浅谈燃气输配系统中调压设施的设置

摘要：论述了城市天然气调压设施的分类、重要参数的确定和工艺流程的选择、配套及安全设备选型与配置。

关键词：天然气输配；调压设施；调压器；过滤；节流降温

引 言:

调压设施是整个燃气供应系统最重要的组成部分之一，它决定着整个输配系统能否经济、可靠、安全的运行。因而在实践中，我们应对调压设施的设置给予高度重视。下面主要从天然气调压设施的调压器的分类、重要参数的确定、工艺设计、配套设备等几方面进行探讨。

一、调压器的分类

调压器是调压设施的核心设备，调压器是由敏感元件、控制元件、执行机构、阀门等组件组成的压力调节设备，调压器一般按工作原理可分为两大类型，即直接作用式（自力式）和间接作用式（指挥器操作式），直接作用式调压器其执行机构动作所使用的全部能量是直接通过敏感元件由被调介质提供的，它具有结构简单、体积小、重量轻、性能可靠、安装方便等优点。间接作用式调压器是将敏感元件由被调介质传递的输出信号加以放大，使执行机构动作，而传感器放大输出信号的能量源于被调介质本身或外供介质。间接作用式调压器通常应用于需要精确控制和调节用气压力的管网系统中。

另外，按用途分，调压器可以分为区域调压器、专用调压器、用户调压器；按工作压力分，调压器又可以分为高-高、高-中、中-中、中-低、低-低调压器。

二、重要参数的确定

调压设施的主要功能就是接收上游管网来气，进行过滤、预热、调压、降噪等环节，按下游管网需求的压力和流量向下游管网供气。其重要的参数有：流量Q、进口压力P1、出口压力P2、稳压精度Sp、关闭压力Pb、放散压力Pf、切断压力Pq。

1、流量的确定

调压器的最大流量是根据下游用气负荷（管网计算流量）确定的，下游管网一般有2种情况，第一种，调压设施供应的下游管网为一个独立的管网，这种情况比较简单，只需计算供应区域内各类用户近、远期用气量就能确定调压设施的供气需求；第二种、调压设施供应的下游管网是整个环网中的一部分，这种情况较为复杂，应根据供应区域用气量及整个管网的管径合理分配每个调压设施的供气量。用气负荷的确定应坚持“发展的眼光、以近期为主、远近结合的原则”。确定用气负荷时应考虑到随着城市建设的进展、人民生活水平的提高和燃气应用领域的扩展，将近期和远期、现实和潜在的各类负荷进行认真的分析和筛选，以期得到近、远期准确的用气量和管网计算流量。

为了保证调压器本身调节的稳定性，其调节阀的开启度不宜处在完全开启的状态，一般要求调压器调节阀的最大开启度以75%~95%为宜，因此调压器的额定计算流量需做适当的修正，即放大1.15~1.20倍计算出调压器的最大流量：

Qmax=(1.15~1.20)Qn 式（1）

考虑到管网事故工况和其他不可预见的因素，选用调压器的额定计算流量与管网计算流量之间有如下关系：

Qn=1.2Qj式（2）

因此，综合式（1）和式（2），选用调压器的最大流量Qmax为：

Qmax=(1.15~1.20)Qn=(1.38~1.44)Qj

式中Qmax------调压器的最大流量，Nm3/h

Qn---------调压器的额定流量，Nm3/h

Qj----------管网的计算流量，Nm3/h

2、进口压力P1和出口压力P2

调压设施上游的进口压力P1一般是一个给定的范围，出口压力P2设定值根据下游管网的水力工况及用户的需求确定的。上、下游的管网实际的运行压力往往会根据用气负荷的变化而波动。对于某个确定的调压设备，上下游压力的变化会使调压设备有不同的输出能力，一般情况下，随着出口绝对压力与进口绝对压力的压力比逐断减小，则输出能力逐渐增大，但当压力比小于临界压力比（出口绝对压力与进口绝对压力的压力比为0.5）时，输出能力将不再增加。实践工作中，一般会按最低进口压力、额定出口压力的情况下，满足管网需要输出能力再加上一定的富裕度（Qmax）来选择调压设备的。

3、稳压精度Sp、关闭压力Pb、放散压力Pf、切断压力Pq

调压器调节元件处于关闭位置时，静特性线上Q=0处的出口压力即为关闭压力，根据调压器稳压精度Sp(Sp=0．5％～1．5％)和其性能，其关闭压力与出口压力之间关系：Pb=（1．1～1．25）P2；安全放散装置可以缓解调压器关闭不严造成的泄漏问题，一般考虑超过关闭压力10％～20％即开始放散，其放散压力为Pf=（1．1～1．2）Pb；调压器失灵后由于下游超压会造成燃气放散，不利于环保及周围生命财产安全，且浪费资源，为防止大流量的放散，一般考虑放散压力超过10％-20％即可切断气源，即切断压力为Pq=（1．1～1．2）Pf。

三、工艺设计

根据下游用气负荷的工作压力、流量、重要程度，调压设施的调压器及切断阀有多种配置方案：（1）单台调压器；（2）单台调压器+切断阀（或双切断阀）；（3）工作调压器+监控调压器；（4）工作调压器+监控调压器+切断阀。

第（1）种方案适用于出口压力低、流量小、调压器出现问题时影响面小、长期有运行人员值守或定期巡检的情况。该方案的优点是调压流程结构简单，节省占地和投资，缺点是供气可靠性不高，调压器出现问题时会影响用户的使用。

第（2）种方案适用的场所比较广泛，相对而言，可节省占地和投资，并且对用户不会造成安全隐患。双切断适用于必须确保安全供气的重要用户。这种方案的主要缺点是，一旦调压器工作失灵，将迅速切断下游用户燃气供应。运行人员必须随时了解调压器工作情况，一旦发现切断装置动作，必须尽快查明原因，检修故障，使切断装置复位。

第（3）种方案由于设有监控调压器，适用的场所更加广泛，只要监控系统正常或运行人员定期巡检，发现问题及时解决，就可以最大限度保证下游的不间断供气。但需注意的是，当监控调压器为串联时，工作、监控式调压器的通过能力是单台调压器通过能力的75％左右。

第（4）种方案调压流程相对复杂，投资也较高，但与第（3）种方案相比，供气安全可靠性更高，适合于高压力、大流量、重要用户和重要场所的情况。如果监控系统正常或运行人员巡检到位，处理问题及时，这种方案是可靠性相对最高的方案。

第（3）、（4）均种方案均设有监控调压器，它大大的增强了供气的可靠性，监控调压器实质上是一个应急备用调压器，当主调压器失灵或出口压力由于下游燃气参数的波动而达到监控调压器预定的介入压力时，监控调压器才会替代主调压器投入工作状态，以保证连续、稳定供气。监控方式可区分为串联式监控调压器（图3-1）和并联式监控调压器（图3-2）。

1、串联式监控调压器

P2-主调压器出口设定压力； P21-监控调压器出口设定压力

串联式监控压力设定为：

P21＞P2，且P21大于P2的关闭压力

这种系统正常运行时，由于主调压器的正常出口压力P2低于监控调压器设定压力P21，所以监控调压器的阀口处于全开状态。当主调压器发生故障使出口压力超压达到P21时，监控调压器则进入工作状态，出口压力变为P21。

2、并联式监控调压器

Ⅰ-主调压器； Ⅱ-监控调压器； K1、K2-调压器Ⅰ、Ⅱ的切断阀

P1-进口压力； P2-出口压力

P21-主调压器的出口设定压力； P22-监控调压器的出口设定压力

Pk1-主调切断阀设定的切断压力； Pk2-监控调切断阀设定的切断压力

并联式监控压力设定为：

P21＞P22，P22小于P21波动的最小值（即小于其稳压精度范围的最低值）；

PK2＞PK1, PK1大于P21的关闭压力。

这种系统运行时，一台正常工作，另一台备用。当主调压器正常工作时，出口压力为P21，由于P21＞P22，所以监控调压器呈现关闭状态。当主调压器发生故障使出口超压达到PK1时，则切断阀K1关断致使出口压力下降；当出口压力下降到P22时，监控调压器开始进行工作，出口压力变为P22。

串联式监控调压器结构简单，投资小，并且能保证切断压力在正常工作范围内，而不像并联式监控调压器那样切断压力过高；但串联式监控调压器供气的可靠性、连续性不如并联式的高，当设备需检修时，必须停气，另外，当工作调压器故障致使出口压力降低(例如堵塞)，该系统不能保证不间断供气。所以，串联式监控调压系统一般用于供气可靠性要求不高的工业用户，并联式监控调压器一般用于居民，另外，如一些玻璃窑炉及医院锅炉等重要工业、商业用户，由于突然停气会造成窑炉报废等重大经济损失及手术无法正常进行，故一般也采用并联式监控调压器。

有的调压器装有内置切断阀，因而无须设置外置切断阀K1和K2,PK1和PK2的信号直接与内置切断阀信号口连接即可。

四、配套设备

调压设施的技术内容不仅只含调压器，还涵盖了围绕燃气压力的变化及其效应而必须配置的预处理设备，预处理设备主要包括过滤及补偿节流降温预热；也包含了为保证系统安全、安静、可靠运行而设置的降噪、超压切断、放散及必要测量和控制仪表。

1、气体的过滤及分离

在各级管网中，由于施工、检修等各种原因造成燃气介质夹带固体杂质或者液体是不可避免的，而这些杂质和液体一旦进入调压、计量等精密设备时，必然会影响设备的正常运行及使用寿命。为此，调压设备前均需设置固体或液体杂质的捕捉和收集装置。

在调压器的上游，根据每个调压器厂家的要求，一般选用精度为5~100μm的过滤器，形式有两类，即填料式和滤芯式，过滤器通常可由调压器厂家配套供货，在选择过滤设备时应考虑最苛刻的使用工况，即流量最大，进口压力最低的情况满足过滤、出口压力的要求。对于过滤器来说，应设置差压指示装置，以便于了解过滤元件的污染程度并及时更换。过滤分离设备开启部位的设计结构应能保证操作人员在开启过程中没有任何危险，对于集液器来说，设备上应有手动或自动的排放装置，在必要的情况下还可加装废液收集装置。

2、节流降温预热

天然气节流降压的过程会产生汤姆逊效应，压力每降0.1MPa，气体温降约降0.4℃。有些高压调压站，天然气压降可能会超过4.0MPa，即温降也会超过16℃，此时如不采取温度补偿措施，会产生一些不利的影响，甚至安全事故。

如浙江某城市的门站，毗邻上游分输站而建，上游分输站给门站输气时，压力由5.5MPa调至3.5MPa，而门站向市区供气时，压力又由3.5MPa降至0.35MPa，故两站总计压降为5.15MPa，根据汤姆逊效应经验数据，由此造成的温降在21℃左右。而浙江地区天然气长输管线一般的进站的温度为7~10℃，因此，由于两站当初设计时均未考虑热补偿措施，最不利时门站中压天然气出站实测温度只有-14℃，使门站高中调压器下游管道经常结冰、结霜，使出站埋地的中压燃气管道周围30cm的土壤经常冻结，当外界气温较高或上下游压差不大时，这部分土壤又解冻，常年累月，管道周边的土壤反复冻结、解冻，造成管道周边的土壤比较松散，当在杭州雨季时，造成部分小水渠下中压燃气管上浮，并且随着管道周边土壤摩擦力的减小，土壤对管道的约束力也减小，这对一些阀门井也造成一定安全隐患。

因此，当调压器上下游压降较大，应结合上游进气温度、下游管道、设备材料的选用决定在是否在调压器前增设换热装置，将天然气温度一般补偿至5℃左右，换热装置主要有电伴热和热水换热，前者设置简单，投资小，一般用于小流量的CNG减压撬；后者投资大，但补偿能力大，需设置专门的锅炉房或水套炉，一般用于场站及大流量CNG减压撬。

3、降低噪声的影响

高压燃气流经调压器产生的噪声有两种形式，即气体动力噪声和零部件机械噪声。工程设计中一般要求距设备1 m处的噪声水平不能高于85 dB。降低噪声的方法首选主动式消声，即在调压器构造内部消减噪声源或在调压器下游管道处嵌入消声器。其次，选择被动式消声，即对整个调压器和调压器下游管道周围增设隔音墙来进行隔声，以减少调压设施对站场工作人员及周边居民的噪音干扰，主动式消声器包括多通道分流式消声器、扩口式消声器、管道式消声器，且三者可以同时使用，能降低30dB左右的噪音。但各种消声器的使用也必然增加调压器的阻力，因此，采取降噪的同时应兼顾调压器的流通能力能满足设计要求。

4、超压切断、放散及必要测量和控制仪表

超压切断阀加超压放散阀是目前调压设施普遍采用的一种安全装置组合方式。超压切断阀是调压设施的第一安全装置，通常设于调压器上游，由控制器、开关器伺服驱动机构和执行机构构成，信号管与调压器出口管路连接，在正常工况下常开。超压放散阀是调压设施的第二安全装置，通常设于调压器下游，排放量一般为出口管段最大流量的1%~5%，其作用是在非故障引起的调压器出口压力升高的情况下，排出气体泄压，待压力回稳后关闭放散阀，以避免超压切断阀误动作而切断调压线路；当调压器真正故障发生时，由于超压放散阀的开启不足以泄压，调压器下游管网继续升压，当升压至超压切断阀的设定压力时，超压切断阀迅速动作并切断气流，待调压器故障排除后手动复位。

同时，根据调试设施的规模、重要程度，调压设施的上、下游管路分别设有现场温度、压力仪表、阀位显示及温度、压力、阀位远传，以方便现场操作及远程控制。

五、结束语

调压设施作为衔接不同压力级制管网的核心设施，它能否良好运行决定着整个输配管网能否稳定的运行。因此，我们应从调压器的选择、参数设定、流程的选择，安全装置的配置等方面入手，根据管网及用户的实际情况，坚持“科学先进，安全可靠”的原则，合理的配置调压设施。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。