輸氣管道分輸站調(diào)壓系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)淺析

李宏歡（中國(guó)石油化工股份有限公司天然氣分公司 北京 100029）

引言

調(diào)壓系統(tǒng)是輸氣管道分輸站保證分輸下游管道安全性、可靠性的重要措施。同時(shí)調(diào)壓過(guò)程可以近似看作是一個(gè)絕熱膨脹過(guò)程，由于焦耳—湯姆遜效應(yīng)，節(jié)流后的天然氣溫度將下降，可能導(dǎo)致調(diào)壓系統(tǒng)后路埋地管道由于生成天然氣水合物、周?chē)寥赖膬雒涀饔靡约肮艿啦馁|(zhì)不能適應(yīng)低溫等原因而發(fā)生事故。因此，輸氣管道分輸站調(diào)壓系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)尤為重要。

一、調(diào)壓流程方案的選擇

由于天然氣用戶用氣的不均勻性，導(dǎo)致輸氣管道分輸站分輸下游管道的壓力、流量呈周期性變化。為保證供氣下游的安全，同時(shí)也為了輸氣管道協(xié)調(diào)供需平衡，GB50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.4.5條規(guī)定，氣體流量的監(jiān)控應(yīng)對(duì)供氣量超限會(huì)導(dǎo)致管輸系統(tǒng)失調(diào)的部位，采取有效的限流控制措施；第8.4.6條規(guī)定，當(dāng)供氣壓力超限會(huì)危及下游供氣系統(tǒng)設(shè)施安全時(shí)，應(yīng)設(shè)置可靠的安全裝置系統(tǒng)。當(dāng)可能的最高進(jìn)口壓力與允許最高出口壓力之差大于1.6MPa和進(jìn)出口壓力之比大于1.6時(shí)，可選擇下列措施：（1）每一回路串聯(lián)安裝2臺(tái)安全截?cái)嘣O(shè)備；安全截?cái)嘣O(shè)備應(yīng)具備快速關(guān)閉能力并提供可靠的截?cái)嗝芊?；?）每一回路安裝1臺(tái)安全截?cái)嘣O(shè)備和1臺(tái)附加的壓力調(diào)節(jié)控制設(shè)備；（3）每一回路安裝1臺(tái)安全截?cái)嘣O(shè)備和1臺(tái)最大流量安全泄放設(shè)備。

目前輸氣管道常用的調(diào)壓流程方案主要有以下6種：（1）單臺(tái)工作調(diào)壓閥；（2）單臺(tái)工作調(diào)壓閥+單臺(tái)監(jiān)控調(diào)壓閥；（3）單臺(tái)工作調(diào)壓閥+單臺(tái)安全切斷閥；（4）工作監(jiān)控調(diào)壓閥+安全切斷閥；（5）工作調(diào)壓閥+監(jiān)控調(diào)壓閥+安全切斷閥；（6）工作調(diào)壓閥+安全切斷閥+安全切斷閥。

對(duì)于干線、支干線輸氣管道來(lái)說(shuō)，上述6種調(diào)壓流程方案最常用的是后兩種方案，即工作調(diào)壓閥+監(jiān)控調(diào)壓閥+安全切斷閥和工作調(diào)壓閥+安全切斷閥+安全切斷閥方案。根據(jù)GB50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說(shuō)明第8.4.6條，規(guī)范推薦采用工作調(diào)壓閥+安全切斷閥+安全切斷閥方案。陜京輸氣管道工程北京末站、新疆煤制氣外輸管道工程設(shè)計(jì)壓力為12MPa的站場(chǎng)及設(shè)計(jì)壓力為10MPa、調(diào)壓口徑大于DN250mm的站場(chǎng)，其調(diào)壓流程方案均為工作調(diào)壓閥+安全切斷閥+安全切斷閥方案。

二、調(diào)壓流程閥門(mén)的選擇

1.安全切斷閥

安全切斷閥作為壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的安全裝置，應(yīng)采用獨(dú)立于監(jiān)控調(diào)壓閥和工作調(diào)壓閥的專(zhuān)用設(shè)備。安全切斷閥在正常工作狀態(tài)下為常開(kāi)，一旦系統(tǒng)的壓力達(dá)到設(shè)定值的上限或下限，它將自動(dòng)切斷供氣管路。自動(dòng)切斷后，它不能自動(dòng)打開(kāi)，只能就地手動(dòng)打開(kāi)。安全切斷閥應(yīng)選用高可靠性的自力式閥門(mén)，閥門(mén)的材質(zhì)及耐壓等級(jí)應(yīng)符合其安裝處的工藝條件及現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境要求。

安全切斷閥在正常工作時(shí)長(zhǎng)期處于全開(kāi)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)閥門(mén)關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)部件應(yīng)有穩(wěn)定的保護(hù)措施，對(duì)于管道正常工作所產(chǎn)生的振動(dòng)不應(yīng)引起驅(qū)動(dòng)部件的松懈或動(dòng)作，從而導(dǎo)致安全切斷閥產(chǎn)生誤動(dòng)作。

2.監(jiān)控調(diào)壓閥

監(jiān)控調(diào)壓閥應(yīng)選用高可靠性的自力式調(diào)壓閥，該自力式調(diào)壓閥應(yīng)是帶有指揮器的調(diào)壓閥。閥體、閥內(nèi)件及密封件的材質(zhì)及耐壓等級(jí)應(yīng)符合調(diào)壓閥安裝處的工藝條件及現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境要求。

監(jiān)控調(diào)壓閥的指揮器動(dòng)力源取自閥門(mén)的上游，為保證調(diào)節(jié)精度及指揮器的使用壽命，在指揮器的入口處應(yīng)隨設(shè)備帶有精細(xì)過(guò)濾器。監(jiān)控調(diào)壓閥在結(jié)構(gòu)上宜選用流通能力大的軸流式閥門(mén)，閥芯套筒和閥座應(yīng)該采用耐沖刷材料，其調(diào)節(jié)范圍應(yīng)在最大流通能力的5%～100%之間。當(dāng)閥門(mén)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)處于關(guān)閉位置。

3.工作調(diào)壓閥

根據(jù)工作調(diào)壓閥的動(dòng)力源不同，工作調(diào)壓閥可分為自力式工作調(diào)壓閥和電動(dòng)（或氣動(dòng)）調(diào)壓閥。自力式調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)反應(yīng)快速，但是出氣壓力有小幅的波動(dòng)，適用于氣源不太穩(wěn)定、出口壓力要求不是特別嚴(yán)格的場(chǎng)合；電動(dòng)（或氣動(dòng)）調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)精度高，但是動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，適合氣源波動(dòng)不頻繁，出口壓力要求精度高的場(chǎng)合。

根據(jù)GB50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.4.3條，一般情況下，由于自力式調(diào)壓閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、流通能力大、國(guó)內(nèi)產(chǎn)品已基本形成系列，有成熟的使用經(jīng)驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，工作調(diào)壓閥應(yīng)采用自力式調(diào)壓閥。但是采用自力式調(diào)壓閥，一般只能就地人工改變壓力設(shè)定點(diǎn)。當(dāng)希望能在站場(chǎng)控制室內(nèi)或管道系統(tǒng)調(diào)度控制中心改變輸氣壓力時(shí)，可以在自力式調(diào)壓閥基礎(chǔ)上附加電動(dòng)指揮控制器；在未加指揮控制器時(shí)與自力式調(diào)壓器工作原理完全相同，當(dāng)需要遠(yuǎn)程改變?cè)O(shè)定點(diǎn)時(shí)，通過(guò)電氣信號(hào)使控制器電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)從而改變彈簧壓緊力來(lái)改變調(diào)壓閥控制的下游壓力。用戶可根據(jù)控制功能的要求、站場(chǎng)環(huán)境條件、使用習(xí)慣等條件進(jìn)行選擇。

三、調(diào)壓節(jié)流過(guò)程溫降的影響與消除

輸氣管道分輸站調(diào)壓系統(tǒng)絕熱節(jié)流的后果是氣體溫度的降低，溫度降低的程度由壓力降的大小確定。從計(jì)算的結(jié)果和實(shí)際測(cè)量的結(jié)果表面，高壓天然氣的溫度降一般為3～5K/MPa?？梢?jiàn)，當(dāng)10MPa的天然氣調(diào)壓節(jié)流至4MPa時(shí)的溫度降低是十分明顯的。

天然氣溫度的降低，可導(dǎo)致天然氣水合物的生成。在高壓、低溫下天然氣水合物聚集在管壁上，從而增加流體流動(dòng)阻力，甚至堵塞管道，造成局部?jī)龆卢F(xiàn)象，而且被高速氣流夾帶，造成對(duì)設(shè)備的撞擊和震動(dòng)，嚴(yán)重影響分輸站的安全運(yùn)行。天然氣水合物通常容易在節(jié)流閥、閥門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)處以及管道彎頭等地方生成。天然氣溫度的降低，還可因?yàn)樘烊粴庠诹鲃?dòng)過(guò)程中通過(guò)管道向周?chē)h(huán)境吸熱，若管道地上敷設(shè)，在周?chē)h(huán)境濕度較大時(shí)，將會(huì)在節(jié)流后的管道外壁出現(xiàn)水蒸氣冷凝，加劇地上敷設(shè)管道外壁的腐蝕；若管道埋地敷設(shè)，若管道周?chē)寥罎穸容^大時(shí)，可導(dǎo)致埋地管道周?chē)寥琅蛎?，?duì)埋地管道產(chǎn)生凍脹作用，增加埋地管道應(yīng)力水平。天然氣溫度降低，還可能導(dǎo)致后路管道材質(zhì)不能滿足低溫要求而發(fā)生冷脆現(xiàn)象，導(dǎo)致管道脆性斷裂，從而影響輸氣管道的安全運(yùn)行。

為避免由于絕熱節(jié)流產(chǎn)生的焦耳-湯姆遜效應(yīng)帶來(lái)的不利后果，設(shè)計(jì)上一般根據(jù)絕熱節(jié)流前后的壓差以及絕熱節(jié)流后管道周?chē)h(huán)境條件來(lái)判斷絕熱后果的嚴(yán)重程度，從而針對(duì)性地采取相應(yīng)措施。這些針對(duì)措施主要是絕熱節(jié)流前的預(yù)加熱，常用的加熱設(shè)備包括水套爐、真空爐、熱媒爐及電加熱器。各種加熱設(shè)備特點(diǎn)如下：（1）水套爐是將天然氣加熱盤(pán)管置于水浴中，將盤(pán)管中的天然氣直接加熱，水浴溫度可在50～100℃范圍內(nèi)變化。其特點(diǎn)是：熱負(fù)荷彈性大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但占地較大、會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，一般適用于負(fù)荷200～2000k W的工況。（2）真空爐是將加熱盤(pán)管置于溫度90～99℃的氣相空間中，利用微負(fù)壓狀態(tài)的水蒸氣通過(guò)盤(pán)管將熱量傳遞給被加熱介質(zhì)。其特點(diǎn)是加熱效率高，結(jié)垢少，體積較小，但只能通過(guò)真空度來(lái)調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，熱負(fù)荷變化范圍和操作彈性相對(duì)較小，主要適用于加熱負(fù)荷2000k W以上，變化范圍較小的工況。（3）熱媒爐先將熱媒加熱到200～350℃，再通過(guò)換熱器實(shí)現(xiàn)熱媒與盤(pán)管中的天然氣換熱。其加熱效率高，且為間接換熱，安全性相對(duì)較高。但系統(tǒng)較復(fù)雜，包括儲(chǔ)油罐、注油泵、膨脹罐、油氣分離器、換熱器、循環(huán)泵、熱媒爐幾部分，運(yùn)行操作較復(fù)雜，占地較大，設(shè)備投資約為水套爐及真空爐的2倍。熱媒爐主要適用于原油及天然氣處理廠等需要較大熱負(fù)荷的工況（負(fù)荷3000k W 左右）。（4）熱媒油電加熱器是一種新型、安全、高效節(jié)能，低壓（常壓下或較低壓力）并能提供高溫?zé)崮艿募訜嵩O(shè)備，是當(dāng)前國(guó)際最為常見(jiàn)也是使用最為普遍的一種電加熱元件。該加熱器熱量是由浸入熱媒油的電加熱元件產(chǎn)生和傳輸?shù)?，電加熱器的加熱元件先將熱媒油加熱，再將熱量傳遞給換熱管，換熱管將熱量傳遞給進(jìn)入到殼體內(nèi)介質(zhì)，從而將介質(zhì)加熱，容易實(shí)現(xiàn)溫度控制。一般適用于負(fù)荷較?。?000k W以下）的工況。其與水套爐、真空爐、熱媒爐相比具有以下特點(diǎn)：①運(yùn)行壓力低。液相輸送熱能，能在較低的運(yùn)行壓力下，獲得較高的工作溫度，熱載體較水的飽和蒸汽壓力小70～80倍，一般供熱運(yùn)行壓力為≤0.3MPa。②加熱溫度高。電加熱器供熱溫度可達(dá)280℃；加熱溫度自動(dòng)化控制，靈敏度高，供熱穩(wěn)定。③安全可靠。電加熱器具備完善的運(yùn)行控制和安全監(jiān)測(cè)裝置，操作簡(jiǎn)便，安全可靠。④環(huán)保型設(shè)計(jì)。電加熱器以電代煤，節(jié)省投資，環(huán)保無(wú)污染，加熱升溫快，熱效率高，高效更經(jīng)濟(jì)。

在具體設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)單位可根據(jù)需要的熱負(fù)荷、投資等條件優(yōu)選加熱設(shè)備。

四、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

1.在進(jìn)行陰極保護(hù)的管道上安裝儀表時(shí)（根據(jù)AQ2012-2007《石油天然氣安全規(guī)程》第7.3.5條，輸氣站內(nèi)的埋地管道應(yīng)實(shí)施區(qū)域性陰極保護(hù)），應(yīng)采取有效的絕緣措施，防止陰極保護(hù)電流的泄漏，同時(shí)也可防止儀表?yè)p壞。

2.調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)必須采用能承受大差壓、低噪音的結(jié)構(gòu)，在下游管段安裝消音器，以減少由于流速過(guò)快引起的噪音、振動(dòng)、沖刷等對(duì)調(diào)節(jié)閥本身、管網(wǎng)及下游其他設(shè)備的危害。

3.建議在安全切斷閥前安裝流量計(jì)，將流量傳輸?shù)娇刂破?，參與調(diào)壓系統(tǒng)的精確控制。

4.設(shè)計(jì)時(shí)，注意考慮調(diào)壓指揮器以及控制管路的保溫，避免因冰堵造成控制失靈，釀成事故。

[1]袁獻(xiàn)忠.薛光.黃明軍.張繼亮.天然氣分輸站加量調(diào)壓設(shè)計(jì)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30（7）：528-529，535.

[2]桑薇薇.天然氣站場(chǎng)的計(jì)量調(diào)壓設(shè)計(jì)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（31）.

[3]朱熹平.付京晶.天然氣站場(chǎng)調(diào)壓截?cái)嗉夹g(shù)及應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2009，35（1）：19-22.

[4]宋德琦.蘇建華.任啟瑞等.天然氣工程叢書(shū)：天然氣輸送與儲(chǔ)存工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.12

[5]GB50251-2003，輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].