天然气管网压力联锁自动控制技术应用研究

林少平

（浙江浙能兴源节能科技有限公司，杭州 310005）

0 引言

2016 年，我国全年天然气消费量约1 932 亿m3，天然气在一次能源消费中的比重达到6.4%[1]。根据国家发改委发布的《天然气发展“十三五”规划》，“十三五”期间新建天然气主干及配套管道4万km，年干线输气能力超过4 000 亿m3。可以预见，我国天然气的消费量将越来越大。

我国城市管网燃气管道设计压力从0.01～4.0 MPa 可分为7 级[2]，天然气输送到用户时必须逐级降压后才能使用[3-6]，传统节流降压方式不仅会造成天然气4.5～6 ℃/MPa 的温降，还会导致大量压力能的直接损失[7-9]。

目前，国内外对于城市门站天然气压力能回收综合利用的研究较多，且集中在天然气压力能膨胀发电。郑斌[10-12]等采用透平膨胀机为压力能回收装置，展开对天然气压力能回收综合利用的理论及应用研究；Farzaneh-Gord[3，13]等在天然气压力能差压发电技术的应用研究中引入了涡轮膨胀机；王硕[14]等则是在其天然气管网压力能发电技术研究中采用流体马达作为膨胀机实现天然气压力能发电工艺。近几年，由于螺杆膨胀机转速较低，体积仅为同容量透平膨胀机的10%，可不通过减速装置直接驱动发电机发电，且轴封效果好，寿命长，因而越来越多地被应用于天然气压力能发电项目[15-16]。尽管目前针对天然气管网压力能发电技术的理论及应用研究越来越多，但关于压力能发电装置尤其是螺杆膨胀发电装置与原调压支路的变工况运行特性的研究均未见述及。

天然气门站调压支路与压力能发电装置在运行过程或紧急停机状况时的无缝切换是门站供气稳定性和安全性的重要保证。本文以某螺杆膨胀机压力能发电系统为研究对象，经过理论研究和实践验证，提出了一种适用于压力能膨胀发电系统的经济、高效、安全的变工况运行联锁控制技术。

1 研究对象

1.1 调压站

以浙江省某天然气城市调压门站为例，门站设计天然气流量为10 000 m3/h（实际约为6 700 m3/h），进站设计压力为4.0 MPa（实际约为3.45 MPa），出站设计压力为0.4 MPa（实际约为0.42 MPa），出站天然气温度要求不低于5 ℃。

天然气调压支路的压力调节工艺为“紧急截断阀+监控调压器+工作调压器”的自力式三阀组调压型式，如图1 所示，正常工作时2 条支路运行方式为1 运1 备。

1.2 天然气压力能发电系统

依据该门站天然气流量及压力情况，专门设计了一套额定天然气流量为9 800 m3/h 的压力能发电系统（详见表1），采用高效的单机双级螺杆膨胀机配套异步发电机、天然气加热器和油加热器作为天然气压力能膨胀发电装置。天然气进入单机双级螺杆膨胀发电机组膨胀做功后，回到门站原低压汇气管后送入下游管网。

表1 天然气压力能发电系统设计参数

根据门站近一年天然气流量测算（详见表2），为保证项目最大经济性，压力能发电系统设计运行流量区间为4 500～11 500 m3/h，年净发电量可达64 万kWh，年运行小时数为8 196 h（占全年的93.6%）。项目的经济性要求压力能发电装置必须具备较强的变工况运行能力。

1.3 压力能发电系统技术瓶颈

天然气调压门站是天然气输配链中的重要站点，作为城市天然气供应的起点，门站供气量受下游用气量变化影响始终处于波动之中，尤其是昼夜差异最为明显。一方面，压力能发电装置适应天然气流量工况变化的能力越强，可运行时间越长，则经济性更佳；另一方面，一旦天然气流量超出压力能发电装置的经济运行区间，需立即实现与原调压支路的快速、稳定、安全切换，保证门站供气的稳定性和安全性。

图1 城市调压门站原调压原理

表2 门站近一年不同输气量下的发电能力测算

同时，螺杆机属于容积式流体机械，当天然气输气量发生变化时，如不对螺杆膨胀机入口工况体积流量进行调节，膨胀效率将降低，严重时会因发生膨胀后天然气压力波动大、输气量不足等问题而影响下游管网的安全运行。

2 联锁自动控制技术研究

2.1 控制问题梳理

为确保螺杆膨胀发电机组既能适应天然气大流量区间的变工况运行，又能实现与原调压支路的快速、安全切换，需解决以下控制问题：

（1）2 条支路天然气流量的分配

螺杆膨胀发电装置支路天然气的承载能力在5 000～11 000 m3/h。一旦门站天然气输送量低于5 000 m3/h，螺杆膨胀发电装置无法经济运行，此时天然气流量需要全部切换回原调压支路输送；天然气流量高于11 000 m3/h 时，超出部分的天然气同样需要分流至原调压支路。

（2）启停机过程的无缝切换

装置启动过程需要将天然气流量逐渐从原调压支路分流乃至全部进入螺杆膨胀发电装置，而停机过程则是逐渐将进入装置的天然气切换回原调压支路，直至气量不再进入压力能发电装置，2 条支路切换过程需保证不影响门站正常供气；同时，为保证螺杆膨胀机入口流量始终满足设备工况运行条件，需要在膨胀机入口设置预调节手段。

（3）确保运行及支路切换的安全性

首先，天然气调压支路位于门站防爆区域，所有设备均需满足防爆要求并具备一定防护等级。其次，压力能发电装置一旦发生故障或者安全事件，为避免压力瞬间突升，则要求压力能发电装置能够瞬间紧急停机，同时工作调压器需立即开启，保障供气连续、安全、稳定。最后，切换过程中一旦出现天然气出站压力过高现象，门站原调压支路安全切断阀将立即动作切断供气，进而导致上游压力过高切断及下游供气中断等安全运行问题。

2.2 控制策略研究

（1）出于对安全性及性能的考虑，在螺杆膨胀发电装置进口布置安全切断阀、紧急切断阀和电动调节阀。一旦出现天然气超压，安全切断阀迅速动作切断装置进气，紧急关断阀可满足膨胀发电装置紧急停机的需要，电动调节阀通过调节膨胀机的进口压力以控制流入螺杆膨胀机的天然气流量趋于设计值，从而保证出口压力符合要求，不会出现压力过高或过低现象。

（2）分析门站原调压支路的安全切断阀、监控调压器和工作调压器压力值的设定原理，将天然气出口压力控制值与工作调压器设定值控制在最小偏差范围内，保证在紧急情况下或者需要分流时，工作调压器能够迅速自动开启。

（3）膨胀机启动或停机阶段，电动调节阀主要根据压力能发电装置出口压力反馈及压力控制程序，实现工作调压器阀门开度的自动调节。在启动阶段，工作调压器逐渐关闭以确保天然气逐步分流至膨胀发电装置；在停机阶段，通过压差调节，保证工作调压器的阀门逐渐开启，天然气逐步切换回原调压支路。

（4）为进一步保证项目安全性，引入的全部阀门及仪表等均采用防爆设备，防爆等级要求不得低于门站原调压支路选定等级；同时，为保证紧急停机时，压力能发电装置能迅速切断供气，天然气快速、安全地切换回原调压支路，参考汽轮机DEH（数字式电液调节系统）联锁保护设定原则[17]，将紧急切断时间压缩在1 s 内。同样为避免压力能膨胀发电装置出口压力过高，在压力能发电装置前设置与门站原调压支路相同的安全切断阀。

2.3 技术原理分析

目前门站选用的调压器为指挥作用式（即自力式），具有流量适应广、压损小和结构紧凑等优点，主要通过指挥器、主弹簧和出口压力的平衡调节阀芯位置。

门站出口压力波动范围对应的调压器稳压精度为AC2.5，压力调节精度为0.01 MPa；而高性能电动调节阀的压力调节精度可以达到0.004 MPa（稳压精度AC1），优于门站原调压器的调节精度，充分保证了压力能膨胀发电装置在运行及启停过程中，能够完美地实现门站原调压器开度调节的自动联锁控制：2 条支路出口压力的允许正偏差可以实现门站原调压器处于长期关闭状态，允许压力负偏差能够保证2 条支路的自动联锁切换，控制回路见图2。

2.4 联锁自动控制技术方案

天然气压力能源综合利用装置联锁自动控制流程见图3，在螺杆膨胀发电装置进口管道上依次设置进口球阀（BV3103）、安全切断阀（SSV3305）、紧急切断阀（PCV3306）和电动调节阀（PCV3307），在出口管道上设置出口球阀（BV3203），防爆等级均不低于dIIBT4。

图2 联锁自动控制技术控制逻辑

其中，安全切断阀属于常开型阀门，用于保护下游管线的压力不超过设定值；紧急关断阀为常开型气动阀门，切断时间控制在1 s 内，专门用于螺杆膨胀机出现异常情况时迅速切断天然气；高精度电动调节阀是联锁自动控制技术方案的核心阀门，其开度由膨胀机出口压力控制，压力目标值与工作调压器设定值偏差为±（0.01～0.05）MPa（现场试验确定最佳值）。该技术方案的关键在于充分利用了调压器及主要阀门的压力反馈特性，通过压力联锁控制，可实现以下功能：

（1）膨胀机启动阶段，电动调节阀缓慢开启，部分天然气通过螺杆膨胀机调压运行，工作调压器自动部分关闭，天然气处于双管路运行。当电动调节阀开启至一定开度时，工作调压器自动完全关闭，天然气切换至全部通过螺杆膨胀机运行，此时下游管线压力高于原调压支路工作压力0.01～0.05 MPa（最终值由动作试验确定）。

图3 天然气压力能综合利用装置联锁自动控制流程

（2）正常运行时，当门站供气量低于膨胀机的最低经济运行流量（5 000 m3/h）时，通过电动调节阀控制出口天然气压力高于工作调压器压力设定值，工作调压器自动关闭，全部天然气流经膨胀机膨胀做功。当天然气流量大于膨胀机最大工作流量时，天然气出口压力逐步降低，当低于工作调压器的压力设定值（与工作调压器的偏差为-（0.01～0.05）MPa）， 工作调压器自动部分开启，天然气处于双管路运行。当天然气流量降低至膨胀机最大工作流量以下，装置出口天然气压力高于工作调压器设定值，调压器自动关闭，天然气全部经由螺杆膨胀机进入下游。

（3）膨胀机停机阶段（包括安全切断阀动作过程），与膨胀机启动阶段类似，天然气缓慢切换至天然气调压支路运行。

（4）膨胀机出现紧急故障或者安全事件时，装置立即紧急停机，紧急关断阀迅速完成关闭动作，螺杆膨胀发电装置瞬间停止天然气供应，此时在电动调节阀的作用下，出口压力设定值十分接近门站原工作调压器设定值，保证了原调压支路工作调压器的迅速开启，避免了对上游压力过高切断及下游供气中断等的影响。

3 工程验证

将本文提出的联锁自动控制技术方案应用于该天然气压力能发电项目，建设一套额定处理能力为9 800 m3/h 的单机双级天然气螺杆膨胀发电机组，并配套热泵制冰系统和载冷剂系统，设计膨胀机最大运行流量为11 000 m3/h，最小经济运行流量为5 000 m3/h；膨胀发电机组额定功率为315 kW。

项目调试期间，经过多次实际动作试验，确定该项目螺杆膨胀发电装置出口天然气压力与工作调压器设定值的最佳偏差范围为±0.01 MPa。在该设定值下，膨胀发电装置启动、运行以及停机过程中，天然气出站压力始终维持稳定状态（如图4 所示），充分验证了联锁自动控制技术完全可以保证机组正常启停机及支路切换。同时，紧急停机情况下，原调压支路能够迅速打开，保证门站及上游连续、稳定、正常供气。

图4 示范工程压力联锁控制分析

整套启动试运期间，天然气最小瞬时流量为5 902 m3/h，最大瞬时流量为11 241 m3/h，通过应用联锁自动控制技术，能够快速、自动实现螺杆膨胀发电装置所在支路与原调压支路天然气流量的合理分配及连续、稳定输气，保障了项目整套启动试运的圆满完成。

4 结语

天然气压力能发电装置发电能力及运行小时数直接决定了项目投资价值，而城市天然气调压门站的输气功能绝不能因为压力能回收利用而有所影响，本文提出的联锁自动控制技术方案利用调压器及螺杆膨胀发电机组的压力反馈特性，通过压力联锁控制技术，实现天然气流量的自动平衡和支路的快速、稳定、自动切换。

在压力能发电项目尤其是螺杆膨胀发电项目中应用联锁自动控制技术，可充分保障压力能发电项目投资的经济性和安全可靠性，对同类型压力能发电项目具有一定的借鉴和参考意义。