典型城市天然气门站主要设备设计选型

上海燃气工程设计研究有限公司 孙永康

典型城市天然气门站主要设备设计选型

上海燃气工程设计研究有限公司 孙永康

着重介绍了在城市天然气门站设计中过滤、计量、调压等主要设备的选型、指出选型中的关键要点；同时根据多年实践经验总结提出相应的选型原则。

天然气 调压模块 计量模块 过滤模块 设备选型

0 概述

城市天然气门站主要工艺流程为：来自上游高压天然气在门站内经前处理(过滤、加热)、调压、计量、加臭、分输进入城市天然气高压管网(有些门站还配置有清管检管装置)，详见图1。本文主要讨论城市门站的三大核心模块：前处理模块、调压模块、计量模块。其中，调压模块和计量模块是门站关键设备，保证下游管网的运行安全及与贸易交接气量对比参照的准确性，前处理模块是保证调压及计量设施安全运行的前提。

图1 典型城市门站工艺流程

1 调压模块

目前城市天然气门站主要采用自力式调压器中的轴流式调压器，中小型城市天然气门站规模较小，主要采用传统的非轴流式调压器。当门站设计规模大，要考虑非轴流式调压器的流量(流通能力)限制和路数增多、以及运行的噪音等因素，需和轴流式调压器进行技术经济方案分析。一般情况，当门站设计流量达到40万m3/h规模以上时，由于轴流式调压器的流量可以远大于非轴流式的流量，口径、路数可相对减少，使用轴流式调压器的总投资可相对降低，因此在大型门站及长输管线大型分输站通常采用轴流式调压器。以下主要分析调压器选型。

天然气门站中的调压器一般采用“调压火车”的形式设置，即单路由“切断阀+监控调压器+工作调压器”的形式。根据门站规模大小可以设置多路，能够做到并联监控及自动启闭多路“调压火车”。调压火车的运行模式为，正常情况下工作调压器工作，监控调压器全开，事故时工作调压器全开，监控调压器进入工作状态，监控调压器事故时因下游超压，切断阀关闭，并自动启动下一路调压火车。切断阀一旦动作，需人工复位。

1.1 选型计算

城市门站天然气调压器形式选用自力式间接作用调压器时，其基本选型计算过程如下，根据调压前后压力及单路流量计算调压阀的流量系数Cg值，然后根据Cg值进行口径选取。

压临界工况(p1＜2p2)时：

超临界工况(p1≥2p2)时：

式中：p1、p2——调压器前后压力，MPa；

Q——气体流量(取下游管网高峰小时流量的1.2倍)，m3/h。

根据调压阀流量系数Cg值进行选取，见表1：

表1 某品牌调压阀的流量系数

初选调压阀口径后，根据选定产品的流量系数及开度函数关系(见图2)，确定调压器的正常开度，确保调压阀各种运行工况下开度在20%~80%之间，以保证稳压精度及调压器的工作寿命。

图2 某品牌调压器的流量系数及开度函数关系

同时，在确定调压阀口径后，为了确保调压器的良好工作性能，避免磨蚀、限制噪声，需校核调压阀出口法兰处的流速，确保流速低于50 m/s，调压器出口法兰处的流速计算公式如下：

式中：V——气体流速，m/s；

Q——气体流量，m3/h；

DN——调压器公称直径，mm；

p——出口表压，MPa。

1.2 调压器选型关键点

(1)调压器的调压精度、关闭精度需明确。一般取1%及5%。

(2)调压器的泄漏等级需明确，即关闭性能。

(3)明确调压器噪音控制措施，调压器噪声不应大于75dBA(以调压器为中心，半径1 m范围内)。

(4)间接作用自力式调压器的指挥器应设精细过滤器。

2 过滤模块

为了保证门站调压器及流量计的正常运行，需对来气进行前处理，城市天然气门站一般要求过滤器对5 μm的粉尘过滤精度达到99%。在高压天然气站场中选用的过滤设备常用的有3种：旋风分离器、过滤分离器、过滤器，结构示意见图3~5。

图3 旋风分离器及旋风管

图4 过滤分离器

图5 小型过滤器

常用旋风分离器是利用离心力原理，燃气从立窄缝形进气口切向进入，利用气流动能在管内形成旋风流，由于燃气、气中的固体颗粒及液滴的密度差异，在离心力的作用下，清洁燃气从上导管流走，固体颗粒及液滴经下导管落入旋风分离器底部，从排污口排出。旋风管的数量根据燃气流量和允许的压降确定(见图3)。

过滤分离器原理：一般为卧式结构。燃气从进气口进入隔板左侧的滤芯室内，气体从管状形的滤芯外侧向滤芯中心汇聚，过滤后的气体通过安装滤芯的根部钢管，进入隔板右侧的空间，通过叶片式分离元件进一步分离气中微小液滴，最后净化的气体从出口排出；分离出的杂质和液滴分别从隔板左右室经积液器排出(见图4)。

小型过滤器原理：常用的过滤器为立式。气体从侧面进入，从滤芯外侧穿过滤材向中心汇聚，杂质被挡在滤芯外围并下落到底部聚集排出，清洁气体从与滤芯内部连通的弯头和管道排出(见图5)。

以上3种除尘过滤设备的优缺点分析如表2。

表2 过滤除尘设备的性能比较

3 流量计的选型

高压天然气站场由于压力高、流量大，如果计量误差超差，其绝对值就很大。对于贸易计量，就意味着会有一方产生很可观的经济损失，违背《计量法》且有失公平。因此要求整个计量系统的准确度较高，计量系统规定为1级，而对流量计而言，准确度要求为0.5级。

常用的燃气流量计有：超声、涡轮、标准孔板、质量、旋进漩涡、腰轮等等。目前，在高压天然气站场的计量仪表常用的主要是：超声流量计和涡轮流量计。

3.1 超声流量计

超声流量计是采用传播时间差法通过测量高频声脉冲的传播时间差得出气体流量的速度式流量计。让声脉冲在管道内向逆流和顺流沿斜线方向传播，分别测量它们的传播时间，其传播时间差与气体的轴向平均流速有关，从而使用数值计算技术计算出在工作条件下通过气体超声流量计的气体轴向平均流速和流量。

超声流量计管状壳体上安装了多对能发射和接收超声脉冲的传感器形成多声道(见图6)。为了保证大流量下的准确计量，超声流量计一般要求4声道，以克服燃气速度分布畸变及旋转流等不正常流动速度场带来的影响。

超声流量计由结构原理(见图7)可知，当L较长时可测得超声波在顺流与逆流中传播较准确的时间差，因此一般较大口径(≥DN100)的流量计便于制造以保证准确度。

图6 四声道超声流量计

图7 超声流量计测量原理

3.2 涡轮流量计

涡轮流量计也是速度式流量计。其结构见图8。进入流量计的被测气体，经截面收缩的导流架加速后,通过进口通道作用在涡轮叶片上，推动叶轮转动，叶轮轴安装在滚动轴承上。与被测气体体积成正比的叶轮转数，经多极减速后传送到多位数的计数器上，显示出被测气体的实际状态下的体积量。

图8 气体涡轮流量计

3.3 涡轮表与超声波表性能对比

涡轮表与超声波表主要性能对比如下表：

表3 超声波与涡轮表的性能对比

3.4 流量计选型注意事项

(1)贸易计量时，需流量计的精度达到0.5级。

(2)需明确流量计的最大量程和最小量程。管网最小流量负荷应大于最小流程。

(3)当管网近期远期流量变化较大时，建议近期使用小流量表、远期使用大流量表、以保证计量精度。

(4)注意超声波流量计算机及涡轮表体积修正仪的选配合理。

(5)在门站设计时尽量考虑在线标定系统接口。

4 结论与建议

门站作为城市天然气交接点，一旦出现事故影响范围大，同时涉及到与上游的计量对比。因此，核心三大模块：过滤、调压及计量设备的选型时需根据规模、来气压力、管网运行压力等参数进行准确计算合理选型。

Design and Selection of Major Equipment of the Typical Natural Gas Stations

Shanghai Gas Engineering Design & Research Co., Ltd. Sun Yongkang

This paper mainly introduces the main equipments choice for the natural gas station, such as filter regulators, meters and so on, illustrating the key points, and according to engineering experience, summarizes the equipment selection principle at the same time.

Natural gas, regulator model, metering model, filter model, equipment choice.