對策，以優(yōu)化天然氣門站的設(shè)計(jì)方法。

1 天然氣門站的工藝流程

天然氣門站是天然氣長途管道的終端配氣站，也是城市燃?xì)鈧鬏敽头峙湎到y(tǒng)的氣源站。實(shí)時監(jiān)控進(jìn)口天然氣的壓力，溫度和其他數(shù)據(jù)以及測量和控制天然氣流量，以確保天然氣供應(yīng)的安全性和穩(wěn)定性，這是天然氣門站的職責(zé)。天然氣門站從高壓長途管道接收高壓天然氣，然后對其進(jìn)行除塵，過濾，儲氣，計(jì)量，壓力調(diào)節(jié)和除臭等操作，然后對天然氣進(jìn)行分配，最后輸送給下游城市中。天然氣門站主要由絕緣保護(hù)，氣液分離排污，支路測控，管道壓力調(diào)節(jié)，超壓保護(hù)和漏氣報(bào)警系統(tǒng)組成。進(jìn)入門站的天然氣要經(jīng)過分離器和過濾器去除雜質(zhì)，從而確保天然氣供應(yīng)的質(zhì)量。天然氣門站配備有儲氣裝置，以存儲進(jìn)入的氣體。計(jì)量系統(tǒng)要準(zhǔn)確測量天然氣流量，確保天然氣的貿(mào)易公平。調(diào)壓系統(tǒng)要降低天然氣壓力，從而使壓力滿足分配要求。通過對天然氣加臭，一旦天然氣管道出現(xiàn)泄漏，可輕松聞到并進(jìn)行識別。經(jīng)過一系列處理后，天然氣被輸送到城市燃?xì)夥峙渚W(wǎng)絡(luò)。

2 天然氣門站的設(shè)計(jì)中存在的問題

天然氣門站是城市天然氣輸配系統(tǒng)的重要部分，負(fù)責(zé)城市居民天然氣的日常供給，因此有必要確保天然氣門站供氣的安全性和穩(wěn)定性，并進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。天然氣門站有很多監(jiān)測點(diǎn)，生產(chǎn)現(xiàn)場條件復(fù)雜多變。為了滿足天然氣門站流量測量和生產(chǎn)監(jiān)控的實(shí)時高精度要求，天然氣門站流量監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了有效設(shè)計(jì)和管理天然氣門站的站點(diǎn)控制系統(tǒng)，工作人員必須對天然氣門站設(shè)計(jì)的常見問題進(jìn)行深入分析，然后確定有效的天然氣門站應(yīng)用策略。

2.1 流量計(jì)和壓力調(diào)節(jié)器的選擇和配置不當(dāng)

在設(shè)計(jì)下游市場的長期和短期天然氣消費(fèi)差異較大的城市門站時，如果僅以下游市場的長期天然氣消費(fèi)作為選擇流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，則可能在壓力調(diào)節(jié)器中出現(xiàn)問題。首先是流量計(jì)不能滿足設(shè)計(jì)測量精度要求。在常用的渦輪流量計(jì)中，當(dāng)通過流量Q在Qmin＜Q≤0.2Qmax時，渦輪流量計(jì)的計(jì)量精度不低于2%，當(dāng)通過流量Q在0.4Qmax＜Q＜0.8Qmax時，渦輪流量計(jì)的測量精度最高。當(dāng)通過的流量較低時，流量計(jì)渦輪不會旋轉(zhuǎn)，并且無法測量到超過渦輪流量計(jì)的最小啟動流速的水平。其次，在使用負(fù)載間接操作式調(diào)節(jié)器時，以下游市場的長期用氣量為選擇標(biāo)準(zhǔn)，由于短期的用氣量小于調(diào)壓器的最大壓力。在允許的通量下，調(diào)節(jié)器的閥芯開度很小。當(dāng)調(diào)節(jié)器的閥芯開度小于10%時，天然氣在高溫下會在很短的時間內(nèi)高速通過調(diào)節(jié)器的閥座，并產(chǎn)生噪音，而且調(diào)節(jié)閥座也會出現(xiàn)磨損，并且調(diào)節(jié)閥芯會不斷振動，打開的高度也不穩(wěn)定，從而使調(diào)節(jié)器隔膜和密封結(jié)構(gòu)由于磨損和劣化而縮短使用壽命[1]。

2.2 天然氣預(yù)熱單元的位置不合理

城市天然氣門站與上游燃?xì)夤艿乐械奶烊粴庀噙B，由于下游城市燃?xì)夤芫W(wǎng)在中等壓力下運(yùn)行，而上游壓力較高，因此調(diào)節(jié)器前后的壓力差較大。在通過壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)天然氣之后，在湯姆森-焦耳效應(yīng)的作用下，天然氣的溫度下降約0.4～0.5 ℃。如果調(diào)壓器前的天然氣未充分預(yù)熱，則減壓后天然氣的溫度會降低，導(dǎo)致調(diào)壓器后段管道的外表面會發(fā)生冷凝和凍結(jié)，容易在管道內(nèi)形成液態(tài)或固態(tài)混合物，從而出現(xiàn)“冰堵”現(xiàn)象，影響調(diào)節(jié)器的正常運(yùn)行。通常，在設(shè)計(jì)天然氣預(yù)熱過程時，為了提高換熱器的使用效率，可以將換熱器安裝在一個單獨(dú)的處理單元中，天然氣預(yù)熱單元和壓力調(diào)節(jié)單元由集管隔開。在預(yù)熱過程中還會出現(xiàn)這樣的問題，當(dāng)預(yù)熱天然氣以大流量進(jìn)入集管時，集管中的天然氣受到嚴(yán)重干擾，通過集管與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致天然氣的熱損失和溫度降低，從而導(dǎo)致預(yù)熱不良，不能達(dá)到溫度要求。在耗氣量少的情況下，進(jìn)入集管的天然氣流量小，因此，預(yù)熱的天然氣通過集管與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換時，溫度下降不明顯，可以通過增加熱水器的出水溫度補(bǔ)償天然氣因熱交換而產(chǎn)生的熱量損失，因此不會影響調(diào)壓前天然氣的預(yù)熱溫度[2]。當(dāng)下游天然氣體消耗量顯著增加時，管道中的流量增加，集管中天然氣的干擾增加，集管之間的對流傳熱系數(shù)顯著增加，從而增加了預(yù)熱天然氣之間的熱交換。同時，用于天然氣預(yù)熱的熱水器具有有限的升溫能力，這不能完全補(bǔ)償集管中天然氣的熱損失，最終導(dǎo)致天然氣壓力調(diào)整前的氣體預(yù)熱溫度不符合設(shè)計(jì)要求，具體如圖1所示。

圖1 天然氣預(yù)熱單元示意圖

2.3 過程參數(shù)檢測裝置的設(shè)置位置不合理

通常，在設(shè)計(jì)參數(shù)傳感裝置時，在集管的一端設(shè)置壓力和溫度傳感裝置，可以減少檢測裝置的數(shù)量，降低設(shè)備的成本，并減少設(shè)備泄漏點(diǎn)。但如果集管的較長時，集管上每個點(diǎn)的壓力和溫度并不完全相同，參數(shù)檢測點(diǎn)離天然氣操作點(diǎn)越遠(yuǎn)，偏差就越大。對參數(shù)進(jìn)行測量時，參數(shù)檢測儀器反映實(shí)際值并不標(biāo)準(zhǔn)。

3 設(shè)計(jì)方法

在設(shè)計(jì)短期和長期燃?xì)庀牧坎町愝^大的城市門站時，應(yīng)將城市短期和長期燃?xì)庀牧孔鳛檫x擇流量計(jì)和壓力調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)。天然氣過濾裝置和閥門，管道和集管的選擇標(biāo)準(zhǔn)仍然基于長期的氣體消耗[3]。

3.1 流量計(jì)的選擇和配置

以渦輪流量計(jì)為例。流量必須至少為所選流量計(jì)的最大流量Qmax的20%。當(dāng)20%Q1max＜Q＜Q1max時，可以使用兩個小型流量計(jì)，一個使用，另一個做備用，并且通過的流量應(yīng)位于40%～80%Q1max之間。隨著天然氣使用者的數(shù)量逐漸增加，天然氣消耗也在增加。當(dāng)20%Q2max＜Q＜Q2max時，可以使用兩個大型流量計(jì)，一個使用，另一個做備用，并且通過的流量應(yīng)位于40%～80%Q2max之間。因此，當(dāng)Q1max＜Q＜20%Q2max時，流量控制設(shè)備應(yīng)安裝在流量計(jì)的下游，以使每小時下游的最大氣體消耗量不超過小量程流量計(jì)的范圍。如果下游每小時的燃?xì)庀牧糠€(wěn)定增加到Q1max，可以使用大流量計(jì)更換，這樣就符合測量精度要求。

3.2 調(diào)節(jié)器的選擇和配置

選擇調(diào)節(jié)器時，要根據(jù)入口和出口壓力以及短期和長期調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)流速，選擇滿足通過能力的調(diào)節(jié)器，同時還必須計(jì)算當(dāng)流量Q=Q1max時，近期調(diào)壓器開度K1≤90%，長期調(diào)壓器開度K2≥10%。當(dāng)流量Q=Q2max，長期調(diào)節(jié)器開度K2≤90%，從而降低調(diào)節(jié)器的噪音和壓力。減少調(diào)節(jié)器的閥座的磨損，延長調(diào)節(jié)器的隔膜和密封結(jié)構(gòu)的使用壽命，并確保調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定運(yùn)行。天然氣門站調(diào)壓閥的配置應(yīng)根據(jù)下游天然氣消耗量進(jìn)行選擇。當(dāng)下游氣體消耗低時，使用通過量小的壓力調(diào)節(jié)器，而當(dāng)下游氣體消耗高時，使用通過量大的壓力調(diào)節(jié)器。同時安裝調(diào)壓器消音器，以減少天然氣通過調(diào)壓器時產(chǎn)生的噪音[4]。

3.3 天然氣預(yù)熱器的設(shè)置

在設(shè)計(jì)天然氣預(yù)熱過程，要防止天然氣在預(yù)熱后熱量從集管中大量散失，必須將天然氣預(yù)熱裝置與壓力調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，并且不單獨(dú)安裝預(yù)熱過程單元。同時，為了提高天然氣預(yù)熱單元的效率，還可以在天然氣預(yù)熱單元之間建立連接管段，以實(shí)現(xiàn)相互備用。通過將天然氣預(yù)熱裝置與壓力調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，不僅可以避免由于預(yù)熱后集管散發(fā)大量的天然氣熱量而導(dǎo)致的溫度下降，而且可以有效地利用天然氣預(yù)熱，降低燃?xì)鉄崴鞯娜細(xì)庀模岣咛烊粴饫眯省?/p>

3.4 工藝參數(shù)檢測裝置的設(shè)定方法

為了防止儀器在長度較長的集管兩端錯誤地檢測過程參數(shù)，在設(shè)計(jì)過程參數(shù)檢測儀器的測量點(diǎn)位置時，必須將其設(shè)置在工作支管部分。并且壓力感應(yīng)設(shè)備必須位于溫度傳感裝置的上游，防止由于溫度測量元件插入工作支管部分而引起的流體干擾而對壓力測量精度產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語

在設(shè)計(jì)天然氣門站的過程中，工藝設(shè)備的計(jì)算，選擇和配置應(yīng)基于實(shí)際操作條件。特別是對于短期和長期燃?xì)庀牟町愝^大的城市門站的設(shè)計(jì)，必須分階段進(jìn)行計(jì)算和選擇流量計(jì)和壓力調(diào)節(jié)器。天然氣預(yù)熱裝置的設(shè)定位置必須與壓力調(diào)節(jié)器串聯(lián)，以防止天然氣在預(yù)熱后熱量從集管中散失。工藝參數(shù)檢測儀器應(yīng)安裝在工作分支管道中，以減少集管安裝引起的測量誤差。