直埋式地下燃气调压站的设计与应用

上海飞奥燃气设备有限公司

王 进 施汉龙 曹 晖 石丽丽 胡轶佳

城市发展进程中，建筑和人口密度不断加大，城市规划与燃气调压设施之间的矛盾日益突出。埋地式燃气调压站解决了燃气调压站原有的占地面积大、周边环境不美化和噪声问题，成为燃气调压站创新的布置方式。

目前市场上埋地式燃气调压站的整体结构形式分为两种[1]：一种是直埋式燃气地下调压站，直接安装于地下，结构形式的特点是将切断阀与过滤网放在同一个筒体内，气体经过滤网过滤后再流经切断阀，最后到低压筒体进行降压，这种整体集成式设计能减少设备体积，但因未考虑滤网筒排污问题，滤网更换和检查都有难度；另一种是传统箱式埋地燃气调压站，结构形式的特点是将调压装置整体置于一个大箱体内，再将整个大箱体安装于地下，但需考虑整体箱体向顶部开启的便利性，使整体尺寸受到限制，从而调压装置的管径也受限而不易过大，最终导致调压装置的流通能力很小。

1 主要部件设计

直埋式燃气调压站主要部件设计中，防水、防腐和排污是必须考虑的首要问题，也是参考规范T/CECS 10165－2021《直埋式城镇燃气调压箱》(以下简称调压箱规范)的基本要求。除此以外，站内仪表、阀门的操作与维修方便性，滤芯更换的方便性，调压站整体成本、智能化设计也是设计的重点。着眼以上关键点，直埋式调压站采用分体式设计更能贴近以上需求，结构简单明晰，操作维护便利，具有更广泛的扩展性。

1.1 总体结构设计

直埋式地下调压站分体式结构，如图1所示，

图1 直埋式地下调压站分体式结构

由6 个模块组成：进口模块、过滤模块、切断模块、调压模块、出口模块、放散模块。每个模块各自独立，因此在各自维修过程均不会影响其他模块的部件，且操作、巡检中一目了然，站内仪表、阀门操作与维修也比较简单方便。前5 个模块间采用焊接方式进行连接，减少了法兰接口，避免埋地状态因土壤支架沉降引起调压站法兰失效而造成燃气泄漏，且泄漏的燃气会在土壤中扩散或积聚，难以监测。各模块间的连接方式参考调压箱规范中5.1.7：直埋式调压箱与外部燃气管道的连接应采用焊接连接型式。直埋式地下调压站中所有的设备采用上装式，观察、检修过程中均可在地面触手可及，可同样参考满足调压箱规范中5.1.4c)直埋式调压箱箱体应为地面操作与维护的结构。

直埋式地下调压站的排污集中在图1 中过滤模块的底部，通过大半径弯头连接，将排污口延伸至操作箱内，便于在上部统一检修、监测等操作。每个分体模块上部需操作的部件均设置在独立的小操作箱内，在地面上均可触手可及。

1.2 防护部件设计

用于防护的操作箱直接影响整体设备的操作、维护及整体使用寿命，因此防护部件也是直埋式地下调压站中的关键设备。英国燃气专业学会IGEM行业规范推荐操作箱容积低于0.5 m3，箱体上可不设置通风设施，并不应使用减少自由体积的可拆卸方式[2]。此设计的优势，一是可取消传统埋地式调压箱设置对流通风管，二是可减少各功能模块操作箱的受力。每个功能模块上部独立设置的操作箱容积均小于0.5 m3，由钢材制作的操作箱体下部与设备整体均采用焊接式连接，顶部开盖。

为提高整体设备的使用寿命，操作箱需具备一定的防水、防腐能力，从而保证装置的安全运行。对操作箱的箱体平面密封结构方式进行了以下两种结构设计研究，见图2。

图2 箱体平面密封结构

第一种设计：密封件下方安装固定在操作箱箱体平面处，如图2a)所示。箱体采用双重密封防护措施，第一层是靠箱盖与密封垫压紧所起到的防护；第二层防护来源于采用箱体向上折边的结构，当水位低于折边高度可有效避免外部水进入操作箱内。为应对上述安装方式和便于密封垫的安装，并考虑整体尺寸及折边不易过宽的要求，箱体四角处的密封件需采用拼接形式，并采用条形状可弯曲的多孔型材料进行安装。最后将此安装完成后的操作箱体整体浸没在水池中，在闭水试验中出现了渗水现象。该结果表明此设计方案的结构无法保证密封垫的环形密封。

第二种设计：密封件采用硬度HB40-70 的多硅胶材料，嵌在箱盖内平面的环槽内，密封垫整体成型形成“O”型密封，如图2b)所示。此密封结构同样具有双重密封结构，第一层是箱体的折边(可有效限制低水位进入箱体内)，第二层是整体成型的密封垫。经过60 h 闭水试验，能有效阻止外部水的渗入。该结果表明此结构可有效地防止一定时间段内雨水的渗入。

上述2 种防护部件的设计有以下两个优点：

(1)传统地下调压箱中的自然通风管，通风效果有限，尺寸较大，不利于周边环境的美化。独立操作箱体方式可避免传统地下调压箱通风管的设置问题，有效改善对周边环境的影响。

(2)操作箱由钢材制作，钢材的抗弯能力取决于形状、屈服强度、化学成分等因素。抗弯强度的计算见式(1)：

式中：f——抗弯强度，MPa；

F——外载荷力，N；

L——测试台支撑钢板间距，mm；

b——钢板宽度，mm；

h——钢板厚度，mm。

独立操作箱体的截面积和宽度b变小，b变小后会导致f变大，即抗弯能力得到大大的提升。

1.3 智能化部件设计

埋地式调压站通常布置在地下或半地下，不便直面观察，因此智能化的设计尤为重要。调压站内的智能部件设计体现在整站压力的远程监测、切断状态的监测、压力的远程调节。

压力的远程监控可采用在地下调压站的各路进口及调压出口处、过滤器进出口处设置取样口，连接至装置旁的小型多通道智能控制器方式来实现。控制器采用数字传感器、嵌入式系统和物联网通信技术，对进出口压力、温度等数据进行自动采集、自动上传和自动报警。当压力、差压或温度数据超限时，或切断阀状态开关量状态变化时，智能控制器会实时上传并发送报警短信至调压站操作人员手机上，能帮助燃气公司监测地下调压站压力，有效解决突发性压力异常等问题，降低风险，减少损失。

另外可通过对调压器加装某品牌的PAX 系列执行机构，通过接收控制信号来执行压力的远程调节。PAX 系列执行机构有一个旋转的线性输出杆可控制弹簧，调节调压器的设定压力，从而可远程改变调压站的出口压力。

1.4 防腐设计

埋地式调压站中，防腐设计的选择也很关键。目前国内埋地防腐材料技术已有了很大的提高，不再是采用传统石油沥青或环氧煤沥青结构的“四油三布”防腐方式，而是采用一种100%固含量、双组份、可快速固化、现场喷涂成型的高性能材料。此材料一般有较高的交联密度和硬度，具有30%以上的断裂伸长率，涂膜结构致密、吸水率低、弹性高、轻微磕碰无损伤。材料强度高，施工比较快捷，适用于金属结构的埋地防腐。此材料可满足在对连接密封部位实施保护后，对不规则装置的整体喷涂，可大大方便防腐的施工及埋地装置使用寿命的提高。

2 整体性能测试及应用实效

完成某项目直埋式地下燃气调压站整体设计后，对其进行整体性能测试。

2.1 整体性能测试

直埋式调压站的整体性能主要体现在调压性能上。某项目需求标准流量1 000 m3/h，中压进口，低压出口。按表1 中的检测参数进行检测，以验证直埋式调压站内关键设备(调压器)的稳压精度等级、关闭压力等级、流量系数值是否满足预定的参数及GB 27790－2020《城镇燃气调压器》(以下简称调压器标准)的要求。

表1 检测参数

按照调压器标准要求进行相关测试，由此得到某项目直埋式地下燃气调压站的性能曲线Q-p2，如图4所示。实测数据结果记录如下：设定出口压力p2为12 kPa；实测流量范围为(0～1 300)m3/h；稳压精度等级AC 为5.0；关闭压力等级SG 为10.0；出口压力上限=p2×(1+AC/100)，为12.6 kPa；出口压力下限=p2×(1－AC/100)，为11.4 kPa；关闭压力上限=p2×(1+SG/100)，为13.2 kPa。

图4 某项目直埋式地下燃气调压站Q-p2 性能曲线

从图4 及实测的数据结果，对比调压器标准及表1 可以看出，最终的直埋式地下燃气调压站实际测试结果数据值均优于预定的验证参数值。同时，对照有关标准，满足调压器标准中6.5.2 条：稳压精度等级AC应符合调压器标准中表12的稳压精度等级AC5(最大允许相对正、负偏差5%)的要求；也满足调压器标准中6.5.4 条：调压器关闭压力等级SG 应符合表13 中关闭压力等级SG10(最大允许相对增量10%)的要求。

2.2 应用实效

某项目直埋式地下燃气调压站施工完成后，进行土壤回填、草坪绿化，留出检修操作口，操作箱顶部覆盖绿色装饰。该地下调压站对周边的环境影响小，加上土壤对噪声有一定的阻隔作用，有效避免了调压站噪声对周边居民的影响。

3 结语

综合上述，本文针对目前埋地式燃气调压站存在的通用问题，从直埋式燃气调压站的整体分体式结构设计上来解决目前埋地式调压站结构复杂性的问题，同时提高了埋地式燃气调压站维护的便利性；从防护部件容积的选择上来解决通风管的设置问题；从防护部件密封方案的选择上来解决埋地式燃气调压站处于地下环境的密封性问题；从智能化设计上来解决埋地式燃气调压站的不便观察性问题，并增加其远程控制性；从防腐材料选择上来解决防腐施工便利性的问题，以增加埋地式燃气调压站的使用寿命。直埋式燃气调压站这些新的设计思路，使其在操作、维护、使用寿命等方面都得到了提升，扩展了其应用的广泛性，能有效解决未来日益紧张的土地资源问题。