潮州市北部片區(qū)古巷鎮(zhèn)燃?xì)鈿庠垂?yīng)設(shè)計與控制

蘇 起，江 明

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，成都 610081)

0 引 言

基于潮州市“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃，潮州市將大力推廣新能源開發(fā)利用規(guī)劃，以提高能效，按照“結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能降耗、能源安全”的原則，確保能源安全，促進(jìn)能源可持續(xù)利用和發(fā)展；能源已成為促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和城市改造完善的重要目標(biāo)[1-2]。包括在燃?xì)馐袌龉芾磉^程中，為了加強(qiáng)和規(guī)范城市燃?xì)庠O(shè)施的建設(shè)和運營管理，規(guī)范燃?xì)馐袌鲋刃颍Ｕ先細(xì)夤?yīng)安全，潮州在全市范圍內(nèi)啟動了城市燃?xì)獍l(fā)展的綜合改革[3-4]。按照“全市一網(wǎng)、多渠道氣源互補(bǔ)、同網(wǎng)同質(zhì)同價”的原則，通過特許經(jīng)營方式選擇有實力的投資主體，加快全市燃?xì)夤艿馈耙粡埦W(wǎng)”建設(shè)。其中，潮州市天然氣高壓管道作為潮州“一張網(wǎng)”高壓管網(wǎng)的一部分，承擔(dān)著向潮州中壓管網(wǎng)供氣的任務(wù)。主要氣源來自于中石油閩粵支干線，中海油粵東LNG項目外輸管道也將作為潮州高壓天然氣管道遠(yuǎn)期的備用、補(bǔ)充氣源?；谝陨享椖勘疚膶Τ敝菔斜辈科瑓^(qū)古巷鎮(zhèn)燃?xì)鈿庠垂?yīng)設(shè)計與控制方案進(jìn)行了分析全面分析。

1 項目概述

潮州高壓天然氣管道古巷支線古巷分輸站接氣主要包含潮安干線、古巷支線、鐵鋪支線；古巷支線設(shè)計管徑D610 mm，設(shè)計壓力為6.3 MPa，粵閩支線是潮州市主要的高壓天然氣供應(yīng)源，年供氣量約占輸氣總量的60%。中海油粵東LNG來氣為輔助氣源。

(1)閩粵支干線

西三線閩粵支干線起于廣州增城末站，止于漳州分輸清管站，長569 km。中部設(shè)潮州分輸站、揭陽分輸清管站、河源分輸清管站，為沿線潮州、揭陽、梅州、河源供氣。全線設(shè)計輸量50.6×108m3/a，設(shè)計壓力10 MPa，管徑813 mm。該管道目前處于建設(shè)中。閩粵支干線通過潮州分輸站為潮州片區(qū)目標(biāo)市場供氣。根據(jù)閩粵支干線氣源指標(biāo)安排，潮州分輸站2026年供氣量為19.2×108Nm3/a。

(2)中海油粵東LNG

中海油粵東LNG項目包括：LNG接收站、LNG接收站、配套管道工程等。LNG接收站項目分為一期和二期，其中：一期建設(shè)規(guī)模為200萬噸/年；二期工程建設(shè)規(guī)模為400萬t/年?；洊|LNG接收站配套的輸氣管道工程分兩期建設(shè)，一期干線起點為揭陽市惠來縣LNG接收站，終點為蓮花。供氣范圍為汕頭市、潮州市、揭陽市，設(shè)計輸氣量28.7×108Nm3/A，設(shè)計壓力9.2 MPa，沿線設(shè)8座站場和6座閥室。干線長132 km，管徑DN900；支線長38 km，直徑DN300。二期干線西至海豐，東至饒平。天然氣供應(yīng)范圍增加至惠來縣、饒平縣和汕尾市，長度為144 km。

根據(jù)上游管線設(shè)計內(nèi)容，中海油粵東LNG外輸管道可通過浮洋分輸站向潮州高壓天然氣管道供氣，該管道投產(chǎn)后可向潮州高壓天然氣管道供氣15.5×108Nm3/a，若需求增加，可增加供氣量?；洊|LNG作為潮州市的主要備用、補(bǔ)充氣源?；洊|LNG外輸管線工程的氣源為粵東LNG接收站，粵東LNG接收站選用典型天然氣組成，其規(guī)格及性質(zhì)分別見表1。

表1 天然氣組成及物理性質(zhì)參數(shù)

2 輸配系統(tǒng)設(shè)計

2.1 輸配系統(tǒng)

輸配系統(tǒng)框圖如1所示。該工程自古巷分輸站圍墻外2米為設(shè)計起點，管線敷設(shè)至港華氣化站外預(yù)留支管閥門，遠(yuǎn)期為其他用戶供氣，港華氣化站內(nèi)過濾、調(diào)壓、計量，壓力調(diào)為中壓0.4 MPa，交接調(diào)壓計量撬位于港華氣化站內(nèi)，計量后接入港華燃?xì)庵袎汗芫W(wǎng)，調(diào)壓計量撬位于港華氣化站內(nèi)。

圖1 輸配系統(tǒng)框圖

2.2 管網(wǎng)布置及走向

(1)管道走向

該工程次高壓管道自古巷分輸站圍墻外2 m起至港華氣化站止，因受地形條件限制，氣源點和用氣點之間主要為村鎮(zhèn)，管線無法直線連接，天然氣次高壓管道必須繞行或者非開挖穿越。次高壓管道由古巷分輸站圍墻外2 m接出，往南敷設(shè)至雙門坑處轉(zhuǎn)向東敷設(shè)，穿越水庫下游排水渠，沿水美村北側(cè)丘陵敷設(shè)，穿越甬莞高速，沿東崗村東側(cè)往南敷設(shè)，局部穿越池塘后至終點港華氣化站。供氣管道設(shè)計壓力1.6 MPa，設(shè)計管徑DN600，線路總長度6.5 km。線路無截斷閥室，線路終點處預(yù)留DN300支管閥門。

(2)管道線路方案比選

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，存在2個方案進(jìn)行比選。

方案1

工程自古巷分輸站開始，往南敷設(shè)至雙門坑處轉(zhuǎn)向東敷設(shè)，穿越水庫下游排水渠， 沿水美村北側(cè)丘陵敷設(shè)，穿越甬莞高速，沿東崗村東側(cè)往南敷設(shè)，局部穿越池塘后至 終點港華儲配站。該方案沿線經(jīng)過農(nóng)耕用地和林地，沿線無征拆，條件較好，但線路較長。

方案2

工程自古巷分輸站開始，往南沿山地敷設(shè)至網(wǎng)地村西南側(cè)，局部經(jīng)過村莊，往東 穿越甬莞高速，沿古水路東側(cè)往南敷設(shè)，局部穿越池塘后至終點港華儲配站。該方案線路較短，網(wǎng)地村北側(cè)段主要為丘陵及林地，地勢起伏大，途經(jīng)網(wǎng)地村， 管線臨近住宅區(qū)，局部沿村道敷設(shè)，網(wǎng)地村南側(cè)處經(jīng)過農(nóng)耕用地；同時沿古水路并行 敷設(shè)約1.5 km，古水路僅雙向2車道，兩側(cè)多為建構(gòu)筑物、輸電線、電桿等，該方案安 全間距要求高，管材選取等級高，施工難度大，后期運營維護(hù)不變[5]。

通過對兩個方案路由描述，分別對兩個方案主要工程量和主要優(yōu)缺點進(jìn)行對比見表2,表3。

表2 主要工程量對比表

表3 優(yōu)缺點對比表

綜上所述：相較于方案二，方案一的天然氣次高壓管道所經(jīng)路段管道建設(shè)條件良好，多為農(nóng)田、林地，避開了城市建成區(qū)，施工難度相對較低，適合進(jìn)行天然氣高壓管道的敷設(shè)施工[6]。安全風(fēng)險低，方案報批報建相較簡單。因此，故工程最終管道線路方案為方案1。

2.3 管徑的選擇

根據(jù)可行性研究報告的相關(guān)管徑比選及計算，內(nèi)容如下：

(1)該項目供氣管道承擔(dān)給下游用戶輸氣功能，不承擔(dān)調(diào)峰功能，小時調(diào)峰由上游輸氣管道承擔(dān)。故連接線管道管徑的選擇只需滿足17.3×104Nm3/h的輸氣規(guī)模。

(2)該項目自古巷分輸站的接氣壓力為1.6 MPa，管道終點最低壓力按不小于0.5 MPa計算。

(3)該項目支線管道根據(jù)設(shè)計壓力、供氣能力以及末點分輸壓力要求，選取DN400、DN500、DN600和DN700四種管徑和設(shè)計壓力組合進(jìn)行方案比選如4所示。

表4 管道管徑方案比選

根據(jù)計算結(jié)果，方案一不可行，方案二、方案三、方案四均可滿足下游輸氣量：

(1)管線投資費用方面，管徑DN500投資最低。

(2)考慮周邊規(guī)劃工業(yè)用地的發(fā)展，管徑DN500難以滿足遠(yuǎn)期用戶需求，管徑DN600、DN700均可滿足。

綜合考慮管線運行功能及投資費用等，該項目管徑推薦采用D610x7.1的管道，局部經(jīng)過村莊及穿越池塘段選用D610x9.5。

2.4 管道敷設(shè)

(1)一般地段管道敷設(shè)

管道埋深的一般要求為：管頂埋深大于1.2 m，人口密集地區(qū)的管道埋深應(yīng)充分加深。如果由于土壤、地上建筑物等因素的變化，管道任何部分的管頂埋深不符合設(shè)計要求，施工單位應(yīng)采取有效的保護(hù)措施，確保管道的安全。

當(dāng)管道水平角或垂直角較小(一般約1～3)時，設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先采用彈性敷設(shè)。管道彈性敷設(shè)的曲率半徑必須滿足自重產(chǎn)生的最小曲率半徑和管道阻力條件下達(dá)到的最小曲率半徑的要求，同時必須大于1000D。不得采用彈性敷設(shè)，管道的方向必須在平面和垂直方向上同時改變。當(dāng)無法滿足彈性鋪設(shè)時，首選冷彎彎管，曲率半徑r=40d，冷彎彎管上限為12。當(dāng)不能滿足冷彎彎管時，應(yīng)使用熱彎管，熱彎管的曲率半徑為r=5D。

(2)特殊地段的管道敷設(shè)

①毗鄰村莊和城鎮(zhèn)。選擇管道路線時，盡量避開建筑密集的村莊。管道與建筑物之間的凈距離不應(yīng)小于13.5 m，并考慮村莊開發(fā)用地的空間要求。當(dāng)管道與建筑物的距離不滿足要求時，可采取增加管道壁厚、改善外部腐蝕程度、增加管道埋深等安全措施。這些路段的管道和信號桿的警告信號的布置必須加密，以防止新設(shè)計損壞已鋪設(shè)的管道。

②穿過山區(qū)和丘陵地區(qū)。山區(qū)地形復(fù)雜，地形較松散，部分山丘坡度較陡。雨季易發(fā)生沖溝崩塌，是典型的易崩塌地勢。因此，當(dāng)管道通過此類路段時，必須設(shè)置擋土墻、護(hù)坡等結(jié)構(gòu)來保護(hù)管道；在管道的上下游段，采取了墻體、草截流帶等水土保持措施，減少雨水對表土的侵蝕。

③靠近高壓輸電線的部分。如果管道局部靠近或平行于高壓線，應(yīng)采取排水保護(hù)措施，以滿足《城市燃?xì)夤艿涝O(shè)計規(guī)范》(GB50028-2006)和《鋼制管道外腐蝕控制規(guī)范》(GB/T 21447-2017)中規(guī)定的管道與架空輸電線和交流接地體之間的最小距離，以確保管道的安全。

④經(jīng)過經(jīng)濟(jì)作物區(qū)段。管道通過經(jīng)濟(jì)作物種植區(qū)時，為了減少管道施工對經(jīng)濟(jì)作物造成的損害，施工作業(yè)區(qū)的寬度應(yīng)盡量縮小。管道應(yīng)采用溝下組焊方式，并采取臨時經(jīng)濟(jì)林木樹移植措施，以降低補(bǔ)償成本。

3 自控水平及控制方案

3.1 自動控制水平

根據(jù)項目規(guī)劃和生產(chǎn)管理的要求，港華北片LNG氣化站調(diào)壓計量站建設(shè)為長期無人值守站。本站設(shè)置無人值守站場信號監(jiān)控系統(tǒng)，并設(shè)置遠(yuǎn)程通信裝置，將信號傳輸至浮洋分輸站。以調(diào)壓計量橇信號防爆箱為界，其自動控制系統(tǒng)包括：信號接入與采集、邏輯操作與控制、遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程監(jiān)控等[7]。

該系統(tǒng)是微電子技術(shù)、軟件技術(shù)、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和智能控制器相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)。以潮州控制中心-浮洋分輸站為區(qū)域監(jiān)控中心，通過遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)對遠(yuǎn)程車站進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守站的自動檢測、控制、報警和連鎖保護(hù)功能，確保生產(chǎn)安全高效運行，為生產(chǎn)運行、運輸和應(yīng)急救援提供輔助決策支持[8]。

3.2 自動控制系統(tǒng)方案

燃?xì)鈭稣颈O(jiān)控方案應(yīng)滿足工藝控制、生產(chǎn)管理、安全運行等要求，并應(yīng)采用故障安全型設(shè)計。本工程主要監(jiān)控方案如下：

(1)控制系統(tǒng)組成、分級控制模式、通信接口要求

浮洋分輸站區(qū)域監(jiān)控中心、港華調(diào)壓計量橇自動控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)等組成。監(jiān)控中心擁有最高的監(jiān)管權(quán)限，系統(tǒng)支持手動和自動操作模式。一般情況下，系統(tǒng)處于自動運行狀態(tài)，在緊急停機(jī)、維護(hù)和調(diào)試等特殊情況下手動運行。在手動狀態(tài)下，本地操作擁有最高的操作權(quán)限，在自動/遠(yuǎn)程控制狀態(tài)下，浮洋分輸站區(qū)域監(jiān)監(jiān)測中心擁有最高的操作權(quán)限。港華調(diào)壓計量橇自動控制系統(tǒng)通過公用通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心連接，采用熱備冗余通信方式。其中，主通信：以太網(wǎng)RJ45/MODBUS TCP通信接口，備用通信：RS-232/MODBUS RTU通信接口。

(2)控制方案

自動控制系統(tǒng)方案應(yīng)滿足工藝控制、生產(chǎn)管理、安全運行等要求，并應(yīng)采用故障安全型設(shè)計。主要監(jiān)控方案如下：

①進(jìn)站天然氣溫度、壓力監(jiān)測，壓力超限高報警、超高高限連鎖關(guān)閉進(jìn)站電動閥；

②進(jìn)站天然氣計量，帶溫度、壓力補(bǔ)償，計量系統(tǒng)由設(shè)備廠商成套提供，包括流量計、流量計算機(jī)控制柜等，與自動控制系統(tǒng)接口為標(biāo)準(zhǔn)RS-485/MODBUS通信接口；

③過濾器超壓報警，同時檢測集液包液位數(shù)據(jù)；

④檢測調(diào)壓器閥位及狀態(tài)信號，緊急切斷閥狀態(tài)信號；

⑤出站天然氣溫度、壓力監(jiān)測，壓力超限高報警、超高高限連鎖關(guān)閉進(jìn)站電動閥；當(dāng)檢測到出站壓力下降速率超出設(shè)定值時，經(jīng)確認(rèn)，緊急切斷出站電動閥；

⑥根據(jù)天然氣流量信號，自動控制加臭系統(tǒng)輸出，同時檢測加臭系統(tǒng)運行狀態(tài)；

⑦當(dāng)報警濃度應(yīng)取爆炸下限的20%，在現(xiàn)場和監(jiān)控室進(jìn)行聲光報警。當(dāng)達(dá)到爆炸下限40%時進(jìn)行高高報警，并觸發(fā)連鎖控制。

⑧由于本工程調(diào)壓計量橇分別安裝于用戶站內(nèi)，場站安全儀表系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)根據(jù)場站統(tǒng)一要求設(shè)計，滿足《油氣田及管道工程計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB_T 50823-2013安全儀表系統(tǒng)及緊急停車系統(tǒng)設(shè)計要求。如無相關(guān)要求，則應(yīng)按如下設(shè)置：

本工程過程控制和儀表安全系統(tǒng)共用PLC控制器，分輸站按不低于SIL2要求選型，系統(tǒng)的安全等級認(rèn)證要求按不低于SIL2進(jìn)行設(shè)計。用戶站不低于SIL1要求選型和SIL1的系統(tǒng)的安全等級認(rèn)證要求進(jìn)行設(shè)計。PLC系統(tǒng)和ESD系統(tǒng)共用機(jī)柜，其中儀表安全系統(tǒng)的模塊獨立設(shè)置。ESD 系統(tǒng)完成站場的緊急停車，同時接受調(diào)控中心下達(dá)的ESD命令。緊急停車(ESD)系統(tǒng)是保證管道及沿線站場安全的邏輯控制系統(tǒng)。ESD系統(tǒng)命令優(yōu)先于任何操作方式。

⑨監(jiān)控中心實時監(jiān)控下游供氣量，當(dāng)根據(jù)生產(chǎn)管理要求關(guān)閉和開啟出站電動閥。當(dāng)場站出現(xiàn)超壓、可燃?xì)怏w泄漏、主要調(diào)壓設(shè)備故障等緊急事故時，經(jīng)人工確認(rèn)，執(zhí)行場站安全連鎖控制，緊急切斷進(jìn)出站閥門，打開放散ESD調(diào)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使場站壓力降至安全水平[9]。

4 結(jié)束語

綜上所述，該項目的實施將為古巷片區(qū)提供可靠的天然氣管道來源。首先，可以改善當(dāng)?shù)啬茉聪M結(jié)構(gòu)，加快當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境，提高人民生活質(zhì)量，改善城市基礎(chǔ)設(shè)施，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會和人民生活的全面發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)；其次，該項目的建設(shè)可以保證古巷片區(qū)天然氣的供應(yīng)和調(diào)峰，降低用氣成本，提高古巷片區(qū)基礎(chǔ)用戶的氣化率。