天然气调压计量系统的设计与应用

宝鸡中燃城市燃气发展有限公司 郭丹丹

随着城市经济的不断发展，天然气作为一种清洁、高效的能源，已经成为人们生活当中不可缺少的一部分，成为 21世纪能源利用的主角。我国近十年完成了许多大型天然气输气管道工程，其中使用的调压计量系统是天然气输送行业的重中之重。随着天然气行业的大力发展，该系统具有更大的市场前景。

1 调压器的工作原理及应用

燃气调压器是通过自动改变经调节阀的燃气流量，使出口燃气保持规定压力的设备。通常按照调压设备的工作原理可分为直接作用式、间接作用式以及轴流式调压器。

1.1 直接作用式调压器

它由测量元件(薄膜)、传动部件(阀杆)和调节机构(阀门)组成。当出口后的用气量增加或进口压力降低时，出口压力就下降，这时由导压管反映的压力使作用在薄膜下侧的力小于膜上重块(或弹簧)的力，薄膜下降，阀瓣也随着阀杆下移，使阀门开大，燃气流量增加，出口压力恢复到原来给定的数值。反之，当出口后的用气量减少或进口压力升高时，阀门关小，流量降低，出口压力得以恢复。

1.2 间接作用式调压器

它由主调压器、指挥器和排气阀组成，工作原理见图1。

图1 间接作用式调压器工作原理

当出口压力p2低于给定值时，指挥器的薄膜就下降，使指挥器阀门开启，经节流后压力为p3的燃气补充到主调压器的膜下空间，又由于p3大于p2，使主调压器阀门开大,流量增加，p2恢复到给定值。反之,当p2超过给定值时,指挥器薄膜上升，使阀门关闭，同时作用在排气阀薄膜下侧的力使排气阀开启，一部分压力为p3的燃气排入大气，使主调压器薄膜下侧的力减小，又由于p2偏大，故使主调压器的阀门关小，p2也即恢复到给定值。

燃气储配站、区域调压站和大型用户专用调压站，基本上都采用间接作用式调压器。

1.3 轴流式调压器

调压器由进气阀体、进气接体、出气接体、出气阀体、指挥器五大部分组成。进气接体内装有主阀调压簧、高压气筒套、密封胶膜等。出气阀体内装有固定阀座，阀座与高压气筒套组成密封副。当指挥器关闭时，高压气筒套在主阀簧的作用下，紧贴在固定阀座上，将介质关闭在调压器内；当指挥器打开时，在指挥器先导气的作用下，密封胶膜拉动密封膜压盘压迫弹簧，使高压气筒套离开固定阀座，指挥阀开启越大，高压气筒套与固定阀座间的间隙越大，从而实现调节气流压力高低和流量大小的功能。轴流式调压器是一种结构新颖、密封严密、流通能力大、调压稳定的指挥式调压器，调压器内件为不锈钢制造，使用寿命长，具有超压自动关闭，压力恢复正常时自动开启功能，安装空间小，可安装于任何位置。轴流式调压器适合于城市门站，区域调压站和燃气汽轮机供气，可用于天然气、液化石油气、空气和其他非腐蚀性气体。

1.4 调压装置的应用

调压装置三级控制模式见图2。

图2 调压装置三级控制模式

在门站、压缩天然气供应站和液化天然气气化站中，常由调压单元将各个级别的气源压力调压为≤0.4 MPa后送入城镇管网。调压装置是为了在燃气供应系统中将不同压力级别的天然气压力降低并稳定在一个能够使气体得到安全、经济和高效利用的适当压力级别上。正常情况下，安全切断阀和监控调压阀处于全开状态，当工作调压器出现问题时，压力上升到监控调压器的出口压力设定值时，监控调压器就会开始工作运行[1]。当运行路发生事故时，压力继续上升，运行路上的超压切断阀就会立即切断供气，备用路或者旁通路就开始运行继续供气以保证管道与设备的安全。因此，调压器出口压力的设定值按从大到小的顺序排列依次为：运行路监控调压器>运行路工作调压器>备用路监控调压器>备用路工作调压器。调压器均采用故障开型，即当工作调压器出现故障时为开启状态，此时该调压器后压力上升从而启动监控调压器。其安全性较好，流程简单，操作方便。

1.5 调压器对计量的影响

当天然气流经调压器阀口时，压力下降会导致流速急剧上升，强烈的压力波动和高流速的冲蚀会沿气流方向引起脉动流、噪声和振动。当流量计安装在调压单元后端时，脉动流、噪声和振动将会引起流量计计量发生误差。

2 流量计的分类

现阶段我国应用最多的计量设备包括孔板流量计、罗茨流量计、涡轮流量计、超声波流量计等，不同计量设备的性能以及适用范围存在一定差异。

2.1 孔板流量计

孔板流量计的主要特点为结构易于复制，简单牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉，应用范围广。但是由于流量系数与雷诺数紧密相关，所以测量范围较窄，提供的量程比为 1:3，应尽量满足使用流量为满量程的30%～80%。

2.2 气体罗茨流量计

气体罗茨流量计是基于容积式测量的原理，用于精确计量流经封闭管道的气体总量。具有量程比宽、重复性好、精度高、始动流量小、对上游流速不敏感等优点，非常广泛地应用在城镇燃气的计量结算中，如餐饮业、宾馆等工商业用户的计量、输配管网计量、燃气调压站计量以及工业和民用锅炉等燃气计量。罗茨流量计的故障率比较低，性价比高，能适应现场气体流量变化范围的要求，现场测量的数据可由表头直读，可远传，使用方便。但使用中应注意在投产使用前要防止焊渣杂质进入流量计，并定期检查以保证计量精度。该流量计安装时一定要水平安装。

2.3 气体涡轮流量计

涡轮流量计的优点是测量范围(量程比)宽、重复性好、准确度高、结构轻便、输出为脉冲频率信号、安装维护方便、流通能力大，但是特性易受介质物性和流体流动特性的影响，愈是高精确度其影响愈敏感。涡轮流量计具有较大的测量范围，一般为10:1，占空间小，条件合适时比孔板流量计更准确，用于相对洁净的天然气干气，最佳使用流量是满量程的10%～80%[2]。不过这种流量计由于有活动部件，如涡轮、转子等，因此要求的维护量较多。为了保证计量的可靠和准确，涡轮和转子流量计上游需安装过滤器，且流量计和过滤器需要按时维护。最佳使用流量在满量程的80%一下，还须大于流量计的最小流量，所以不适合用于民用气计量。对稳定的流量来说涡轮流量计还是比较可靠的。

2.4 超声流量计

超声流量计是利用超声波束在液体中传播时间的差异来求得液体的流量。气体超声流量计特点是测量准确度高、稳定性好、范围度宽、维修率低，其流量量程比为 1:100(即体积线流速为 0.30～30.00 m/s)以上，流量计最大口径可做到1 600 mm，且无可动部件，坚固耐用。不足之处是只适用于中大口径管道，价格昂贵。

3 调压计量设备的选型与应用

3.1 调压计量设备的选型

现有的调压计量种类繁多，各有利弊，但是调压计量形式比较简单，主要有分路调压计量、分路调压终端计量、集中计量终端调压、分路计量终端调压4种形式，它们的优缺点见表1。

表1 4种调压计量形式优缺点

3.2 调压计量设备的应用

城市燃气门站连接的是上游与其对应的长输管道以及分输管线。由于调压计量设备一旦发生故障问题影响面较广，所以在设计中流量计与调压阀大多都采用1用1备的形式[3]，如图3所示。

图3 门站调压计量系统工艺流程

现在新建工业项目燃气设施由业主自行投资，尤其是大工业项目用气设备复杂分散、用气量大，运行压力也不同。因此现在大多都采用高压力计量然后再以调压的形式进行供气。这样多个调压计量设备可以集中摆放，也便于后期检修，另外高压力级别进行计量调压占地面积小，比较符合现在工业业主的要求。大多数大型工业采用的计量形式，如图4所示。

图4 某工业调压计量系统工艺流程

随着环境污染问题越来越严重，现在国家加大力度搞治理环境，气代煤已经深入到各个领域，现在一些热力公司也积极响应国家号召，开始进行天然气集中供热。由于热力公司都是以万计的天然气需求量，天然气需求量过大，所以必须进行高压计量、二次调压才能满足需求，如图5所示。

图5 某热力公司调压计量系统工艺流程

4 结语

综上所述，对于天然气调压计量系统的设计和应用需从技术、经济和维护管理等方面加以综合考虑。首先，技术方面调压计量设备必须满足用气设备的实际流量和压力以及所需的场地条件，目前各处用地都比较紧张，所以在进行调压计量设计时，还要遵循设计结构紧凑、方便维护检修的原则；其次，经济方面除了要考虑调压计量设备的总体实际价格外，还要考虑附属设备的安装复杂程度；最后，要对调压设备具体安装所在的城市管网管径、流量以及工况下的压力进行综合考虑设计。对于每一个项目，必须选择简单有效的方案，避免设计、施工、操作和维护中的问题，对每一个方案的优缺点进行评估，总结经验，提高设计质量。