巴佐伊壓氣站燃氣調壓橇的設計

于 波，胡梅花

中國石油工程建設有限公司北京設計分公司，北京 100089

以往石油工程項目中使用的燃氣調壓橇大多采用高、低壓供氣單獨成橇，即單個橇中只含高壓（或低壓） 管路及其備用管路。兩個橇的主工作路需要同時運行，備用路處于熱備狀態。當某個橇塊的工作路與備用路的共享裝置（如過濾器或入口閥門） 出現故障時，需要停運整個橇進行檢修，這樣就造成了該橇服務的下游用戶在維修階段不能正常用氣，導致下游主要工藝設備如壓縮機、發電機停止工作，甚至整個壓氣站的短期停運及控制系統的關斷，給工程帶來不必要的麻煩與損失。另外，燃氣調壓橇一般置于室外，因而長期暴露于外部環境之中；或需要專門為調壓橇設置廠房。巴佐伊壓氣站的調壓橇裝置改變了這一設計思路，它由兩個配置完全相同的橇裝單元組成，每個橇裝單元都包含高、低壓管路，兩個橇裝單元一用一備，同時為燃氣調壓橇設置了箱體外殼，避免了以往工程慣例中出現的由于某一個橇出現故障，不能為其所服務的所有高壓（或低壓） 氣用戶供氣的現象。

1 工程概況

“別伊涅烏—巴佐伊—奇姆肯特”天然氣管道（以下簡稱哈南線） 是中亞天然氣管道的重要組成部分，全長1 476.7 km。巴佐伊壓氣站位于哈南線311 km 處，壓氣站的建設使哈國西部豐富的天然氣資源經過增壓，順利輸送到人口眾多的南部各大城市，優化了哈國能源結構，造福了沿線居民，促進了經濟發展。

為保證站內用氣設備（如壓縮機組的燃氣輪機、燃氣發電機以及生活用氣設備） 對燃料氣的要求，在壓氣站內設置燃氣計量調壓系統，為站內提供自用氣安全氣源。燃氣計量調壓系統采用橇裝化設計，主要包括氣體過濾、計量、加熱、調壓等主體設備。

2 工藝原理

2.1 總體要求

本項目的燃氣調壓橇裝置由兩個配置完全相同的橇裝單元組成，每個橇裝單元主要包括外箱、過濾、計量、加熱、調壓裝置等。根據工藝需要，燃氣調壓橇裝置為高壓用戶（壓縮機組的燃氣輪機）和低壓用戶（發電機、鍋爐和倒班村） 供氣。天然氣經過調壓后，供給燃氣輪機的壓力約為2.0 MPa，供給發電機、鍋爐和倒班村的壓力約為0.6 MPa。為了避免下游燃氣管道出現凝液并滿足下游用戶入口溫度要求，天然氣經過調壓后出口溫度控制在露點20 ℃以上。

2.2 工藝流程

兩個橇裝單元并列布置相距4 m，互為備用。每個橇裝單元均包含高、低壓兩個支路，高壓支路供氣給壓縮機組的燃氣輪機，低壓支路供氣給發電機、鍋爐和倒班村。燃氣調壓橇裝置工藝流程如圖1 所示。

圖1 燃氣調壓橇裝置工藝流程

為保證系統和各設備正常工作，天然氣進入燃氣調壓橇裝置后，首先進入過濾分離器進行凈化，除去少量的水、燃氣凝液及機械雜質等，過濾效率達99.8%。經過濾后的氣體分流，分別進入高壓支路和低壓支路，每條支路包括流量計、加熱裝置和調壓單元，調壓單元按1 臺安全切斷閥和2臺調壓閥（監控調壓閥和工作調壓閥） 串聯的方式設置[1]。

互為備用的橇裝單元入口和橇間均設有電動閥，可以在控制室實現遠程切換。通常橇裝單元內電動閥處于常開狀態，橇裝單元間切換的電動閥處于常閉狀態。例如橇裝單元內入口電動閥MOV0001、MOV0002 處于常開狀態，橇裝單元間切換電動閥MOV0003 處于常閉狀態，當工作路入口端的過濾器發生故障時，關閉工作路入口電動閥并打開切換閥MOV0003，備用路過濾器投入工作。為了防止因長時間不使用備用路而導致其設備性能下降，可使用以下方法定期互換工作路與備用路[2]。例如，兩高壓支路的橇內電動閥MOV0103、MOV0104 處于常開狀態，橇裝單元間切換閥MOV0105 處于常閉狀態，當需要兩支路切換時，關閉工作路的撬裝單元內電動閥，打開切換閥MOV0105，可使備用路投入工作。

2.3 調壓路自動切換基本原理

燃氣調壓橇裝置高壓/低壓工作路與備用路自動切換的前提條件是：

（1） 工作路的工作調壓閥壓力設定值稍高于其備用路的工作調壓閥壓力設定值。

（2） 工作路的安全切斷閥壓力設定值略低于其備用路的安全切斷閥壓力設定值[3]。

對于每個支路，安全切斷閥的設定壓力高于監控調壓閥，監控調壓閥的設定壓力高于工作調壓閥。在正常情況下，工作路的安全切斷閥及監控調壓閥處于全開位置，工作調壓閥對下游壓力進行調節。當工作調壓閥出現故障，下游管道壓力上升至監控調壓閥的設定壓力時，監控調壓閥將投入運行控制管道壓力。如果監控調壓閥也失效，下游壓力繼續升高，達到工作路安全切斷閥的設定值時，切斷閥緊急關斷。隨著調壓橇裝置下游管道氣量消耗，出口壓力降低至備用路的工作調壓閥的設定壓力值時（備用路工作調壓閥常關），備用路的調壓閥開始工作，向下游管路供氣[3]。

需要注意的是，由于工作路的調壓閥故障而引起的出口壓力升高，不會導致備用路安全切斷閥切斷。工作路的出口與備用路的出口管道是連通的，而備用路安全切斷閥的壓力設定值高于工作路。由于安全切斷閥的切斷響應時間小于1 s，因此，當工作路高速切斷時，工作路的出口壓力沒有達到備用路安全切斷閥的設定壓力，備用路切斷閥不會作用[3]。

3 燃氣調壓橇裝置設計

3.1 箱體設計

3.1.1 外殼結構

由于哈薩克斯坦處于寒冷地帶，冬季最低氣溫可達零下40 ℃，所有設施均需要考慮防凍措施，因此，燃氣調壓橇設置了箱體外殼，外殼的設計需要符合項目要求的歐洲標準及哈國當地標準。

箱體外殼由全焊接金屬鋼材制成，安裝在槽鋼底座上，采用防火設計，使用不可燃石棉板作為絕熱材料。墻壁、天花板和屋頂由型鋼制成，屋頂為防水和防風雪型，并設置用于泄放的艙口。地板由鋼板制成，為本質安全型，表面鋪有絕緣墊以防靜電。在槽鋼底座上設置壓板式地腳螺栓固定，鋼架上設置靜電接地點，便于和站場靜電接地網相連。

3.1.2 箱體采暖和通風

燃氣調壓橇裝置外箱的左右兩個側面設百葉窗，正常情況下通過百葉窗進行自然通風，設計每小時四次通風。緊急通風由防爆風扇實現，實現每小時八次強制通風。防爆風扇可就地或遠程控制，就地的啟動按鈕設置在橇裝單元入口的控制板上，遠程控制由氣體探測器聯鎖啟動。

每個橇裝單元內設置有三個可燃氣體探測器，當任意一個探測器檢測到氣體濃度達到引起火災的濃度下限的10%（體積分數） 時，火氣系統發出命令啟動防爆風扇，橇入口的報警燈亮；當報警消失時風扇關斷。如果檢測到的氣體濃度繼續升高，達到引起火災的濃度下限的20% （體積分數）時，除了防爆風扇，橇入口的聲光報警也被啟動。

每個橇裝單元配備兩個防爆風扇，一用一備，如果工作風扇出現故障，備用風扇會自動啟動。

為防止管道冬季發生冰堵現象，為保證橇裝單元室內溫度不低于10 ℃，提供了防爆電加熱器。

3.1.3 箱體火災報警裝置

每個橇裝單元內設有三個火焰探測器，當其中任意兩個被觸發后，火氣系統啟動聲光報警器，啟動防爆風扇強制通風，同時發出火災信號給緊急關斷（ESD） 系統。緊急關斷系統接收到信號后，發出控制指令關閉安全切斷閥（SSV） ——取源管道上的電磁閥，使安全切斷閥關斷，同時發出指令打開下游管道上的緊急泄放閥（BDV），釋放部分燃氣，以保護下游管道使其壓力保持穩定。

火焰探測器分布在橇裝單元內，而手動報警按鈕和聲光報警器安裝在橇裝單元的入口處。同時橇裝置外殼采用不可燃和阻燃結構材料，也為橇裝單元提供了防火保護。

3.2 氣體計量

流量計主要是對站內用氣設備用氣總量進行統計，以監視和記錄用氣總量。本項目計量裝置采用質量流量計，并為流量計配置流量計算機，安裝在控制室的計量柜中。流量計前后直管段上配置有一體化溫度變送器和壓力變送器，把介質溫度和壓力參數采集并上傳至流量計算機，流量計算機經過溫度、壓力補償計算后，顯示標況流量，并把流量信號上傳給站控系統[1]。

3.3 氣體加熱

天然氣在經過調壓后，溫度會有很大變化，在進入調壓裝置之前，要對氣體進行預熱。氣體加熱系統采用電加熱器，主要包括電加熱芯、設備殼體和電加熱器控制柜，有手動/自動兩種模式，模式轉換開關設置在控制柜上。在自動模式下，流量信號是電加熱器啟停的第一個命令信號，當下游流量計檢測到有氣體流動時，電加熱器方開始工作。在下游管道設置溫度傳感器，實時地將氣體溫度傳給控制盤，如果氣體溫度低于設定值，電加熱器開始加熱；當加熱溫度到達或超過設定溫度時，停止加熱。在電加熱器出口也設置一支測量溫度的變送器。電加熱器上設置有溫度保護開關，當溫度超過設定的溫度上限時，立即自動停止加熱，起到保護作用。

電加熱控制盤與站場的控制系統通過RS485通信，并遵從ModBus RTU 通信協議。如果出現火災，緊急關斷系統將發出信號給控制盤，立即關斷電加熱器。

3.4 調壓閥

本項目的工作調壓閥和監控調壓閥均采用高精度軸流式自力式閥門，由先導閥進行控制。閥體材質和壓力等級符合工藝要求和現場環境要求。調壓閥采用輸氣管道中的天然氣作為動力，取源位置為調壓閥下游。為保證調節精度和使用壽命，先導閥的入口處配置有過濾器。調壓閥由定位器來測量閥門的行程信號，并遠傳至站控系統[3]。

調壓閥可調范圍為最大流通能力的2%～100%，工作啟動壓差低，無論進口壓力和流量在設定范圍內如何變化，閥門都能保持恒定的出口壓力。

在閥門關閉時閥座處為零泄漏，符合歐洲調壓器標準EN334。正常運行時，調壓閥安裝處無氣體泄漏，即使調壓閥工作膜片損壞導致故障時，亦不發生泄漏[3]。

3.5 安全切斷閥

安全切斷閥也采用高可靠性的自力式閥門。在正常情況下，安全切斷閥處于全開狀態。如果系統壓力達到安全切斷閥的設定值，安全切斷閥將快速、自動地截斷本回路供氣管路。安全切斷閥關斷后不能自動重新啟動，只能通過操作員現場手動復位[3]。

安全切斷閥具有遠程控制及遠程閥位指示功能，能夠接收站控系統和控制器的命令關斷閥門：在取源信號管路上添加電磁閥，通過遠程控制中心對電磁閥的開關來控制切斷閥引入壓力的變化，達到遠程關斷的目的。當安全切斷閥打開或關斷時，其配帶的位置開關能向站控系統和控制器輸出無源接點信號，進行閥位指示，接點容量為24 V（DC）、3 A。安全切斷閥電子部分的防爆、防護等級符合現場要求。

安全切斷閥有SIL 等級認證，并有超壓關斷保護，彈簧的響應時間低于1 s。設定壓力的允許偏差低于2.5%，切斷精度優于1.0%。

安全切斷閥的閥座采用金屬密封和軟密封，在閥門關閉時閥座的泄漏能夠達到FCI 70-2 標準中的第Ⅵ級。當閥門出現故障時，處于關閉位置。

巴佐伊壓氣站的燃氣調壓橇裝置除了具備加熱、調壓、計量、分配和自動切換等基本功能，還設置了諸如安全放散閥門、排污閥以及壓力、溫度傳感變送器等輔助設施，極大地提高了系統的穩定性和安全運行可靠性；同時具備現場儀表和信號遠傳功能，使得操作人員在現場或控制中心均可實時了解系統運作的詳細情況，配合控制系統及手動操控裝置，能確保整個系統的穩定、安全。

4 調壓閥的尺寸計算

調節閥的流量系數（流通能力） 是調節閥的重要參數，它反映了流體通過調節閥的能力。根據調節閥的流量系數及額定流量系數，可以選擇調節閥的尺寸。

4.1 調節閥口徑選定步驟

巴佐伊壓氣站燃氣調壓橇裝置上的調壓閥，其設計與計算依據歐洲標準EN334。調壓閥口徑的選定需經過以下幾個步驟：

（1） 根據生產能力、設備負荷，確定調壓閥流量系數的最大流量、常用流量、最小流量等參數。

（2） 根據被控介質及其工作條件選用計算公式，計算流量系數。

（3） 根據制造廠商的資料，在所選產品系列中，選取接近并大于流量系數的值作為額定流量系數，初選口徑。

（4） 驗證調節閥的開度，要求開度在10%～90%之間。

（5） 驗算實際可調比，一般要求大于10。

（6） 若滿足上述要求，則調節閥口徑選定工作完畢，否則重新選定口徑及流量系數，或另選其他閥，驗算至合格[4]。

根據標準EN334，假設調壓閥的入口壓力（絕壓） 為P1、出口壓力（絕壓） 為P2。

當P2＞P1/2 時，使用公式（1） 計算調壓閥的流量系數：

當P2≤P1/2 時，使用公式（2） 計算調壓閥的流量系數：

式中：Q 為氣體的體積流速，m3/h；Cg為調壓閥流量系數；C1為調壓閥流量系數與液體流量系數之比，C1=Cg/Cv（Cv為液體流量系數），C1與閥門的恢復特性有關，由制造廠商提供；K 為系數，K=6.97/[d×（t+273）]1/2，其中d 為氣體的相對密度，根據工藝條件確定，d = 0.624（空氣的相對密度為1）；t 為調節閥入口的氣體溫度，根據工藝條件確定，t=50 ℃，因此K=0.49[5]。

4.2 調節閥口徑計算過程

對于巴佐伊壓氣站項目，燃氣調壓橇裝置入口存在兩種極端工況，分別是最低壓力為3.25 MPa和最高壓力為6.42 MPa。根據制造商的工藝數據，供給高壓支路的出口壓力為2.0 MPa；根據工藝條件，高壓支路上的最大流量Qmax、正常流量Qnor和最小流量Qmin分別為22 000、11 000、5 400 m3/h。以高壓支路為例，對調壓閥在不同工況下進行口徑計算。

4.2.1 工況一

當入口壓力P1=3.25 MPa，出口壓力P2=2.0 MPa時，由于P2＞P1/2，因此使用公式（1） 計算調壓閥的流量系數Cg。最大流量Qmax= 22 000 m3/h，及P1= 3.25 MPa，P2= 2.0 MPa 代入，求得Cgmax=1 464。根據廠家產品樣本，選取接近并大于Cgmax的值1 700 做為額定流量系數Cgrated，該額定系數對應的廠家調壓閥尺寸為DN80。然后代入正常流量Qnor和最小流量Qmin，計算得流量系數Cgnor= 732，Cgmin=360。

驗算調壓閥在實際工作狀態下的開度，一般希望流量最大時調節閥的開度不超過90%，流量最小時調節閥的開度不低于10%。調壓閥的開度=計算流量系數/額定流量系數。在該工況下最大流量的閥門開度=Cgmax/Cgrated=1 464/1 700=86%，最小流量的閥門開度=Cgmax/Cgrated=360/1 700=21%[6]。該口徑調壓閥的開度符合設計要求。

驗算了閥門開度后，還需驗算閥門的可調比。可調比R 是指調節閥所能控制的最大流量和最小流量之比。當調節閥的前后壓差不變時得到的是理想可調比，一般R=30。在實際應用中，管道的阻力隨流量增加而增加，使調節閥的最大流量減小，同時工作開度也不是從零至全開，而是在10% ～90%，從而降低了實際的可調比。根據慣常公式，實際可調比R′=R·s1/2，s 是調節閥全開時閥前、后壓差與系統總壓差之比[7]，即壓降比。根據該調壓閥的特性及工藝條件，閥門壓降比s = 0.3，因此R'=30×0.31/2=16.4 ＞10，符合設計要求。

4.2.2 工況二

入口壓力P1=6.42 MPa，出口壓力P2=2.0 MPa由于P2≤P1/2，因此使用公式（2） 計算調壓閥的流量系數Cg。將最大流量Qmax=22 000 m3/h，及P1=6.42 MPa 代入，求得Cgmax= 699。因為該工況下Cgmax小于工況一條件下的Cgmax，所以仍以1 700做為調節閥額定流量系數。分別代入正常流量Qnor和最小流量Qmin，可計算得到流量系數Cgnor=350，Cgmin=172。

接著驗算閥門開度。在該工況下最大流量的閥門開度=Cgmax/Cgrated=699/1 700=41%，最小流量的閥門開度=Cgmin/Cgrated=172/1 700=10%[6]。閥門開度在10%～90%之間，符合設計要求。

調壓閥的實際可調比 R′=30 × 0.31/2=16.4 ＞10，因此DN80 的調壓閥符合該工況下的設計要求。對于低壓支路的調壓閥，計算公式與驗算方法與該調壓閥相同，本文不再詳述。

5 結論

巴佐伊壓氣站的燃氣調壓橇裝置由兩個配置完全相同的橇裝單元組成，每個單元都包含高、低壓管路，兩個單元一用一備，當一個單元的某一支路出現故障時，自動切換打開備用單元的相應支路，而不用停止整個裝置的運行，待故障路維修好后，可繼續投入使用。因此這種橇裝置設計可保證持續為高、低壓用戶供氣，而不會出現某一用戶的供氣中斷，從而避免了以往工程項目燃氣調壓橇的設計和使用弊端。

巴佐伊壓氣站燃氣調壓橇裝置采用箱體外殼，既避免了橇裝置長期暴露于外部環境，又簡化了土建施工，且箱體包含采暖、通風及火氣報警等設施，為現場設計帶來了極大的方便，值得在寒冷地區中推廣應用。

哈南線巴佐伊壓氣站燃氣調壓橇裝置的順利投產及長期穩定的使用，證明該項目燃氣調壓橇裝置設計方案實用且高效。