天然氣門站設計問題與方法

徐勇俊，方忠(新地能源工程技術有限公司，河北 廊坊 065001)

0 引言

隨著天然氣管道分支項目的深入建設，我國天然氣管道正逐步向各個中小型城市擴展。在新通天然氣管道的城市中，燃氣基礎設施的建設工作才剛剛開始，規模較小，天然氣用戶數量有限。因此，在天然氣管道連接的初始階段，天然氣消耗量很小，但是隨著天然氣用戶數量的不斷增加，天然氣消耗量也迅速增加。因此，在設計中小型城市天然氣門站的過程中，下游市場的短期和長期天然氣消耗通常會遇到顯著差異。相關人員應深入分析城市天然氣門站設計過程中短期和長期天然氣消耗差異較大的問題，并提出了解決問題的方法和對策，以優化天然氣門站的設計方法。

1 天然氣門站的工藝流程

天然氣門站是天然氣長途管道的終端配氣站，也是城市燃氣傳輸和分配系統的氣源站。實時監控進口天然氣的壓力，溫度和其他數據以及測量和控制天然氣流量，以確保天然氣供應的安全性和穩定性，這是天然氣門站的職責。天然氣門站從高壓長途管道接收高壓天然氣，然后對其進行除塵，過濾，儲氣，計量，壓力調節和除臭等操作，然后對天然氣進行分配，最后輸送給下游城市中。天然氣門站主要由絕緣保護，氣液分離排污，支路測控，管道壓力調節，超壓保護和漏氣報警系統組成。進入門站的天然氣要經過分離器和過濾器去除雜質，從而確保天然氣供應的質量。天然氣門站配備有儲氣裝置，以存儲進入的氣體。計量系統要準確測量天然氣流量，確保天然氣的貿易公平。調壓系統要降低天然氣壓力，從而使壓力滿足分配要求。通過對天然氣加臭，一旦天然氣管道出現泄漏，可輕松聞到并進行識別。經過一系列處理后，天然氣被輸送到城市燃氣分配網絡。

2 天然氣門站的設計中存在的問題

天然氣門站是城市天然氣輸配系統的重要部分，負責城市居民天然氣的日常供給，因此有必要確保天然氣門站供氣的安全性和穩定性，并進行準確的測量。天然氣門站有很多監測點，生產現場條件復雜多變。為了滿足天然氣門站流量測量和生產監控的實時高精度要求，天然氣門站流量監控系統的開發具有重要的現實意義。為了有效設計和管理天然氣門站的站點控制系統，工作人員必須對天然氣門站設計的常見問題進行深入分析，然后確定有效的天然氣門站應用策略。

2.1 流量計和壓力調節器的選擇和配置不當

在設計下游市場的長期和短期天然氣消費差異較大的城市門站時，如果僅以下游市場的長期天然氣消費作為選擇流量計的標準，則可能在壓力調節器中出現問題。首先是流量計不能滿足設計測量精度要求。在常用的渦輪流量計中，當通過流量Q在Qmin＜Q≤0.2Qmax時，渦輪流量計的計量精度不低于2%，當通過流量Q在0.4Qmax＜Q＜0.8Qmax時，渦輪流量計的測量精度最高。當通過的流量較低時，流量計渦輪不會旋轉，并且無法測量到超過渦輪流量計的最小啟動流速的水平。其次，在使用負載間接操作式調節器時，以下游市場的長期用氣量為選擇標準，由于短期的用氣量小于調壓器的最大壓力。在允許的通量下，調節器的閥芯開度很小。當調節器的閥芯開度小于10%時，天然氣在高溫下會在很短的時間內高速通過調節器的閥座，并產生噪音，而且調節閥座也會出現磨損，并且調節閥芯會不斷振動，打開的高度也不穩定，從而使調節器隔膜和密封結構由于磨損和劣化而縮短使用壽命[1]。

2.2 天然氣預熱單元的位置不合理

城市天然氣門站與上游燃氣管道中的天然氣相連，由于下游城市燃氣管網在中等壓力下運行，而上游壓力較高，因此調節器前后的壓力差較大。在通過壓力調節器調節天然氣之后，在湯姆森-焦耳效應的作用下，天然氣的溫度下降約0.4～0.5 ℃。如果調壓器前的天然氣未充分預熱，則減壓后天然氣的溫度會降低，導致調壓器后段管道的外表面會發生冷凝和凍結，容易在管道內形成液態或固態混合物，從而出現“冰堵”現象，影響調節器的正常運行。通常，在設計天然氣預熱過程時，為了提高換熱器的使用效率，可以將換熱器安裝在一個單獨的處理單元中，天然氣預熱單元和壓力調節單元由集管隔開。在預熱過程中還會出現這樣的問題，當預熱天然氣以大流量進入集管時，集管中的天然氣受到嚴重干擾，通過集管與外部環境進行熱交換，導致天然氣的熱損失和溫度降低，從而導致預熱不良，不能達到溫度要求。在耗氣量少的情況下，進入集管的天然氣流量小，因此，預熱的天然氣通過集管與外部環境進行熱交換時，溫度下降不明顯，可以通過增加熱水器的出水溫度補償天然氣因熱交換而產生的熱量損失，因此不會影響調壓前天然氣的預熱溫度[2]。當下游天然氣體消耗量顯著增加時，管道中的流量增加，集管中天然氣的干擾增加，集管之間的對流傳熱系數顯著增加，從而增加了預熱天然氣之間的熱交換。同時，用于天然氣預熱的熱水器具有有限的升溫能力，這不能完全補償集管中天然氣的熱損失，最終導致天然氣壓力調整前的氣體預熱溫度不符合設計要求，具體如圖1所示。

圖1 天然氣預熱單元示意圖

2.3 過程參數檢測裝置的設置位置不合理

通常，在設計參數傳感裝置時，在集管的一端設置壓力和溫度傳感裝置，可以減少檢測裝置的數量，降低設備的成本，并減少設備泄漏點。但如果集管的較長時，集管上每個點的壓力和溫度并不完全相同，參數檢測點離天然氣操作點越遠，偏差就越大。對參數進行測量時，參數檢測儀器反映實際值并不標準。

3 設計方法

在設計短期和長期燃氣消耗量差異較大的城市門站時，應將城市短期和長期燃氣消耗量作為選擇流量計和壓力調節器的基礎。天然氣過濾裝置和閥門，管道和集管的選擇標準仍然基于長期的氣體消耗[3]。

3.1 流量計的選擇和配置

以渦輪流量計為例。流量必須至少為所選流量計的最大流量Qmax的20%。當20%Q1max＜Q＜Q1max時，可以使用兩個小型流量計，一個使用，另一個做備用，并且通過的流量應位于40%～80%Q1max之間。隨著天然氣使用者的數量逐漸增加，天然氣消耗也在增加。當20%Q2max＜Q＜Q2max時，可以使用兩個大型流量計，一個使用，另一個做備用，并且通過的流量應位于40%～80%Q2max之間。因此，當Q1max＜Q＜20%Q2max時，流量控制設備應安裝在流量計的下游，以使每小時下游的最大氣體消耗量不超過小量程流量計的范圍。如果下游每小時的燃氣消耗量穩定增加到Q1max，可以使用大流量計更換，這樣就符合測量精度要求。

3.2 調節器的選擇和配置

選擇調節器時，要根據入口和出口壓力以及短期和長期調節器的設計流速，選擇滿足通過能力的調節器，同時還必須計算當流量Q=Q1max時，近期調壓器開度K1≤90%，長期調壓器開度K2≥10%。當流量Q=Q2max，長期調節器開度K2≤90%，從而降低調節器的噪音和壓力。減少調節器的閥座的磨損，延長調節器的隔膜和密封結構的使用壽命，并確保調節器的穩定運行。天然氣門站調壓閥的配置應根據下游天然氣消耗量進行選擇。當下游氣體消耗低時，使用通過量小的壓力調節器，而當下游氣體消耗高時，使用通過量大的壓力調節器。同時安裝調壓器消音器，以減少天然氣通過調壓器時產生的噪音[4]。

3.3 天然氣預熱器的設置

在設計天然氣預熱過程，要防止天然氣在預熱后熱量從集管中大量散失，必須將天然氣預熱裝置與壓力調節器串聯連接，并且不單獨安裝預熱過程單元。同時，為了提高天然氣預熱單元的效率，還可以在天然氣預熱單元之間建立連接管段，以實現相互備用。通過將天然氣預熱裝置與壓力調節器串聯連接，不僅可以避免由于預熱后集管散發大量的天然氣熱量而導致的溫度下降，而且可以有效地利用天然氣預熱，降低燃氣熱水器的燃氣消耗，提高天然氣利用效率。

3.4 工藝參數檢測裝置的設定方法

為了防止儀器在長度較長的集管兩端錯誤地檢測過程參數，在設計過程參數檢測儀器的測量點位置時，必須將其設置在工作支管部分。并且壓力感應設備必須位于溫度傳感裝置的上游，防止由于溫度測量元件插入工作支管部分而引起的流體干擾而對壓力測量精度產生影響。

4 結語

在設計天然氣門站的過程中，工藝設備的計算，選擇和配置應基于實際操作條件。特別是對于短期和長期燃氣消耗差異較大的城市門站的設計，必須分階段進行計算和選擇流量計和壓力調節器。天然氣預熱裝置的設定位置必須與壓力調節器串聯，以防止天然氣在預熱后熱量從集管中散失。工藝參數檢測儀器應安裝在工作分支管道中，以減少集管安裝引起的測量誤差。