天然氣分輸站場調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)置探討

孫金玲，雷凌

（1.中石化石油工程設(shè)計有限公司 北京分院，北京 102200；2.中國石油集團 經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100011）

0 概述

近十幾年以來，天然氣輸氣管道項目發(fā)展迅速，從西氣東輸、川氣東送等橫貫東西的國家級的輸氣大動脈到浙江、陜西、山東等各省內(nèi)的輸氣支線等大小管道項目都陸續(xù)建成投產(chǎn)并平穩(wěn)運行。

天然氣輸氣管道的最終目標是在完成長距離輸送天然氣的基礎(chǔ)上，為下游分輸用戶提供壓力平穩(wěn)、安全可靠的高品質(zhì)天然氣。壓力控制是關(guān)鍵的技術(shù)之一，調(diào)壓系統(tǒng)除了正確配置壓力控制設(shè)備之外，還要保證當調(diào)壓設(shè)備出現(xiàn)故障時，下游管道不超壓，并能進行安全切斷。本文以中石化天然氣分公司濟南-青島輸氣管道二線工程為例，就壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計進行探討。

1 相關(guān)標準規(guī)范

1.1 國內(nèi)標準規(guī)范

《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50251—2003）[1]中，對分輸壓力控制進行了規(guī)定，其具體壓力控制及安全裝置設(shè)施的技術(shù)要求：

6.2.2 條文說明：為了保證對用戶的供氣量和供氣壓力，在配氣站的每一用戶管線都必須設(shè)置調(diào)壓裝置，對壓力和流量進行調(diào)節(jié)和控制。

8.4.6 規(guī)定：當供氣壓力超限會危及下游供氣系統(tǒng)設(shè)施安全時，應設(shè)置可靠的安全裝置系統(tǒng)。當可能的最高進口壓力與允許最高出口壓力之差大于1.6MPa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(lián)兩臺安全截斷設(shè)備，安全截斷設(shè)備應具備快速關(guān)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(shè)備和1臺附加的壓力調(diào)節(jié)控制設(shè)備。

3）每一回路安裝1臺安全截斷設(shè)備和1臺最大流量安全泄放設(shè)備。

1.2 國外標準規(guī)范

由歐洲標準化委員會（CEN）2000年2月頒布的《氣體供應系統(tǒng)-用于輸送和分配的氣體調(diào)壓站-功能要求（Gas supply systems-Gas pressure regulating stations for transmission and distribution-Functional requirements）》（EN 12186）[2]標準中明確提出，在氣體分輸站當壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，壓力安全系統(tǒng)必須自動地實施，以防止系統(tǒng)下游氣體壓力超過允許的范圍，同時還應考慮到系統(tǒng)壓力測量和調(diào)節(jié)的偏差，并在8.3.3具體要求如下：

1）當MOPu≤MIPd或MOPu≤10kPa時，氣體調(diào)壓系統(tǒng)無須設(shè)置壓力安全系統(tǒng)。

2）當MOPu>MIPd時，氣體調(diào)壓系統(tǒng)必須設(shè)置單個的（第一級）壓力安全系統(tǒng)。

3）當MOPu-MOPd>1.6MPa，以及MOPu>STPd時，單個的（第一級）壓力安全系統(tǒng)還須同時加上第二個安全裝置，以增加系統(tǒng)的壓力安全等級。

其中，MOPu—氣體調(diào)壓系統(tǒng)上游最大操作壓力（Maximum Upstream Operating Pressure）。該壓力是在正常操作條件下（氣體調(diào)壓系統(tǒng)和管道無任何設(shè)備/裝置出現(xiàn)故障）可被連續(xù)地控制的。

MOPd—氣體調(diào)壓系統(tǒng)下游最大操作壓力（Maximum Downstream Operating Pressure）。

MIPd—氣體調(diào)壓系統(tǒng)下游最大偶然出現(xiàn)的壓力（Maximum Downstream Incidental Pressure）。該壓力是氣體調(diào)壓系統(tǒng)和管道能夠承受的。其壓力可被壓力安全裝置所限制。

STPd—氣體調(diào)壓系統(tǒng)下游管道和設(shè)備強度測試壓力（Downstream Strength Test Pressure）。

另EN12186的8.3.2壓力安全系統(tǒng)的操作原則規(guī)定：若無放空設(shè)備，安全設(shè)備可以是一個監(jiān)控閥、一個過壓快速切斷閥或者是一個過壓切斷閥。若有放空設(shè)備，安全設(shè)備可以是一個具有足夠泄放能力的安全閥。但是安全閥不能在壓力控制系統(tǒng)中獨立使用，必須與一個監(jiān)控閥或者一個過壓切斷閥聯(lián)合使用，只能作為壓力控制系統(tǒng)的第二級安全設(shè)備使用。

1.3 國內(nèi)外標準規(guī)范對比分析

國內(nèi)外規(guī)范對于壓力安全系統(tǒng)的要求大同小異，僅對于兩級壓力安全系統(tǒng)的設(shè)置條件稍有區(qū)別。

表1 國內(nèi)外標準規(guī)范對比Table 1 Standard specifications compared

EN12186的9.2強度試驗是參考EN1594[3]，查閱EN1594的9.5.3強度試驗壓力為MIP+0.15MOP。由于不同壓力下的MIP與MOP之間的系數(shù)是不相同的[2]，這需要根據(jù)下游管道的MOP具體分析。

以濟青二線的分輸站場為例，調(diào)壓后下游管道的最大操作壓力MOPd為4.0Mpa，根據(jù)EN1594的要求，強度測試壓力STPd為1.15MOPd+0.15MOPd即1.3MOPd，這樣看來，針對天然氣長輸管道的分輸站場，在兩級壓力安全系統(tǒng)的設(shè)置原則上，國外規(guī)范比國內(nèi)規(guī)范的要求更為嚴格。

2 調(diào)壓系統(tǒng)的配置

氣體壓力控制系統(tǒng)的作用是保證輸氣管道能夠安全、平穩(wěn)、連續(xù)地為各下游用戶供氣。目前，天然氣長輸管道大多滿足GB50251和EN1286設(shè)置兩級壓力安全系統(tǒng)的條件，配置有以下幾種方式。

2.1 SSV（安全切斷閥）+PCV（監(jiān)控調(diào)壓閥）+PV（工作調(diào)壓閥）

SSV+PCV+PV的配置方式最大程度上保證了調(diào)壓系統(tǒng)的可用性，避免由于工作調(diào)壓閥故障引起突然停氣。動作設(shè)定值為PSSV>PPCV>PPV。此配置廣泛應用在西氣東輸、川氣東送等國內(nèi)大型輸氣管道項目中。

工作調(diào)壓閥選用電動調(diào)節(jié)閥，在正常情況下系統(tǒng)為壓力調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)下游壓力不超過設(shè)定的壓力，并可方便地在調(diào)控中心實現(xiàn)對其設(shè)定值的調(diào)整。當供氣流量超過設(shè)定值時，控制系統(tǒng)將自動切換為流量調(diào)節(jié)，對用戶供氣量進行限量控制。

監(jiān)控調(diào)壓閥是安全調(diào)節(jié)系統(tǒng)中第一級安全設(shè)備，其作用是當工作調(diào)壓閥出現(xiàn)故障時，保證下游不超壓的同時維持下游的正常供氣。正常情況下，監(jiān)控調(diào)壓閥因設(shè)定值高于工作調(diào)壓閥而處于全開位置，當工作調(diào)壓閥出現(xiàn)故障造成下游超壓達到其設(shè)定值時，串聯(lián)的監(jiān)控調(diào)壓閥將自動運行。監(jiān)控調(diào)壓閥采用自力式調(diào)壓器，從動力到調(diào)節(jié)回路均與工作調(diào)壓閥不同，提高了系統(tǒng)的可用性和可靠性[4]。

自力式安全切斷閥是壓力安全系統(tǒng)中第二級安全設(shè)備，其動作的設(shè)定值高于工作調(diào)壓閥和監(jiān)控調(diào)壓閥的設(shè)定值，正常時處于全開狀態(tài)。當測量值大于安全切斷閥的設(shè)定值時及時切斷供氣管路并發(fā)出報警信號，以保證下游設(shè)施的安全。安全切斷閥關(guān)閉后，必須人工在現(xiàn)場確認關(guān)閉原因后才能將其開啟。安全切斷閥需取得不低于SIL2的安全認證。

濟青二線即采用此配置。

2.2 SSV（安全切斷閥）+SSV（安全切斷閥）+PV（工作調(diào)壓閥）

此配置在陜京線等輸氣管道項目有應用。每一回路串聯(lián)兩臺安壓全截斷設(shè)備，兩臺切斷閥對系統(tǒng)進行雙重保護，此配置安全系數(shù)較高，在下游超壓的情況下可迅速切斷管路。缺點是一旦工作調(diào)壓閥出現(xiàn)故障，即切斷下游供氣，影響供氣的連續(xù)性。動作設(shè)定值為PSSV1=PSSV2>PPV。此配置適合下游用戶用氣壓力比較平穩(wěn)，自力式調(diào)壓閥口徑較大（調(diào)壓閥口徑大于等于DN300）的情況。

圖1 SSV（安全切斷閥）+PCV（監(jiān)控調(diào)壓閥）+PV（工作調(diào)壓閥）Fig.1 SSV (safety shut off valve) +PCV (monitoring pressure regulating valve) +PV (working pressure regulator)

圖2 SSV（安全切斷閥）+SSV（安全切斷閥）+PV（工作調(diào)壓閥）Fig.2 SSV (safety valve), +SSV (safety shut off valve) +PV (working pressure regulator)

圖3 SSV（安全切斷閥）+PV（監(jiān)控調(diào)壓閥）+PCV（工作調(diào)壓閥）Fig.3 SSV (safety shut off valve) +PV (monitoring pressure regulating valve) +PCV (working pressure regulator)

圖4 SSV（安全切斷閥）+PCV（監(jiān)控調(diào)壓閥）+PCV（工作調(diào)壓閥）Fig.4 SSV (safety shut off valve) +PCV (monitoring pressure regulating valve) +PCV (working pressure regulator)

表2 MOP，peak level OP，TOP and MIP之間的關(guān)系。Table 2 Relationship between MOP,peak level OP,TOP and MIP.

2.3 SSV（安全切斷閥）+PV（監(jiān)控調(diào)壓閥）+PCV（工作調(diào)壓閥）

此方案中，工作調(diào)壓閥采用自力式調(diào)壓閥，監(jiān)控調(diào)壓閥采用電動調(diào)節(jié)閥。在流量超限時，系統(tǒng)將控制監(jiān)控調(diào)壓閥投入限流調(diào)節(jié)。優(yōu)點是自力式調(diào)壓閥調(diào)節(jié)速度快，可調(diào)流量范圍寬。缺點是壓力設(shè)定值不能遠程修改，且若主皮膜故障會導致監(jiān)控調(diào)壓閥無法打開。此配置應用較少，曾應用在福建LNG長輸管線項目中。

2.4 SSV（安全切斷閥）+PCV（監(jiān)控調(diào)壓閥）+PCV（工作調(diào)壓閥）

此配置工作和監(jiān)控調(diào)壓閥均為自力式調(diào)壓閥，適用于在分輸出口管道壓力無需經(jīng)常變更，且現(xiàn)場供電又無法保證的情況下。PSSV>PPCV1>PPCV2此配置應用較少。

3 調(diào)壓系統(tǒng)各閥門壓力設(shè)定值

國內(nèi)標準規(guī)范GB 50251[1]對于壓力控制系統(tǒng)中安全裝置的配置方式給出了3種選擇，但是沒有給出各級壓力設(shè)定值的設(shè)置，因此，設(shè)計時必須參考國外標準規(guī)范。EN12186[2]明確給出工作調(diào)節(jié)閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、安全切斷閥的壓力設(shè)定值，是目前進行長輸管道分輸壓力設(shè)計的主要依據(jù)。

EN12186中第8節(jié)壓力控制部分的表2描述了MOP，peak level OP，TOP and MIP之間的關(guān)系。

另外，在EN12186確定了各閥門的壓力設(shè)定值，其中8.2明確了壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)定值應不超過MOP；8.4.1規(guī)定安全切斷閥的設(shè)定值應是MIP減去其精度正公差；8.4.2要求監(jiān)控調(diào)壓器的設(shè)定值不超過TOP。

表3 調(diào)壓系統(tǒng)各閥門壓力設(shè)定點Table 3 The pressure setting of the valve of the pressure regulating system

4 調(diào)壓系統(tǒng)主備回路自動切換原理

為保證系統(tǒng)的可靠性，調(diào)壓系統(tǒng)配置一般為一用一備或者多用一備的形式，這就需要考慮主、備路切換的問題。不同的配置有不同的實現(xiàn)方式，下面僅對濟青二線采用的SSV+PCV+PV的配置形式進行闡述。對于不同的配置，各閥門的設(shè)定值也不相同，在設(shè)計時可根據(jù)經(jīng)驗初定，但需要在投產(chǎn)運行過程中進行不斷摸索，調(diào)試出最合理的設(shè)定值，以保證調(diào)壓系統(tǒng)的順利運行、平穩(wěn)切換。

4.1 通過前（后）閥門的自動開關(guān)實現(xiàn)

正常情況下主路供氣，備用路上的前（后）電動球閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當主路的工作調(diào)節(jié)閥及監(jiān)控調(diào)壓閥出現(xiàn)故障時或者由于某種情況導致安全切斷閥切斷，為保證下游用戶正常用氣，通過站控系統(tǒng)手動打開調(diào)壓前（后）開關(guān)閥、切換到備用路。

備用路PSSV>主路PSSV，約為1.05～1.1倍的主路PSSV，監(jiān)控調(diào)壓閥和工作調(diào)壓閥的主、備路的設(shè)定值沒有區(qū)別。

4.2 前后閥門均打開，通過PV的設(shè)定值實現(xiàn)

通過自動修改各調(diào)壓回路的電動調(diào)節(jié)閥PV壓力設(shè)定值，實現(xiàn)回路的自動切換。當主路電動調(diào)節(jié)閥正常工作時，備用回路的PV設(shè)定值低于主路PV設(shè)定值10%甚至更低。備用路的電動調(diào)節(jié)閥則處于關(guān)閉狀態(tài)。

舉例說明調(diào)壓系統(tǒng)各閥門壓力設(shè)定點。

從表3可以看出，此配置的PSSV備>PSSV主，約為1.05～1.1倍的主路SSV設(shè)定值，而備用路工作調(diào)壓閥的設(shè)定值遠遠低于主路PV設(shè)定值。

正常工作時，主路負責調(diào)壓工作，假設(shè)其出口壓力值設(shè)定為4.0MPa，備用路切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓器處于正常調(diào)節(jié)狀態(tài)，但是備用路電動調(diào)節(jié)閥此時的調(diào)節(jié)設(shè)定值為1.0MPa，由于主路出口壓力大于備用路出口壓力，故備用路氣流無法流出。

當主路切斷時，安全切斷閥輸出關(guān)閉信號到站控系統(tǒng)，站控系統(tǒng)控制備用路的電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)設(shè)定值由1.0MPa變?yōu)?.0MPa，備用路開始正常調(diào)節(jié)、供氣。

濟青二線的壓力控制系統(tǒng)各閥門設(shè)定值暫按此設(shè)置，在投產(chǎn)運行過程中將不斷調(diào)試、找出最合理的設(shè)定值，以保證調(diào)壓系統(tǒng)的順利運行、平穩(wěn)切換。

5 調(diào)壓控制器

調(diào)壓系統(tǒng)的控制可以由專用的調(diào)壓控制器實現(xiàn)，也可以是集成在站控系統(tǒng)內(nèi)部，由站控系統(tǒng)實現(xiàn)?，F(xiàn)階段，多數(shù)項目的調(diào)壓系統(tǒng)配套了調(diào)壓控制器，此做法雖然可由調(diào)壓橇廠家對整個調(diào)壓系統(tǒng)負責，減少了業(yè)主協(xié)調(diào)的工作量，減少開車時的麻煩，但同時也增加了投資并增加了中間環(huán)節(jié)和故障點。若了解清楚各閥門的設(shè)定點及主、備回路的切換原理后，調(diào)壓系統(tǒng)的控制功能完全可以由站控系統(tǒng)實現(xiàn)。

6 結(jié)論

天然氣分輸站場調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)置關(guān)系到是否可以為下游用戶提供壓力平穩(wěn)、安全可靠的高品質(zhì)天然氣，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)其配置具有多樣性，不同配置的各閥門設(shè)定點以及切換方式也不盡相同。設(shè)計人員在進行配置時需綜合考慮多種因素，并在投產(chǎn)運行過程中將不斷調(diào)試、找出最合理的設(shè)定值，以保證調(diào)壓系統(tǒng)的順利運行、平穩(wěn)切換。

[1]輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范(GB50251-2003)[S].2003.

[2]BS EN 12186.氣體供應系統(tǒng)-用于輸送和分配的氣體調(diào)壓站-功能要求(Gas supply systems-Gas pressure regulating stations for transmission and distribution-Functional requirements)[S].

[3]BS EN 1594.氣體供應系統(tǒng)-最大壓力超過16bar的管道-功能要求(Gas supply systems-Pipelines for maximum operating pressure over 16 bar-Functional requirements)[S].

[4]王書惠.天然氣長輸管道分輸壓力控制系統(tǒng)技術(shù)研究[J].石油規(guī)劃設(shè)計,2012,23(1):23-26.