燃氣輸氣站調壓系統參數設置

上海天然氣管網有限公司 胡嶸

燃氣調壓系統是多壓力級別燃氣輸配系統相互銜接的關鍵設施，承擔了在上一級燃氣輸配系統向下一級燃氣輸配系統供氣過程中穩定向下游輸配系統的供氣壓力的作用。

一般來講，燃氣調壓系統由兩個以上調壓回路并聯構成，每個調壓回路由安全保護(放散或切斷)裝置、調壓器和閥門組成。構成形式見圖 1、2、3所示。

圖1 帶監控調壓器的燃氣調壓系統

圖2 不帶監控調壓器的燃氣調壓系統

圖3 自帶安全切斷閥的調壓器的燃氣調壓系統

上海天然氣管網有限公司作為一個接收“西氣東輸”、洋山LNG、“川氣東送”等長輸氣源并通過管網輸配系統供應上海下游各區域燃氣銷售公司和大型企業用戶的中游燃氣銷售企業，所擁有的燃氣調壓系統包括了上述三種形式。因此，以此作為研究燃氣輸氣站調壓系統參數的設置的對象具有較強的代表性。

1 燃氣調壓系統參數合理設置的重要性

燃氣調壓系統參數的合理設置至少影響到燃氣輸配系統建設和運行管理的三個方面：

(1)從供氣源頭保障下游燃氣輸配管網的安全性，避免下游輸配管網超壓和脫壓；

(2)優化已運行的下游燃氣輸配管網的燃氣輸送效率，燃氣輸送壓力直接影響到燃氣管道內的介質流速和沿途壓力損失，一般來講，氣源側壓力越高，沿途燃氣流速較低和壓力損失減少；

(3)通過保障管網運行的安全性和優化輸送效率，進而節約新建輸配管網的投資成本。

因此，研究燃氣調壓系統的參數并確定合理、科學的參數設置值，對保障當前以及今后的燃氣運行安全和推進燃氣行業的發展十分有必要。

本文就以下兩個問題進行探討和研究：

(1)根據現行國家強制性標準，燃氣調壓系統的參數如何設置；

(2)同國家強制性標準所參考的國外先進技術標準相對比，國內燃氣調壓系統參數設置的可借鑒之處。

2 調壓系統參數設置現行標準和依據

當前，我國針對燃氣調壓系統的標準和依據有：

(1)適用于陸上輸氣管道工程設計的《輸氣管道工程設計規范》(GB 50251—2003)第3章第4節“輸氣管道的安全泄放”：

“3.4.3輸氣站存在超壓可能的受壓設備和容器，應設置安全閥。”

“3.4.4安全閥的定壓應小于或等于受壓設備和容器的設計壓力。安全閥的定壓(po)應根據管道最大允許操作壓力(p)確定，并應符合下列要求：

1 當p≤1.8 MPa時，po=p+0.18 MPa；

2 當1.8 MPa＜p≤7.5 MPa時，po=1.1 p；

3 當p＞7.5 MPa時，po=1.05 p”

第8章第4節“監控”：

“8.4.3 第2款 對連續供氣的管線宜采取雙回路或多回路并聯的壓力調節系統。”

“8.4.6 當供氣壓力超限會危及下游供氣系統設施安全時，應設置可靠的安全裝置系統。當可能的最高進口壓力與允許最高出口壓力之差大于1.6 MPa和進出口壓力之比大于1.6時，可選擇下列措施：

1 每一回路串聯安裝2臺安全截斷設備；安全截斷設備應具備快速關閉能力并提供可靠的截斷密封。

2 每一回路安裝1臺安全截斷設備和1臺附加的壓力調節控制設備。

3 每一回路安裝1臺安全截斷設備和1臺最大流量安全泄放設備。”

(2)《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028—2006)第6章(6.1.1本章適用于壓力不大于4.0 MPa(表壓)的城鎮燃氣(不包括液態燃氣)室外輸配工程的設計)第6節“調壓站與調壓裝置”：

“6.6.10 第 5款 在調壓器燃氣入口(或出口)處，應設防止燃氣出口壓力過高的安全保護裝置(當調壓器本身帶有安全保護裝置時可不設)。”

“6.6.10 第6款 安全保護(放散或切斷)裝置必須設定啟動壓力值并具有足夠的能力。啟動壓力應根據工藝要求確定，當工藝無特殊要求時應符合下列要求：

……

3)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；

4)當調壓器出口壓力大于0.4 MPa時，啟動壓力不應超過出口工作壓力上限的10%。”

(3)《安全閥一般要求》(GB/T 12241—2005)第3章第2節“壓力”：

“3.2.1整定壓力set pressure安全閥在運行條件下開始開啟的預定壓力，是在閥門進口處測量的表壓力。在該壓力下，在規定的運行條件下由介質壓力產生的使閥門開啟的力同使閥瓣保持在閥座上的力相互平衡。”

“3.2.2超過壓力overpressure超過安全閥整定壓力的壓力增量，通常用整定壓力的百分數表示。”

“3.2.5排放壓力relieving pressure整定壓力加超過壓力。”

第4章第2節“動作性能和排量”：

“4.2.1.1 整定壓力偏差不應超過±3%整定壓力或±0.015 MPa的較大值。”

“4.2.1.2 排放壓力的上限應服從有關標準或規范的規定。”

另2012年3月1日實施的《固定式壓力容器》(GB 150—2011)對安全閥整定壓力偏差的規定同《安全閥一般要求》4.2.1.1所述內容一致。

我國現行國家標準參考的國外標準主要有美國聯邦強制性法規《聯邦管道安全法》第192天然氣部分第169條、美國《輸氣配氣管道系統》ASME B31.8第 843.441條、歐盟標準《天然氣供氣系統——輸配氣調壓站功能要求》(EN 12186—2000)。(見《輸氣管道工程設計規范》(GB 50251—2003)條文說明3.4.4)。

3 國內燃氣調壓系統的參數設置

根據上述國內強制性標準，結合燃氣調壓系統內設備/裝置的構成，系統各主要參數MAOP、po、psv、pd之間的關系如下表1：

表1 調壓系統MAOP、po、psv、pd之間的關系單位：MPa

MAOP—管線系統遵循 GB 50251—2003的規定，所能連續操作的最大壓力，等于或小于設計壓力；

po—安全放散閥的定壓，即安全閥的整定壓力；

psv—調壓器安全保護(放散或切斷)裝置的啟動壓力；

pd—系統設計壓力。

在實際進行調壓系統參數設置時，還應考慮整個系統的響應時間以及系統內各主要裝置的精度。見圖4：

圖4 調壓系統MAOP、po、psv、pd之間的關系

其中：AG—安全放散閥的精度；

AC—安全保護(放散或切斷)裝置的精度；po—安全放散閥的最大設置壓力值；

psv—安全保護(放散或切斷)裝置的最大設置壓力值；

MOP—工作調壓器的最大設置壓力值，即在穩定操作條件下，管線系統中的最大實際操作壓力；

OP—操作壓力。

舉例來說明，對于下游最大允許操作壓力(MAOP)為0.4 MPa的管線系統，若安全保護(放散或切斷)裝置的精度為 1%(參考 Fiorentini Shanghai LTD公司SB82型內裝式緊急切斷閥精度0.5%)，調壓器精度為1%(參考Fiorentini Shanghai LTD公司REFLUX819型調壓器精度≤1%)，則圖2和圖3兩種類型的兩路并聯調壓系統參數設置如下：

表2 圖2和圖3兩種類型的兩路并聯調壓系統參數設置單位：MPa

當可能的最高進口壓力與允許最高出口壓力之差大于1.6 MPa和進出口壓力之比大于1.6時，若采用監控調壓器，且監控調壓器精度為1%，則圖1類型兩路并聯調壓系統參數設置如下：

表3 圖1類型兩路并聯調壓系統參數設置單位：MPa

綜上所述，可總結出調壓系統參數設置方面的三點重要經驗：

(1)若要保證下游的最大允許操作壓力(MAOP)則調壓系統下游側的設計壓力應高于表 1中安全放散閥整定壓力，例如對于MAOP為0.4 MPa的下游管線系統，調壓系統出口側設計壓力應不低于0.597 MPa(整定壓力+整定壓力偏差)；

(2)調壓系統內調壓回路數量、安全裝置數量的增加可能導致主調壓器的MOP值的降低，回路/裝置數量越多，MOP值降低的可能性越大；

(3)調壓系統內調壓裝置和安全裝置的精度直接影響到主調壓器MOP值的設定，高精度的裝置可以有效保障調壓系統的MOP值。

通過對國家強制性標準的研究和實踐總結，可以對我國燃氣行業當前調壓系統參數設置的特點作如下歸納：

(1)在任何情況下，管線系統的設計壓力作為系統內所有壓力參數不可逾越的上限；

(2)將安全切斷閥作為安全放散閥的屏障，避免安全放散閥的啟動。

上述特點導致了當前業內燃氣調壓系統往往采用以犧牲輸配能力來滿足國家標準的方式進行運作。如若調壓系統出口側設計壓力同下游管線系統設計壓力相同，則設計壓力為0.4 MPa的下游管線系統，其實際最大操作壓力僅有0.205 MPa，尚且不到其設計壓力的六成，這將導致下游管線系統輸送量和輸送流速的不足，沿途管道壓損增加。

以管網運行的經驗來看，犧牲輸配能力至少存在以下風險：

(1)運行管理風險增加。系統輸送效率的不足，使得燃氣銷售公司在保障城鎮居民用氣高峰時顯得捉襟見肘，甚至面臨管網局部脫壓的風險。

(2)設備投資建設成本增加。燃氣企業為應對系統輸送效率的不足，必須增加建設氣源供應站、擴大管網管徑以及采用高成本的高壓力等級裝置/設施。此外氣源單位也不得不提高輸氣站點調壓系統出口側的設計壓力來滿足安全要求。

另外，國家標準對調壓系統的附件，例如閥門形式等，所規定的內容尚有不足之處，例如對來自下游管線系統的逆流給調壓系統性能帶來的負面影響、調壓系統出口側安全放散閥放散時將連同下游管線系統一同放散等情況缺乏預見。

如何改進調壓系統的參數設置，使其更科學、更合理？

我們不妨從國家強制性標準廣泛引用的國外標準中進行借鑒。

4 國外燃氣調壓系統的參數設置

以歐盟標準《天然氣供氣系統——輸配氣調壓站功能要求》(EN 12186—2000)為例。

該標準在第8章規定了針對調壓系統的一系列壓力控制要求。

該標準確定了調壓系統在壓力控制中的5個壓力概念及之間的關系。

這5個概念包括：

DP(design pressure)設計壓力—設計計算所依據的壓力。

MOP(maximum operating pressure)最大操作壓力—在正常操作條件下(所有裝置或管路都沒有發生故障)，系統可以維持運行的最大壓力。

Peak level OP操作壓力峰值。

TOP(temporary operating pressure)臨時操作壓力—在調壓裝置的控制下，系統可短暫運行的壓力。

MIP(maximum incidental pressure)最大事故壓力—系統在短時間內能夠承受的最大壓力，受安全裝置的限制。

這5個壓力概念之間的關系見下表：

表4 MOP、peak level OP、TOP、MIP之間的關系

注：只有在MOP小于DP的情況下，表4中的壓力關系可適用于DP。

例如：DP為0.01 MPa，則MOP等于0.007 5 MPa，則TOP可以達到1.5×0.01 MPa，則MIP可以達到2.5×0.01 MPa。

上述內容直接引用自EN 12186—2000。MOP取值范圍依據歐盟標準對DP等級劃分的不同，例如。2

EN 12186—2000對調壓系統壓力控制的一般原則，根據原文翻譯如下：

(1)壓力控制系統需要將下游系統的壓力維持在所需范圍內，并且確認該壓力不超過允許值。下游系統包括其連接至再下一級壓力系統的所有管道。

(2)調壓系統要將壓力維持在下游系統可接受的限制值內。該設定值不超過MOP。考慮到系統動力特性，運行壓力可以高于該設定值。但調壓系統不允許下游系統壓力超過peak level OP值。

(3)壓力安全系統要能自動運行以防止下游系統的壓力超過允許范圍，并考慮留有一定的余量。

(4)壓力安全系統包括無放散的安全裝置和帶放散的安全裝置。全開啟式安全放散裝置僅可作為連接無放散安全裝置的次級安全系統。放散至大氣中的燃氣量要盡可能少。

(5)在確定運行原則時要考慮為任何壓力升至高于允許限值的情況提供充分的保護措施。在確定安全系統設定值(不超過 MIP)時，還要考慮系統的反應時間。

(6)監控調壓器的設置值不得超過TOP。如果報警系統或站內監控頻繁觀察到在短時間內監控調壓器接管主調壓器，則MIP(替代TOP)可以考慮作為設置值。

(7)如果使用安全放散裝置，則設置值不得超過MIP。

對于調壓系統所需安全系統的應用規定如下表所示：

表5 調壓系統所需安全系統的應用

其中：

MOPu—最大上游操作壓力

MOPd—最大下游操作壓力

MIPd—最大下游事故壓力

STPd—下游強度試驗壓力

根據EN 12186—2000的原則和壓力概念劃分，調壓系統各參數之間的關系見圖5：

圖5 EN 12186—2000調壓系統各參數之間的關系

其中：

STP—強度試驗壓力

MIP—最大事故壓力

TOP—臨時操作壓力

OP—操作壓力

MOP—最大操作壓力

SP NOM 3—安全切斷閥的最大設置壓力

SP NOM 2—監控調壓器的最大設置壓力

SP NOM 1—工作調壓器的最大設置壓力

AC—調壓器精度

AG—安全切斷閥精度

根據該規范，對于高壓燃氣輸送系統(MOPu為3.0～6.0 MPa；下游設計壓力0.4 MPa，則MOPd為0.37 MPa)，采用2級調壓、雙回路調壓系統(其中調壓器精度和切斷閥精度按 1%計)的應用實例如圖6所示：

圖6 EN12186-2000應用實例

表6 EN 12186—2000應用實例調壓系統參數單位：MPa

5 國內外燃氣調壓系統參數設置的異同

通過對國內外對燃氣調壓系統參數設置標準和應用進行對比可以發現兩者在系統內調壓器數量和安全裝置的選取方面認識相近。但在系統內壓力概念的劃分、系統內設備工藝設計等方面存在不同之處：

5.1 系統壓力概念差異

(1)設計壓力：國內將設計壓力作為系統內所有壓力參數的上限。歐盟標準則要求MOP不得超過設計壓力，而監控調壓器和安全切斷閥的壓力均可超過設計壓力，但不得超過MIP。此外對MIP值的設置上限充分考慮了設施所進行的強度試驗壓力值。因此相較而言，在同等設計壓力下，采用歐盟標準，則管線系統的運行壓力和輸配效率較高。

(2)安全切斷閥和安全放散閥壓力：國內將安全切斷閥設置值設為低于安全放散閥壓力，即先切斷后放散。歐盟標準則先放散后切斷，可充分發揮安全裝置的功能。

(3)監控調壓器壓力：國內雖然有安裝監控調壓器（壓力調節控制設備）的要求，但卻無監控壓力設置的具體標準。若按常識，將監控調壓器壓力設置值介于主調壓器和安全切斷閥壓力之間，則監控調壓器壓力值同主調壓器的壓力設置值較為接近，一旦主調壓器發生故障，則可能導致監控調壓器反應不及，進而導致調壓回路切斷。歐盟標準則對監控調壓器的是否適用及其參數設置有明確的要求。

5.2 調壓系統內設備工藝設計差異

相比之下，歐盟標準采用了在主調壓器下游側設置止回閥的工藝設計。其利用止回閥防止逆流的工作原理，將安全切斷閥的取壓點、監控調壓器的取壓點以及安全放散閥設置在止回閥之前。這樣的工藝設計至少能有三個作用：

(1)能夠有效保護安全切斷閥和監控調壓器免受下游管線系統壓力波動的影響，提高調壓系統的穩定性；

(2)一旦安全放散閥起跳，可以最大限度地減少安全放散量；

結合先放散后切斷的參數設置，在最大程度上保障下游用戶的連續供應，并能夠在短時間恢復調壓系統正常工作。

6 結論和建議

以筆者從事燃氣輸配工作的經驗和教訓來看，在當前城市燃氣銷售/輸配企業面對天然氣市場需求大發展的局面，苦于尋求提高管輸效率、提高輸配系統安全穩定性的突破的情況下，不妨深入研究本已借鑒的國外標準，將其在對管輸和調壓系統所進行系統性的考慮和設計、對調壓系統穩定性的考慮和設計以及對設施所在環境影響的考慮和設計，結合國內實踐經驗，取長補短，為天然氣市場和安全運行提供進一步的保障和支持。