不可中斷供氣工業(yè)用戶的燃氣設計研究

劉麗萍，陳鵬飛（合肥燃氣集團有限公司，安徽 合肥 230075）

0 引言

不可中斷供氣工業(yè)用戶，是指因生產工藝、燃燒設備特性或用氣用途、性質等要求，停止供氣將導致安全事故、人員傷亡、重大財產損失、環(huán)保事故、社會穩(wěn)定等重大影響事件的天然氣用戶。這類用戶一般具有用氣量大、用氣壓力高、工藝復雜等特點。以HFRQ公司為例，目前供應不可中斷供氣工業(yè)用戶有20 多例，共涉及的行業(yè)有汽車制造、新能源產業(yè)、光伏發(fā)電、晶圓生產制造等。經(jīng)統(tǒng)計，這些用戶普遍每天用氣量在1 萬立方米以上，用氣壓力多為中壓。這些工業(yè)用戶不可中斷供氣主要原因有以下三個：

（1）項目以天然氣為燃料進行溫度控制，中斷供氣會導致其工藝產生改變，直接影響加工后的產品質量，造成用戶巨大的經(jīng)濟損失。

（2）項目采用天然氣為原料對其生產工藝排出的廢氣進行消納，一旦停供，大量的有毒有害氣體就擴散到空氣中，對環(huán)境造成巨大污染。

（3）項目以天然氣為燃料，中斷供氣會導致設備內進入混合氣體，影響設備的安全性?；谝陨咸匦裕瑢τ诓豢芍袛喙夤I(yè)用戶應采用更特殊的工藝設計方案，以保障項目不停輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 氣源的設計

天然氣管網(wǎng)在運行過程中可能存在突發(fā)停氣的情況，這些突發(fā)情況包括工程接氣、第三方施工損壞、管道腐蝕造成管網(wǎng)漏氣等。為不可中斷供氣工業(yè)用戶設置雙路氣源，主要為了保證一路氣源因以上原因中斷時，另外一路氣源能夠不間斷供氣。雙路氣源設計常采用的方式有以下兩種。

1.1 兩路市政管道分別接氣

適用于項目周邊管網(wǎng)較為成熟，已成環(huán)布置或有多個方向來氣，此方案一般調壓前須在廠區(qū)內布置兩道線路。當選擇的調壓設備位置距離市政管道較遠時，造價較高，因此，可在調壓設備選址時結合周邊管網(wǎng)及燃燒設備位置統(tǒng)籌考慮。如圖1 所示。

圖1 某工業(yè)窯爐項目雙路氣源示意圖

1.2 利用閥門實現(xiàn)兩個方向氣源

附近僅有一路市政氣源，第二路氣源距離較遠暫時無法接氣時適用此方案。如圖2 所示，利用閥門1把市政管道分為兩路，當1 點處市政管道出現(xiàn)故障需要維修時，關閉閥門1、2，打開閥門3 即可實現(xiàn)不間斷供氣，當2 點處市政管道出現(xiàn)故障時，關閉閥門1、3，打開閥門2 即可實現(xiàn)不間斷供氣。

圖2 某二期工業(yè)設備項目雙路氣源示意圖

2 調壓設備的設計

針對不可中斷供氣工業(yè)用戶，其調壓設備也要考慮雙路設計，在設備工作時，兩路調壓一開一備，互為備用，保障用氣的不可中斷性。符合規(guī)范對于“連接未成環(huán)低壓管網(wǎng)的區(qū)域調壓站和供連續(xù)生產使用的用戶調壓裝置宜設置備用調壓器”的要求，常采用的調壓器雙路設計主要有以下兩種形式。

2.1 兩路氣源，設置兩座調壓設備

此種方式結合中壓雙路氣源設計，從兩個不同的方向設置兩座調壓箱，可靠性較高。缺點是造價高，且占地較大，因調壓設備與建、構筑物的安全間距要求較高，調壓設備選址有一定難度，如圖3 所示。

圖3 調壓設備備用方案示意圖

2.2 設置備用路調壓器

對于不可中斷供氣工業(yè)用戶，內部結構選擇工作調壓器+備用路監(jiān)控調壓器組合設置方式，即采用2+0 型調壓器。選用2 臺型號完全相同的調壓器并聯(lián)，1 臺為主路工作調壓器，另外1 臺為備用路的監(jiān)控調壓器，額定流量選擇可以相同，也可以不同，工作調壓器的設定壓力根據(jù)下游燃燒設備的用氣壓力確定，監(jiān)控調壓器的設定壓力略低于工作調壓器的壓力，如圖4 所示。

圖4 并聯(lián)監(jiān)控調壓器（2+0）內部工藝流程圖

其工作原理如下：當工作調壓器發(fā)生故障或設備停機切換瞬間工作調壓器響應不及時造成出口壓力升高至緊急切斷壓力時，主路的緊急切斷閥動作，切斷氣路。由于下游窯爐持續(xù)用氣的影響，調壓后管道內壓力下降到監(jiān)控調壓器的驅動壓力，監(jiān)控調壓器打開開始工作，出口壓力略低于原出口壓力。

本方案具有以下優(yōu)點：

（1）工藝簡單，經(jīng)濟節(jié)約，適用的場所比較廣泛，節(jié)省占地和造價；

（2）只要監(jiān)控系統(tǒng)正?；蜻\行人員定期巡檢，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，就可以保證下游用戶的供氣安全和可靠性，是目前普遍運用于24 h 不間斷供氣用戶的方式。

本方案存在的問題如下：

（1）備用路的出口壓力低于正常出口壓力，可能無法滿足用戶的用氣需求。

（2）備用路的切斷壓力要高于工作路的切斷壓力很多，否則在工作路切斷的時候，備用路也將被切斷。

（3）雖然工作路備用路的切斷壓力有差別，但是在下游管道壓力瞬時升高幅度很大的情況下，備用路仍然有可能同時被切斷，造成停氣。

如果忽略經(jīng)濟性和使用空間不足等問題，可跟用戶溝通，將調壓設備采用更為安全的備用類型—串并聯(lián)監(jiān)控調壓器方式[3]，如圖5 所示。

圖5 串并聯(lián)式監(jiān)控調壓器工藝流程圖

其原理如下：當運行路工作調壓器發(fā)生故障，出口壓力升高，運行路監(jiān)控調壓器開始工作，如果監(jiān)控調壓器也發(fā)生故障導致下游壓力升高，運行路切斷閥關閉。由于下游繼續(xù)供氣，當下游壓力下降至備用路工作壓力以下時，備用路工作調壓器啟動，開始工作調壓，如果備用路的工作調壓器也不能正常調壓導致壓力升高，備用路監(jiān)控調壓器開始工作，從而保證不間斷供氣。串并聯(lián)監(jiān)控方式適用于對供氣要求較高的大型工業(yè)用戶。

3 調壓器的監(jiān)控

為了更好地服務用戶，實現(xiàn)對重點用戶的實時監(jiān)測，及時解決在設備運行過程中出現(xiàn)的問題等，對不可中斷供氣工業(yè)用戶、重要用戶調壓前/后可加裝壓力變送器等監(jiān)控裝置，通過4G/NB-Iot 直接上傳壓力變化數(shù)據(jù)到燃氣公司的SCADA 調度系統(tǒng)，實現(xiàn)對調壓器前、后壓力變化的記錄和實時監(jiān)控、報警。例如：供給ZJC 二期工業(yè)設備某日壓力低于設定值0.25 MPa，SCADA 系統(tǒng)報警提醒，運維部門通過控制閥門啟閉，加大該項目附近的高中壓流量及時解決壓力低問題。

4 調壓后管道的設計

4.1 緩沖的設置

4.1.1 設置緩沖的作用

當設備由停機狀態(tài)到運行狀態(tài)或由運行狀態(tài)到停機狀態(tài)時，調壓器前后壓差發(fā)生變化，此時調壓裝置在定壓彈簧的作用下，逐漸啟動（或關閉） 調壓器閥口。從定壓彈簧發(fā)揮作用到完全啟動（或關閉）調壓器閥口，需要一定響應時間（t），而這段時間內調壓裝置后管段內的燃氣壓力將發(fā)生較大變化，可能導致設備無法正常工作，或者調壓器切斷閥超壓切斷，導致生產設備停產。在調壓器出口與設備間設置適當?shù)木彌_管段或儲氣設施，第一是緩和因設備啟、停造成的調壓后管道內的壓力波動，二是給予設備啟動時所須的啟動裕量，從而保證設備的平穩(wěn)運行。

4.1.2 緩沖量的計算

以某三期窯爐項目燃氣工程為例，其調壓器出口設定壓力P2s=181 kPa，標況小時用氣量Q0=7 000 m3/h。由于窯爐由運行狀態(tài)到停機狀態(tài)所需的響應時間，要比其由停機狀態(tài)到運行狀態(tài)所需時間長，故本次以該窯爐由運行狀態(tài)到停機狀態(tài)來進行緩沖管長度的計算。

調壓器完全關閉時，調壓器后管段內壓力Pt為：

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范（2020 年版）》GB 50028—2006 第6.6.10 條第6 項對調壓器的安全保護（放散或切斷）裝置的規(guī)定“啟動壓力應根據(jù)工藝要求確定，當工藝無特殊要求時應符合下列要求：當調壓器出口壓力等于或大于0.08 MPa，但不大于0.4 MPa 時，啟動壓力不應超過出口工作壓力上限0.04 MPa”的要求，即Pt

式中：P2s為出口設定壓力；t為調壓器響應時間；Q0為用氣設備標況小時用氣量（Nm3/h）；P0為標準大氣壓；V0為調壓后緩沖體積；L為調壓后緩沖管長度。

該項目采用指揮器作用式調壓器，其響應時間較直接作用式調壓器要長，一般按照5～10 s 進行考慮。將其調壓器出口設定壓力P2s=181 kPa，標況小時用氣量Q0=7 000 m3/h，帶入（2）（3）式，進行簡單的計算，當調壓器的響應時間為5 s 時，選V0=29.3 m3，L=154 m（φ508×7.9 口徑鋼管）。

4.1.3 緩沖設計

針對以上類型工業(yè)用戶，其調壓設備選址時不應距離燃燒設備過近，保證調壓后有足夠的空間設置緩沖管段，也可考慮采用儲氣設施（緩沖罐）。但值得注意的是：

（1） 緩沖罐屬于壓力容器，壓力容器的設計、安裝、運行、維護都需要具備相應的資質。

（2）緩沖罐的使用風險高，監(jiān)督檢驗要求高的，長期不停氣運行風險大。

（3）緩沖罐此類壓力容器不停氣檢驗周期較短，僅有1～2 年，增加了用戶的檢驗成本和檢驗風險。而停氣檢驗，影響不可停輸工藝的安全供應。

如采用緩沖管段，只須隨項目本身建設進行壓力管道的監(jiān)督檢驗和定期檢驗即可。因此一般情況下應減少緩沖罐的使用，對于不可中斷供氣項目方面尤其要注意，在空間允許的情況下，應采用更為可靠的緩沖管段。

4.2 管道設計壓力

對于不可中斷供氣工業(yè)用戶，其工藝管道設計時應綜合考慮調壓設備設置的切斷壓力、放散壓力等因素對調壓后管道設計壓力的影響。如某調壓設備出口設定壓力為0.18 MPa（中壓B），按照規(guī)范要求，“當調壓器出口壓力等于或大于0.08 MPa，但不大于0.4 MPa 時，安全切斷閥的啟動壓力不應超過出口工作壓力上限0.04 MPa”，調壓設備的切斷壓力設置為0.22 MPa（中壓A），綜合考慮其切斷壓力、放散壓力調壓后管道設計壓力應選擇較高的壓力級別（中壓A） 更為可靠，可避免調壓后管道跨壓力級別運行風險，且運行和后期設備改造的壓力富裕量也較大。

5 計量系統(tǒng)的設計

5.1 流量計的選型

考慮到用氣的不可間斷性，采用一用一備的流量計配置方式。在表具類型的選擇上，大型工業(yè)項目中常采用的渦輪流量計及超聲波流量計。需注意的是超聲波流量無機械結構，一旦其電子部件出現(xiàn)故障，所有數(shù)據(jù)都無法查詢，用于貿易計量存在一定風險。

5.2 數(shù)據(jù)遠傳

流量計內嵌4G/NB-Iot 模塊，流量計直接通過4G/NB-Iot 連接到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心（大型不可中斷供氣工業(yè)用戶、重要用戶的數(shù)據(jù)直接連接到SCADA調度系統(tǒng)），通過以上手段，實現(xiàn)對溫度、壓力、標況瞬時流量、標況累積流量等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集。運維單位實行24 h 值班制度，對項目運行過程中出現(xiàn)的異常報警，可及時解決，保障用戶的用氣穩(wěn)定性。

5.3 數(shù)據(jù)記錄

帶遠傳的流量計，后臺數(shù)據(jù)庫保存歷史數(shù)據(jù)記錄，當需要時可導出。數(shù)據(jù)記錄是指流量計定時時間間隔（重要用戶通常為5 min） 記錄的流量計過程參數(shù)，記錄永久保存。有了上述記錄，當流量計發(fā)生異常情況時，一是可以及時通過及時上傳的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)并解決問題，二是可通過查閱記錄，為協(xié)商解決貿易結算提供一種依據(jù)，最大程度解決計量糾紛，保護供需雙方的權益。

6 結語

綜上所述，在為不可中斷供氣工業(yè)用戶設計方案中，要詳細了解用戶的設備工藝詳情和用戶需求，在用戶提供安全可靠的供氣方案的同時，也要考慮設備和管網(wǎng)在運行全過程的安全性。

（1）對于不可中斷供氣工業(yè)用戶，最重要的就是考慮備用設計，包括氣源、調壓設備、計量設備都要考慮備用，最大限度地保障其不可中斷性。

（2）應當科學選擇各設備工藝參數(shù)，設計方案應當根據(jù)用戶設備工藝要求對調壓設備內部結構、配置提出更加有針對性的要求，以供采購部門采購設備時進行參考。

（3）應科學選擇調壓設備出口壓力、切斷壓力、放散壓力。進行工藝管道設計壓力選擇時，考慮放散、切斷壓力等對調壓后管道設計壓力的影響。避免管道跨壓力級別運行風險。

（4）為保證用戶的用氣穩(wěn)定性，避免壓力波動燃燒設備的影響，調壓后管段設置管容應科學、可靠。

（5）建議在不可中斷供氣工業(yè)用戶、重點用戶等的管理中逐步引入遠程壓力監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對重點用戶、壓力較高用戶調壓前后壓力的有效監(jiān)管，為用戶設備的平穩(wěn)運行提供更為可靠的保障。