天然氣減壓站典型工藝配置及控制

孫紹華

（大連派思燃?xì)庀到y(tǒng)股份有限公司，大連116600）

從上世紀(jì)80年代末以來，我國南方地區(qū)和有油氣資源的地區(qū)，為了解決電力負(fù)荷緊張狀況，先后建設(shè)了一批燃?xì)廨啓C(jī)電廠，緩解了這些地區(qū)的電力供應(yīng)。隨著燃?xì)怆姀S的快速發(fā)展，為其配套的天然氣處理系統(tǒng)同樣得到了迅猛發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。天然氣處理系統(tǒng)通常根據(jù)上游來氣壓力的不同以及燃?xì)廨啓C(jī)對天然氣壓力的要求，一般分為天然氣減壓站和天然氣增壓站。對于上游來氣壓力高于燃?xì)廨啓C(jī)需求壓力，并留有足夠壓差的天然氣處理系統(tǒng)，統(tǒng)稱為天然氣減壓站，習(xí)慣上稱作天然氣調(diào)壓站；而對于天然氣上游來氣壓力低于燃?xì)廨啓C(jī)需求壓力，或雖然上游來氣壓力高于燃?xì)廨啓C(jī)需求壓力，但是二者之間沒有足夠壓差的天然氣處理系統(tǒng)，統(tǒng)稱為天然氣增壓站。本文主要論述天然氣減壓站的典型工藝配置及控制問題。

1 典型的天然氣減壓站

燃?xì)廨啓C(jī)的燃料天然氣，因氣源不同，其物理特性差異很大。為了使燃?xì)廨啓C(jī)在各種工況下均能連續(xù)有效無故障地運(yùn)行，天然氣的物理性能、組分和污染雜質(zhì)的允許范圍必須滿足燃?xì)廨啓C(jī)的要求［1］。天然氣處理系統(tǒng)就是處理和解決上述燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣前天然氣這些問題的。對于上游天然氣來氣壓力均能滿足燃?xì)廨啓C(jī)各種工況下的壓力需求時(shí)，天然氣處理系統(tǒng)通常選用天然氣減壓站。天然氣減壓站一般會(huì)按照設(shè)備裝置功能的不同，分成若干個(gè)功能模塊。典型的天然氣減壓站包括：入口緊急切斷模塊、粗分離模塊、計(jì)量模塊、精過濾模塊、加熱模塊、調(diào)壓模塊、冷凝液儲(chǔ)存罐、放散裝置及控制系統(tǒng)等。

2 各模塊的配置

2.1 入口緊急切斷模塊

入口緊急切斷模塊一般配置有絕緣接頭和緊急切斷閥，而緊急切斷閥通常由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被驅(qū)動(dòng)的球閥組成。當(dāng)場站發(fā)生大量天然氣泄漏、火災(zāi)或其他緊急情況時(shí)，可迅速切斷氣源，保證天然氣處理系統(tǒng)及以后的各設(shè)備處于安全狀態(tài)。為此，工藝要求入口緊急切斷閥必須實(shí)現(xiàn)：快速切斷；在執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)位時(shí)切斷閥處于安全狀態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)上述要求，對于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常選擇單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，且復(fù)位型式為氣開、彈簧關(guān)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可由其具有強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力的彈簧實(shí)現(xiàn)緊急切斷閥的快速切斷；當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)失去控制氣源時(shí)，由彈簧帶動(dòng)被驅(qū)動(dòng)的球閥將氣源快速切斷。緊急切斷閥的關(guān)閉時(shí)間按球閥口徑確定，一般要求小于5～8s，特殊條件下要求小于3s，甚至1s。

緊急切斷閥有了上述選擇后，還必須有合理而可靠的控制回路。一般來說，為保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行時(shí)能夠一直處于開啟狀態(tài)，通常選擇雙電磁閥配置方案。對緊急切斷閥的控制可分為如下幾種形式：

（1）單控方式。此種方式只在就地控制室控制柜柜面及集控室操作臺上各設(shè)置一個(gè)緊急按鈕。無論在就地控制室還是在集控室，只要拍下緊急按鈕，緊急切斷閥就會(huì)切斷氣源。這種方式簡單實(shí)用，響應(yīng)時(shí)間短。

（2）雙控方式。此種方式在就地控制室控制柜柜面及集控室操作臺各設(shè)置兩個(gè)緊急按鈕。在就地控制室或集控室必須依次拍下兩個(gè)緊急按鈕，才能通過緊急切斷閥切斷氣源。這種方式留有糾錯(cuò)功能，需再次判斷，響應(yīng)時(shí)間較長。

（3）三地操控方式。這種方式是上述兩種方式的延續(xù)，再在模塊邊設(shè)置就地控制箱，以實(shí)現(xiàn)巡檢人員在現(xiàn)場模塊邊完成切斷氣源的工作。

從形式上看，似乎第二種方式較為穩(wěn)妥；但從效果及反應(yīng)時(shí)間來說，第一種才是真正意義上的緊急處理。通常為防止誤拍緊急按鈕，在緊急按鈕上設(shè)置防護(hù)座。

此模塊中設(shè)有絕緣接頭，用來實(shí)現(xiàn)天然氣減壓站與上游輸氣管道間的電氣絕緣，以防止天然氣減壓站各模塊及設(shè)備的接地與上游輸氣管道的接地間發(fā)生短路。

2.2 粗分離模塊

粗分離模塊通常配有一臺旋風(fēng)分離器或其他型式的分離器，并配有帶隔斷球閥的旁路。旋風(fēng)分離器工作原理是：天然氣經(jīng)設(shè)備入口進(jìn)入設(shè)備旋風(fēng)分離區(qū)，天然氣受導(dǎo)向葉片的作用產(chǎn)生強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，液滴和塵粒在離心力作用下沿旋風(fēng)筒壁下落流至設(shè)備底部積液區(qū)，從設(shè)備底部的排液口流出；天然氣在筒內(nèi)收縮向中心流動(dòng)，向上經(jīng)設(shè)備上部出口流出。通過分離器可以去除天然氣中較大顆粒的固體物質(zhì)及全部液滴。工藝設(shè)計(jì)時(shí)要求在分離器下部必須具有液位測量及底部自動(dòng)排污功能。為實(shí)現(xiàn)工藝控制要求，常規(guī)選擇在分離器下部安裝磁翻板液位計(jì)，以顯示被分離出來的液體存儲(chǔ)高度。為減少分離器本體開孔（減少焊接點(diǎn)，也是減少泄漏點(diǎn)），通常選擇在磁翻板液位計(jì)上附帶磁性液位開關(guān)，用以進(jìn)行液位控制。在分離器底部的排出管道上設(shè)置控制閥，控制閥一般選擇開關(guān)型氣動(dòng)球閥，并為控制閥配置手動(dòng)旁路。

這樣，由高低液位磁性開關(guān)、控制系統(tǒng)、氣動(dòng)球閥組成的控制回路就簡單地實(shí)現(xiàn)了工藝要求：液位上升至高液位時(shí)，高液位磁性開關(guān)觸點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生變化（常開觸點(diǎn)閉合），控制系統(tǒng)接到信號后對氣動(dòng)球閥發(fā)出開啟信號，氣動(dòng)球閥由關(guān)到開，將存儲(chǔ)的液體排出分離器；隨著液體的排出，液位降至低液位時(shí)，低液位磁性開關(guān)觸點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生變化（常閉觸點(diǎn)斷開），控制系統(tǒng)接到信號后對氣動(dòng)球閥發(fā)出關(guān)閉信號，氣動(dòng)球閥由開到關(guān)，停止排液。

為確保分離器液位不超出工藝要求的高度，通常會(huì)考慮設(shè)置極高液位保護(hù)磁性開關(guān)，從測量上保證了工藝設(shè)備運(yùn)行安全可靠。

若天然氣介質(zhì)中固體顆粒較多，或有顆粒卡塞在排污閥密封面上，會(huì)導(dǎo)致天然氣夾帶泄漏，為此要考慮設(shè)置極低液位保護(hù)開關(guān)，以避免這一問題的發(fā)生。

2.3 計(jì)量模塊

計(jì)量模塊通常置放在粗分離模塊之后，用于校對上游天然氣貿(mào)易結(jié)算。流量計(jì)大多選用超聲波流量計(jì)或渦輪流量計(jì)，流量計(jì)本體精度不低于0.5級。計(jì)量模塊主路設(shè)有流量計(jì)，旁路配置隔離球閥。這種配置應(yīng)用比較廣泛，在流量計(jì)標(biāo)定期間天然氣通過旁路，保證后續(xù)系統(tǒng)對天然氣的需求。計(jì)量系統(tǒng)要求能無間斷有效地進(jìn)行測量，因而可以采用三種配置方案：

（1）雙路流量計(jì)（一用一備），各自獨(dú)立，簡單的用備關(guān)系。

（2）雙路流量計(jì)（一用一備），并配有互校球閥旁路。

（3）雙路流量計(jì)（一用一備），除了配有互校球閥旁路外，還配有在線標(biāo)定接口。

通常在天然氣減壓站的上游均配有供氣單位的計(jì)量設(shè)備，天然氣減壓站內(nèi)的流量計(jì)計(jì)量一般是作為上游天然氣貿(mào)易結(jié)算的校核或比對，故采用常規(guī)配置即可滿足計(jì)量的一般要求；個(gè)別時(shí)候，為了在流量計(jì)故障或維護(hù)時(shí)也同樣保持與上游天然氣貿(mào)易結(jié)算的校核或比對，將常規(guī)配置的旁路也改為與主路一樣的配置，組成簡單的雙路計(jì)量。

無論哪種配置方案，都要求保證計(jì)量準(zhǔn)確。為此，在此模塊中還需要配置補(bǔ)償用的壓力及溫度檢測點(diǎn)。若除了對天然氣的體積流量校核外，還要進(jìn)行質(zhì)量流量校核，則尚需要配置在線色譜儀等分析儀表。從計(jì)量校核考慮，除了上述檢測儀表，計(jì)量系統(tǒng)需要采用獨(dú)立的流量計(jì)算機(jī)接受這些檢測信號，通過計(jì)算機(jī)的運(yùn)算得出可信的流量值。計(jì)量模塊的流量計(jì)典型配置見圖1。

圖1 流量計(jì)典型配置圖

圖1中，用于數(shù)據(jù)處理的流量計(jì)算機(jī)（FC101）將接收到的分析儀表（AT101，一般是在線色譜儀）組分信號、當(dāng)前管道中介質(zhì)壓力（PT101）及溫度（TE101）信號、流量計(jì)（FE101）流量信號，按照內(nèi)置的ISO等計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，核算出符合要求的天然氣流量。

2.4 精過濾模塊

精過濾模塊最常規(guī)的配置是一用一備的兩段式過濾器2臺，也有兩用一備的3臺配置型式，在各個(gè)過濾器前后管道上均設(shè)置隔斷球閥。通常過濾器的第一段為擋板或旋風(fēng)結(jié)構(gòu)的分離段，此段將固體顆粒及液滴分離出來；第二段為濾芯結(jié)構(gòu)的過濾段，此段將天然氣中固體顆粒及霧狀液滴剔除。過濾段大多采用凝聚式結(jié)構(gòu)，其工作原理是天然氣穿透凝聚式濾芯流出時(shí)在濾芯表面將天然氣中的小液滴凝聚長大，在重力的作用下自然降落，沉積到濾芯底部積液區(qū)而排出；流過濾芯的天然氣經(jīng)設(shè)備上部出口流出。通過兩段分離過濾后，清潔的天然氣送往后續(xù)設(shè)備。

按照過濾工藝要求，濾芯型過濾器均設(shè)置上、下游壓差檢測，通過測得的壓差值確認(rèn)濾芯堵塞程度。對于這種兩段式過濾器，通常每段標(biāo)配液位計(jì)及附帶磁性液位開關(guān)，每段的下部均設(shè)有排放口，在排放口配置氣動(dòng)球閥，用以排出積液。

同粗分離模塊一樣，由高低液位磁性開關(guān)、控制系統(tǒng)、氣動(dòng)球閥組成的控制回路就簡單地實(shí)現(xiàn)了積液自動(dòng)排放的要求，各儀控設(shè)備動(dòng)作過程與粗分離模塊類似。

同樣，為確保過濾器液位不超出工藝要求的高度，會(huì)考慮設(shè)置極高液位磁性開關(guān)。若天然氣介質(zhì)中固體顆粒較多，也要考慮設(shè)置極低液位開關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)天然氣夾帶泄漏問題時(shí)及時(shí)采取措施。

2.5 加熱模塊

加熱模塊配置的加熱器通常有燃?xì)馑∈郊訜崞?、電加熱器及管殼式換熱器等。對于燃?xì)廨啓C(jī)主回路采用的加熱器，以燃?xì)馑∈郊訜崞鳛槎啵@種加熱器通常是由鍋爐本體、燃燒器等組成，它是利用除鹽水作為中間傳熱介質(zhì)，將天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞給流經(jīng)的天然氣。圖2給出了采用燃?xì)馑∈郊訜崞鞯募訜崮K的天然氣溫度控制系統(tǒng)回路圖。

圖2 溫度控制系統(tǒng)回路圖

圖2中，加熱器有兩條溫度控制回路［2］：一個(gè)是主調(diào)節(jié)回路，以水浴爐水側(cè)溫度（TE101）為被調(diào)對象，通過調(diào)節(jié)燃燒器（TCH101）輸出功率，使水浴爐水套內(nèi)水溫控制在要求的范圍內(nèi)，由被加熱的水套水將天然氣溫度提升到要求范圍內(nèi)；另一個(gè)是輔助調(diào)節(jié)回路，以加熱單元出口天然氣溫度（TE102）為被調(diào)對象，通過調(diào)節(jié)水浴爐旁路閥（TCV102）開度，使加熱單元出口天然氣溫度（TE102）控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的供氣溫度要求。

加熱模塊的控制除了滿足工藝參數(shù)要求之外，還需要滿足必要的安全運(yùn)行參數(shù)要求：監(jiān)測鍋爐本體水的消耗，保持正常的水位，以免因?yàn)槿彼鴮?dǎo)致停機(jī)。

2.6 調(diào)壓模塊

調(diào)壓模塊中的壓力控制裝置的配置分為單元制配置與母管制配置，這兩種配置的區(qū)別在于備用調(diào)壓支路分配上：單元制是每套燃?xì)廨啓C(jī)配置一用一備的調(diào)壓支路，而母管制是多套燃?xì)廨啓C(jī)組配置一個(gè)或若干個(gè)備用的調(diào)壓支路。無論哪種配置，每條調(diào)壓支路一般依次配置進(jìn)口隔斷球閥、安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器、工作調(diào)壓器及出口隔斷球閥。為適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)對天然氣壓力、流量需求的快速響應(yīng)，調(diào)壓器通常選擇自力式。為了讓運(yùn)行人員了解調(diào)壓支路的工作狀態(tài)，通常將每條調(diào)壓支路的安全切斷閥閥位反饋到控制系統(tǒng)。另外，調(diào)壓器驅(qū)動(dòng)氣路（調(diào)壓器上游進(jìn)氣管路）受環(huán)境影響較大，必要時(shí)應(yīng)將這段管路進(jìn)行保溫、伴熱或加裝預(yù)熱器。

2.7 冷凝液收集模塊

冷凝液收集模塊由冷凝液儲(chǔ)存罐及輔助設(shè)備組成。冷凝液儲(chǔ)存罐配有帶磁性液位開關(guān)的液位計(jì)，由磁性液位開關(guān)監(jiān)控冷凝液儲(chǔ)存情況。運(yùn)行人員依據(jù)冷凝液儲(chǔ)存情況，及時(shí)通過排污泵等手段將冷凝液排放到收集車中，運(yùn)到處理廠進(jìn)行處理。

2.8 燃?xì)庑孤z測

在工藝設(shè)備及管道等可能產(chǎn)生天然氣泄漏的區(qū)域，均需裝設(shè)可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測探頭，用以檢測站內(nèi)的燃?xì)庑孤?/p>

3 控制系統(tǒng)

原則上，每一座天然氣減壓站均配置獨(dú)立的控制系統(tǒng)，并將其布置在安全區(qū)域內(nèi)的控制室中。這些控制系統(tǒng)均采用集中監(jiān)控方式，由PLC完成，并負(fù)責(zé)與DCS進(jìn)行通信?？刂葡到y(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對整個(gè)減壓站系統(tǒng)全自動(dòng)控制功能，運(yùn)行人員能在集中控制室內(nèi)對天然氣減壓站各工藝系統(tǒng)的所有被控對象進(jìn)行監(jiān)控，包括設(shè)備啟、?？刂疲y門開關(guān)操作，設(shè)備啟停狀態(tài)，閥門開關(guān)狀態(tài)，遠(yuǎn)方/就地切換和主要工藝參數(shù)的監(jiān)視，并完成設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)。

控制系統(tǒng)中，主機(jī)架上配有雙機(jī)熱備CPU、FLASH存儲(chǔ)卡、CPU同步模件和通信模件；IO機(jī)架配置數(shù)字輸入/輸出模塊、模擬輸入/輸出模塊等IO模塊，每種I＆O點(diǎn)數(shù)都留有20%余量，且IO機(jī)架的槽位也有15%余量，以便于以后的擴(kuò)展。

現(xiàn)場所有儀表信號將連接到現(xiàn)場防爆接線箱，所有現(xiàn)場信號均送至就地控制室。監(jiān)控信號再通過PLC通信送到DCS供其進(jìn)行監(jiān)控。關(guān)鍵控制信號均通過硬接線與DCS連接，確保減壓站運(yùn)行安全可靠。

4 結(jié)語

作為燃?xì)怆姀S天然氣前處理的最重要裝置，天然氣減壓站必須進(jìn)行合理的工藝系統(tǒng)配置，必要的安全可靠控制，才能充分發(fā)揮自身的功能，滿足整個(gè)系統(tǒng)的工藝要求。

［1］馬國喜.燃?xì)廨啓C(jī)電廠天然氣調(diào)壓站裝置與功能分析［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2011，24（4）：12－16.

［2］孫紹華.WinCC Flexible在燃?xì)怆姀S天然氣調(diào)壓站監(jiān)控中的應(yīng)用［J］.發(fā)電設(shè)備，2012，26（1）：34－36.