燃氣工程中的燃氣輸配技術探討

王超

（淄博港華燃氣有限公司， 山東 淄博 255000）

近年來， 隨著我國天然氣開發利用水平的持續提高， 城市燃氣公用事業的開放， 各地區新建大量燃氣輸配工程， 燃氣逐漸成為工業企業與城市居民的首選能源， 這對于緩解全球能源供需矛盾、 加快環境友好型社會建設有重要意義。 與此同時， 隨著燃氣工程建設規格的提升， 燃氣輸配技術水平及輸配系統使用性能都有更高的標準， 而傳統的燃氣輸配技術方法存在弊端， 難以滿足工程建設與投運使用需求。 為此， 在新形勢下， 要加大對燃氣輸配技術的優化改進， 保證城市燃氣工程安全穩定運行。

1 燃氣輸配工程特點

1.1 系統結構復雜

燃氣輸配系統由儲氣設施、 門站、 調壓站、 輸配管道、 計量裝置與探測裝置等部分組成， 其結構復雜。 在燃氣輸配技術應用期間， 需要根據現場實際情況來合理安排各處設施分布位置與相對空間關系， 根據工程投運使用需求來確定各組成部分的規格型號、 建設數量。 如果盲目制定技術應用方案與燃氣輸配系統布局結構， 將對后續系統運行狀況造成明顯影響， 導致系統長時間滿負荷運行， 部分設施閑置浪費， 嚴重時還會形成安全隱患。

1.2 管道鋪設距離長

現代燃氣工程以城鎮燃氣輸配系統為主， 鋪設的燃氣管道跨越各處城區， 管道鋪設距離長。 一方面， 管道鋪設與系統運行期間， 易受到外部因素影響， 如果沿途出現地基沉降、 地下水位超標、 施工擾動等問題， 都會對管道結構狀態造成一定程度影響， 嚴重時出現管道破損、 燃氣泄漏、 爆炸等質量通病與安全事故。 另一方面， 隨著鋪設距離的延長，對管道臨界質量提出更高要求， 如果未采取相應處理措施， 容易在相鄰節段管道接口處出現漏氣等質量問題[1]。

1.3 現場環境復雜

從施工角度來看， 燃氣工程現場分布大量地下設施與地面設施， 包括道路結構層、 建筑基礎、 市政給排水管網等， 現場環境較為復雜， 不利于燃氣輸配管道敷設作業開展， 盡管采取地下設施遷移、重新規劃管道走向等方法， 燃氣輸配施工質量與系統運行狀況仍有可能受到外部環境影響。 而從系統維護保養角度來看， 由于燃氣輸配管道采取地下暗敷方式， 工作人員很難實時掌握管道與其他燃氣設施的實時運行狀況， 在出現漏氣等故障時難以迅速鎖定故障點， 因而對燃氣輸配技術的安全水準提出嚴格要求。

2 燃氣工程中燃氣輸配技術的應用方法

2.1 預測用氣量與用氣規模

考慮到我國各座城市與各處城區的社會經濟發展水平、 人居環境密度存在明顯差異， 如果盲目制定燃氣輸配技術方案， 容易出現燃氣設施閑置浪費、燃氣輸配管道管徑偏小、 系統長期滿負荷與超負荷運行等問題， 不但會提高系統故障出現率， 還會增加造價成本， 造成資源浪費。 因此， 在燃氣輸配工程建設前， 工作人員應收集工程相關資料并綜合分析， 例如， 調查燃氣供應范圍內居民戶數、 生產企業數量與規模、 城區面積等。 借鑒同類工程技術案例， 在其基礎上準確預測用氣規模， 確定用氣量指標， 合理選擇燃氣設施型號與數量、 燃氣管道管徑與材質， 從根源上預防上述問題的出現。 此外， 由于我國當前正處于城鎮化發展關鍵時期， 城市規模持續擴大， 燃氣用氣規模將隨著時間推移而不斷提升[2]。 因此， 為延長燃氣輸配工程實際使用壽命，避免在后續頻繁進行改擴建處理， 需要在用氣量與用氣規模基礎上額外設置一定比例的冗余量， 如適當增加燃氣輸配管道管徑值， 以此來滿足未來一定年限的燃氣輸配系統使用需求。

2.2 壓力級制

在早期燃氣工程中， 普遍選用低壓、 中壓或是中低壓兩級的燃氣輸配管道系統， 氣源供氣壓力較低， 對輸配管道材質與厚度等指標要求寬泛。 然而，隨著用氣規模與用氣量的逐年穩步增加， 早期燃氣輸配系統難以滿足實際供氣需求， 在過高氣源供氣壓力作用下容易出現管道變形扭曲、 破裂與滲漏問題， 存在安全隱患。

因此， 需要在現代燃氣輸配工程中應用到壓力級控制技術， 由高壓輸氣管取代原有的中低壓輸氣管， 使輸配管道可以在較高氣源供氣壓力下始終保持良好結構狀態與穩定運行工況， 技術內容包括管道焊接、 防腐保護、 清管試壓等部分。 例如， 在高壓燃氣管道焊接環節， 可采取CO2半自動下向焊技術， 配備STT型CO2半自動焊機， 憑借液態金屬表面張力來實現熔滴過渡， 可以明顯減少焊道部位熔池面積， 徹底解決傳統燃氣管道焊接飛濺大、 焊縫成形不理想等工藝問題。 在管道防腐保護環節， 準備H06 -1 環氧富鋅防銹底漆、 H06 -3 環氧云鐵防銹漆等漆料， 清理燃氣管道表面殘留銹跡、 氧化皮與毛刺， 采取高壓噴涂方法在管道表面涂刷多遍防腐漆層， 詳盡檢查是否存在針孔、 氣泡、 漏涂等問題， 對質量缺陷部位進行補涂處理。 而在清管試壓環節， 明確試壓段長度， 確定試驗壓力、 注水時間等參數， 使用清管器清除燃氣管道內部掉入雜物與管壁上附著的灰塵污漬， 封閉管道， 在管道內充氣升壓， 分多次提升試驗壓力， 每次升壓后穩壓3min左右， 并在到達試驗壓力后穩壓1h， 檢查管道是否出現滲漏、 變形等質量問題， 以此來掌握燃氣輸配管道在最大工況壓力時的運行工況條件[3]。

2.3 LNG氣化調峰

根據早期建成燃氣輸配系統實際運行情況來看，各個時間段的用氣量存在明顯差異， 具有用氣量分布不均的特征， 導致燃氣輸配系統時常處于滿負荷、超負荷運行， 既加快了燃氣設施與輸配管路老化速度， 還會出現無法滿足全部用戶用氣需求的狀況，不利于燃氣供應服務品質的提升。 因此， 要在燃氣輸配系統中采取LNG氣化調峰技術， 在燃氣輸配系統中設置若干座LNG加壓氣化調峰站， 當用氣量超過一定標準時， 憑借靜壓差控制儲罐內LNG氣體進入低溫泵內進行高壓處理， 再進入氣化器內進行氣化處理， 最終排入燃氣輸配管網當中。 同時， 考慮到LNG氣化調峰站建設成本較為高昂， 也可選擇采取高壓管束儲氣方法或是高壓管道儲氣方法。 其中，高壓管束儲氣是在地下敷設大量鋼管管束來組成儲氣設備， 用于燃氣系統晝夜調峰， 把管束直徑控制在1.0 ～1.5m區間內。 高壓管道儲氣是對原定輸配管道管徑值進行擴大， 利用最后壓氣站至終點配氣站間輸配管線來臨時存儲一定體積的燃氣， 由于輸配系統末端壓力較高， 將在壓力作用下驅使管道內燃氣排出， 此項方法不適用于輸配管道鋪設距離較短、 氣源供氣壓力較低的燃氣工程。

2.4 安全供氣

在燃氣輸配系統運行期間， 受到管道加工與安裝質量、 氣源質量、 人為破壞、 外部環境侵蝕等因素影響， 存在一定的安全隱患， 甚至產生燃氣泄漏、燃氣爆炸等安全事故。 例如， 所選用燃氣輸配管道焊縫部位存在夾渣、 氣孔等質量缺陷， 在系統運行期間， 受到過高氣源供氣壓力影響， 焊縫部位扭曲變形或形成滲漏點， 造成燃氣泄漏后果。 而在所選用氣源品質較低時， 燃氣中夾雜多種雜質組分， 雜質與管壁接觸后產生氧化現象， 導致管道老化速度加快， 管道性能隨時間推移持續下降， 最終因嚴重腐蝕導致管道不堪使用。

因此， 要在燃氣輸配工程中采取安全供氣技術，具體可采取人工監測、 模型檢測和信號處理三項手段。 其中， 人工監測是在輸配管道敷設完畢與維護保養期間， 由工作人員手持便攜式紅外檢測儀、 激光檢測儀等設備對輸配管路與配套儲氣的結構狀態進行檢查， 標記管道滲漏等故障點位， 將問題反饋給施工單位進行返工處理， 或是由維修部門委派專人前往現場維修。 模型檢測是在燃氣輸配管網鋪設前建立管網模型， 檢查模型中各條燃氣輸配管道與周邊設施物間是否存在軟硬碰撞問題， 在燃氣輸配管網投運使用前開展仿真模擬試驗， 在模型中設定流體力學特性以及流體熱力學特性， 模擬管道運行狀態， 預測燃氣輸配系統在不同假定條件下的運行工況， 提前發現質量隱患并采取防治處理措施。 而信號處理則是根據燃氣輸配系統反饋信號來判斷運行狀態， 如采取負壓波法， 當氣源供氣壓力驟然降低或出現負壓波現象時， 表明燃氣輸配管網大概率出現管道破裂、 刺破等質量問題。 或是采取流量平衡法， 通過觀察管網內燃氣流量變化情況來判斷是否出現管道泄漏問題。

3 燃氣工程中燃氣輸配技術的應用策略

3.1 健全檢測機制

在現代燃氣輸配工程中， 雖然采取模型檢測與信號檢測等多項手段， 用于檢查輸配管道敷設與運行期間是否出現管道碰撞、 滲漏、 變形破損等問題，但所采取檢測技術不成體系， 存在優化改進空間。因此， 在燃氣輸配技術應用期間， 需要建立起一套更為完善的輸配系統檢測機制， 具體采取明確報警標準、 動態跟蹤檢測、 故障隱患預測三項措施。 第一， 明確報警標準， 提前設定各類故障的判定依據與報警機制， 當傳感器等終端感知設施檢測到異常情況時， 根據已掌握信息來判斷故障類型、 故障程度， 根據判斷結果采取恰當等級的響應措施， 如在管道泄漏量超過一定標準后自動發送報警信號。 第二， 動態跟蹤檢測， 待檢測系統發出報警信號后，仍舊控制傳感器等裝置跟蹤檢測故障點位， 將故障信息同步提交給管理人員， 引導維修人員前往故障點開展應急維修作業， 幫助其掌握故障狀態與持續過程， 迅速恢復燃氣輸配系統正常工況， 并在后續跟蹤檢測故障問題是否再次出現， 如滲漏點經過維修后是否持續滲漏[4]。 第三， 故障隱患預測， 提前在系統中導入管道泄漏等典型故障的樣本數據， 當燃氣輸配系統運行期間出現參數幅度明顯變化等異常狀況時， 預測各類故障出現率， 根據預測結果采取相應防治措施， 或是臨時關閉管道閥門、 組織維護人員前往現場檢查與維修， 避免造成實質性損失，或是引發爆炸等安全事故出現。

3.2 創新燃氣輸配技術

在早期燃氣輸配工程中， 普遍采取長輸管線形式， 隨著供氣規模的擴大， 長輸管線系統運行能耗較為高昂， 并存在無法按需供氣、 末端缺乏調節手段等多項問題有待解決。 因此， 為全面提高燃氣工程綜合效益， 可選擇運用動力分布式燃氣輸配技術，輸配系統由氣源、 主循環調壓器、 分循環調壓器、輸配管路等部分組成， 在燃氣管網中安裝主循環調壓器， 在用戶處安裝分循環調壓器并與用氣設備保持串聯狀態， 采取一用一備并聯監控調壓方式， 由兩部分循環動力在系統運行期間共同承擔系統壓力。相比于傳統燃氣輸配系統， 動力分布式燃氣輸配系統有著更加優異的應用表現， 可以取得理想的節能效益， 實現按需供氣和保護調壓設備。

3.3 現場勘察與技術管理

首先， 考慮到燃氣輸配工程現場環境復雜， 為保證燃氣輸配技術方案得以順利實施， 需要提前做好現場勘察工作。 工作人員前往現場實地考察， 重點收集臨近地下設施種類、 位置、 埋深值、 地層條件等方面信息， 在其基礎上判斷燃氣輸配技術方案是否具備可行性。 例如， 根據工程現場土層冰凍線來確定輸配管道埋設值， 如果輸配管道鋪設在土層冰凍線上方， 在冬季受到低溫影響， 容易出現水分凝結、 管道凍裂問題[5]。

其次， 為取得理想工程建設成果， 需要加強技術管理力度， 委派專人對燃氣輸配系統施工過程進行監督， 重點檢查施工現場情況與技術方案內容是否一致， 如輸配管道埋深值、 敷設位置、 管道坡度偏差值是否在允許范圍內， 及時糾正錯誤操作行為，向班組成員提供技術指導。 同時， 在技術方案實施效果與預期產生明顯偏差、 方案缺乏可行性時， 還需要將問題向上反饋， 必要情況下對技術方案進行變更處理。

3.4 智能化改造

近年來， 得益于科技水平的不斷提高， 提出智能燃氣管網概念， 在燃氣輸配系統中安裝大量信息化設施與運用人工智能、 大數據等新型技術， 使燃氣輸配系統具備強大的環境感知、 決策分析能力，這對保證燃氣輸配系統平穩運行、 預防故障出現有著重要意義。 經過智能化改造后， 燃氣輸配系統將具備調壓診斷、 管道防腐檢測、 泄漏檢測、 智能巡線等多項使用功能。 例如， 調壓診斷是由系統持續接收調壓設備狀態信息， 將信息導入智能算法進行分析處理， 根據輸出結果來判斷設備運行工況， 發現異常狀況后自動報警、 確定故障類型和生成維護計劃。 管道防腐檢測是通過感知設施來持續監控燃氣管道腐蝕程度， 如在采取陰極防腐保護措施時，定期提取陰極樁電位值， 根據電位變化趨勢來判斷管道防腐情況， 并在界面綜合視窗中以特殊顏色符號來描述各節段管道腐蝕程度。 泄露檢測是在燃氣輸配管道沿線布置若干檢測設備， 持續檢測管道周邊環境中的燃氣含量， 當燃氣含量超標時， 判定為管道泄漏故障， 發送報警信號， 并在后續持續采集泄露， 系統矯正路線、 縮小泄漏點分布范圍[6]。 而智能巡線是對各區域燃氣輸配管網的實時運行狀態進行全面評估， 用于發現異常問題和上報反饋， 并在綜合視窗中以顏色來描述管網狀態， 如紫色區域為運行盲區區域、 黃色線內為整體片區范圍、 綠色區域為已運行區域。

4 結語

為建設高規格燃氣工程， 實現對燃氣輸配能力、供氣安全的完美兼顧。 燃氣公司理應提高對燃氣輸配技術的重視程度， 了解燃氣輸配工程特點， 全面掌握燃氣輸配技術在用氣量與用氣規模預測、 壓力級制、 LNG氣化調峰與安全供氣方面的正確應用方法， 積極落實健全檢測機制、 創新燃氣輸配技術、現場勘察與技術管理、 智能化改造等技術策略， 為燃氣輸配技術應用奠定堅實基礎。