上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 孫永康

典型城市天然氣門站主要設(shè)備設(shè)計(jì)選型

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 孫永康

著重介紹了在城市天然氣門站設(shè)計(jì)中過濾、計(jì)量、調(diào)壓等主要設(shè)備的選型、指出選型中的關(guān)鍵要點(diǎn)；同時(shí)根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提出相應(yīng)的選型原則。

天然氣 調(diào)壓模塊 計(jì)量模塊 過濾模塊 設(shè)備選型

0 概述

城市天然氣門站主要工藝流程為：來自上游高壓天然氣在門站內(nèi)經(jīng)前處理(過濾、加熱)、調(diào)壓、計(jì)量、加臭、分輸進(jìn)入城市天然氣高壓管網(wǎng)(有些門站還配置有清管檢管裝置)，詳見圖1。本文主要討論城市門站的三大核心模塊：前處理模塊、調(diào)壓模塊、計(jì)量模塊。其中，調(diào)壓模塊和計(jì)量模塊是門站關(guān)鍵設(shè)備，保證下游管網(wǎng)的運(yùn)行安全及與貿(mào)易交接氣量對(duì)比參照的準(zhǔn)確性，前處理模塊是保證調(diào)壓及計(jì)量設(shè)施安全運(yùn)行的前提。

圖1 典型城市門站工藝流程

1 調(diào)壓模塊

目前城市天然氣門站主要采用自力式調(diào)壓器中的軸流式調(diào)壓器，中小型城市天然氣門站規(guī)模較小，主要采用傳統(tǒng)的非軸流式調(diào)壓器。當(dāng)門站設(shè)計(jì)規(guī)模大，要考慮非軸流式調(diào)壓器的流量(流通能力)限制和路數(shù)增多、以及運(yùn)行的噪音等因素，需和軸流式調(diào)壓器進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案分析。一般情況，當(dāng)門站設(shè)計(jì)流量達(dá)到40萬m3/h規(guī)模以上時(shí)，由于軸流式調(diào)壓器的流量可以遠(yuǎn)大于非軸流式的流量，口徑、路數(shù)可相對(duì)減少，使用軸流式調(diào)壓器的總投資可相對(duì)降低，因此在大型門站及長(zhǎng)輸管線大型分輸站通常采用軸流式調(diào)壓器。以下主要分析調(diào)壓器選型。

天然氣門站中的調(diào)壓器一般采用“調(diào)壓火車”的形式設(shè)置，即單路由“切斷閥+監(jiān)控調(diào)壓器+工作調(diào)壓器”的形式。根據(jù)門站規(guī)模大小可以設(shè)置多路，能夠做到并聯(lián)監(jiān)控及自動(dòng)啟閉多路“調(diào)壓火車”。調(diào)壓火車的運(yùn)行模式為，正常情況下工作調(diào)壓器工作，監(jiān)控調(diào)壓器全開，事故時(shí)工作調(diào)壓器全開，監(jiān)控調(diào)壓器進(jìn)入工作狀態(tài)，監(jiān)控調(diào)壓器事故時(shí)因下游超壓，切斷閥關(guān)閉，并自動(dòng)啟動(dòng)下一路調(diào)壓火車。切斷閥一旦動(dòng)作，需人工復(fù)位。

1.1 選型計(jì)算

城市門站天然氣調(diào)壓器形式選用自力式間接作用調(diào)壓器時(shí)，其基本選型計(jì)算過程如下，根據(jù)調(diào)壓前后壓力及單路流量計(jì)算調(diào)壓閥的流量系數(shù)Cg值，然后根據(jù)Cg值進(jìn)行口徑選取。

壓臨界工況(p1＜2p2)時(shí)：

超臨界工況(p1≥2p2)時(shí)：

式中：p1、p2——調(diào)壓器前后壓力，MPa；

Q——?dú)怏w流量(取下游管網(wǎng)高峰小時(shí)流量的1.2倍)，m3/h。

根據(jù)調(diào)壓閥流量系數(shù)Cg值進(jìn)行選取，見表1：

表1 某品牌調(diào)壓閥的流量系數(shù)

初選調(diào)壓閥口徑后，根據(jù)選定產(chǎn)品的流量系數(shù)及開度函數(shù)關(guān)系(見圖2)，確定調(diào)壓器的正常開度，確保調(diào)壓閥各種運(yùn)行工況下開度在20%~80%之間，以保證穩(wěn)壓精度及調(diào)壓器的工作壽命。

圖2 某品牌調(diào)壓器的流量系數(shù)及開度函數(shù)關(guān)系

同時(shí)，在確定調(diào)壓閥口徑后，為了確保調(diào)壓器的良好工作性能，避免磨蝕、限制噪聲，需校核調(diào)壓閥出口法蘭處的流速，確保流速低于50 m/s，調(diào)壓器出口法蘭處的流速計(jì)算公式如下：

式中：V——?dú)怏w流速，m/s；

Q——?dú)怏w流量，m3/h；

DN——調(diào)壓器公稱直徑，mm；

p——出口表壓，MPa。

1.2 調(diào)壓器選型關(guān)鍵點(diǎn)

(1)調(diào)壓器的調(diào)壓精度、關(guān)閉精度需明確。一般取1%及5%。

(2)調(diào)壓器的泄漏等級(jí)需明確，即關(guān)閉性能。

(3)明確調(diào)壓器噪音控制措施，調(diào)壓器噪聲不應(yīng)大于75dBA(以調(diào)壓器為中心，半徑1 m范圍內(nèi))。

(4)間接作用自力式調(diào)壓器的指揮器應(yīng)設(shè)精細(xì)過濾器。

2 過濾模塊

為了保證門站調(diào)壓器及流量計(jì)的正常運(yùn)行，需對(duì)來氣進(jìn)行前處理，城市天然氣門站一般要求過濾器對(duì)5 μm的粉塵過濾精度達(dá)到99%。在高壓天然氣站場(chǎng)中選用的過濾設(shè)備常用的有3種：旋風(fēng)分離器、過濾分離器、過濾器，結(jié)構(gòu)示意見圖3~5。

圖3 旋風(fēng)分離器及旋風(fēng)管

圖4 過濾分離器

圖5 小型過濾器

常用旋風(fēng)分離器是利用離心力原理，燃?xì)鈴牧⒄p形進(jìn)氣口切向進(jìn)入，利用氣流動(dòng)能在管內(nèi)形成旋風(fēng)流，由于燃?xì)狻庵械墓腆w顆粒及液滴的密度差異，在離心力的作用下，清潔燃?xì)鈴纳蠈?dǎo)管流走，固體顆粒及液滴經(jīng)下導(dǎo)管落入旋風(fēng)分離器底部，從排污口排出。旋風(fēng)管的數(shù)量根據(jù)燃?xì)饬髁亢驮试S的壓降確定(見圖3)。

過濾分離器原理：一般為臥式結(jié)構(gòu)。燃?xì)鈴倪M(jìn)氣口進(jìn)入隔板左側(cè)的濾芯室內(nèi)，氣體從管狀形的濾芯外側(cè)向?yàn)V芯中心匯聚，過濾后的氣體通過安裝濾芯的根部鋼管，進(jìn)入隔板右側(cè)的空間，通過葉片式分離元件進(jìn)一步分離氣中微小液滴，最后凈化的氣體從出口排出；分離出的雜質(zhì)和液滴分別從隔板左右室經(jīng)積液器排出(見圖4)。

小型過濾器原理：常用的過濾器為立式。氣體從側(cè)面進(jìn)入，從濾芯外側(cè)穿過濾材向中心匯聚，雜質(zhì)被擋在濾芯外圍并下落到底部聚集排出，清潔氣體從與濾芯內(nèi)部連通的彎頭和管道排出(見圖5)。

以上3種除塵過濾設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)分析如表2。

表2 過濾除塵設(shè)備的性能比較

3 流量計(jì)的選型

高壓天然氣站場(chǎng)由于壓力高、流量大，如果計(jì)量誤差超差，其絕對(duì)值就很大。對(duì)于貿(mào)易計(jì)量，就意味著會(huì)有一方產(chǎn)生很可觀的經(jīng)濟(jì)損失，違背《計(jì)量法》且有失公平。因此要求整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度較高，計(jì)量系統(tǒng)規(guī)定為1級(jí)，而對(duì)流量計(jì)而言，準(zhǔn)確度要求為0.5級(jí)。

常用的燃?xì)饬髁坑?jì)有：超聲、渦輪、標(biāo)準(zhǔn)孔板、質(zhì)量、旋進(jìn)漩渦、腰輪等等。目前，在高壓天然氣站場(chǎng)的計(jì)量?jī)x表常用的主要是：超聲流量計(jì)和渦輪流量計(jì)。

3.1 超聲流量計(jì)

超聲流量計(jì)是采用傳播時(shí)間差法通過測(cè)量高頻聲脈沖的傳播時(shí)間差得出氣體流量的速度式流量計(jì)。讓聲脈沖在管道內(nèi)向逆流和順流沿斜線方向傳播，分別測(cè)量它們的傳播時(shí)間，其傳播時(shí)間差與氣體的軸向平均流速有關(guān)，從而使用數(shù)值計(jì)算技術(shù)計(jì)算出在工作條件下通過氣體超聲流量計(jì)的氣體軸向平均流速和流量。

超聲流量計(jì)管狀殼體上安裝了多對(duì)能發(fā)射和接收超聲脈沖的傳感器形成多聲道(見圖6)。為了保證大流量下的準(zhǔn)確計(jì)量，超聲流量計(jì)一般要求4聲道，以克服燃?xì)馑俣确植蓟兗靶D(zhuǎn)流等不正常流動(dòng)速度場(chǎng)帶來的影響。

超聲流量計(jì)由結(jié)構(gòu)原理(見圖7)可知，當(dāng)L較長(zhǎng)時(shí)可測(cè)得超聲波在順流與逆流中傳播較準(zhǔn)確的時(shí)間差，因此一般較大口徑(≥DN100)的流量計(jì)便于制造以保證準(zhǔn)確度。

圖6 四聲道超聲流量計(jì)

圖7 超聲流量計(jì)測(cè)量原理

3.2 渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)也是速度式流量計(jì)。其結(jié)構(gòu)見圖8。進(jìn)入流量計(jì)的被測(cè)氣體，經(jīng)截面收縮的導(dǎo)流架加速后,通過進(jìn)口通道作用在渦輪葉片上，推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪軸安裝在滾動(dòng)軸承上。與被測(cè)氣體體積成正比的葉輪轉(zhuǎn)數(shù)，經(jīng)多極減速后傳送到多位數(shù)的計(jì)數(shù)器上，顯示出被測(cè)氣體的實(shí)際狀態(tài)下的體積量。

圖8 氣體渦輪流量計(jì)

3.3 渦輪表與超聲波表性能對(duì)比

渦輪表與超聲波表主要性能對(duì)比如下表：

表3 超聲波與渦輪表的性能對(duì)比

3.4 流量計(jì)選型注意事項(xiàng)

(1)貿(mào)易計(jì)量時(shí)，需流量計(jì)的精度達(dá)到0.5級(jí)。

(2)需明確流量計(jì)的最大量程和最小量程。管網(wǎng)最小流量負(fù)荷應(yīng)大于最小流程。

(3)當(dāng)管網(wǎng)近期遠(yuǎn)期流量變化較大時(shí)，建議近期使用小流量表、遠(yuǎn)期使用大流量表、以保證計(jì)量精度。

(4)注意超聲波流量計(jì)算機(jī)及渦輪表體積修正儀的選配合理。

(5)在門站設(shè)計(jì)時(shí)盡量考慮在線標(biāo)定系統(tǒng)接口。

4 結(jié)論與建議

門站作為城市天然氣交接點(diǎn)，一旦出現(xiàn)事故影響范圍大，同時(shí)涉及到與上游的計(jì)量對(duì)比。因此，核心三大模塊：過濾、調(diào)壓及計(jì)量設(shè)備的選型時(shí)需根據(jù)規(guī)模、來氣壓力、管網(wǎng)運(yùn)行壓力等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算合理選型。

Design and Selection of Major Equipment of the Typical Natural Gas Stations

Shanghai Gas Engineering Design & Research Co., Ltd. Sun Yongkang

This paper mainly introduces the main equipments choice for the natural gas station, such as filter regulators, meters and so on, illustrating the key points, and according to engineering experience, summarizes the equipment selection principle at the same time.

Natural gas, regulator model, metering model, filter model, equipment choice.