天然气长输管道压力调节系统配置探讨.pdf

日经验童逾日 Do i 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 1 0 4 1 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 2 7 天然气长输管道压力调节系统配置探讨 墨 麦 李绪勇 中石化石油工程设计有限公司 东营市 2 5 7 0 0 0 摘要简要介绍了天然气长输管道中压力调节系统的设计原则及目标，详细描述了国内压力调节系统主要的配置方式、系 统构成及各配置方式的特点，探讨了调节阀的选型及压力调节系统与站控系统的集成，阐述了压力调节系统调压、限流、 主备用管路切换及安全控制等功能的实现。 关键词长输管道； 压力调节系统； 调节阀； 站控系统 中图分类号T E 9 7 8 文献标志码B Di s c u s s i o n o f n a t ur a l g a s p i p e l i n e p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m c o n fig u r a t i o n LI Xu yo n g S h e n g fi E n g i n e e r i n g De s i g n Co n s u l t a n c y Co ． ， L t d ， Do n g y i n g 2 5 7 0 0 0 ， Ch i n a A b s t r a c t T h e p r i n c i p l e s a n d o b j e c t i v e s o f l o n g d i s t a n c e g a s p i p e l i n e p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m a r e d e s c r i b e d ． C o n f i g u r a t i o n o f d i f f e r e n t p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m， c o mp o s i t i o n o f s y s t e m a n d f e a t u r e s o f d i ff e r e n t c o n fig u r a t i o n a r e d e s c r i b e d ． S e l e c t i o n o f r e g u l a t i n g v a l v e u s e d i n p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m a n d i n t e g r a t i o n o f p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m a n d s t a t i o n c o n t r o l s y s t e m a r e d i s c u s s e d ． T h e F u n c t i o n o f p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m， s u c h a s p r e s s u r e r e g u l a t i o n ， fl o w c o n t r o l ， s wi t c h i n g b e t we e n ma i n p i p e l i n e a n d b a c k u p p i p e l i n e ， e me r g e n c y c o n t r o l a n d S O o n ， a r e d i s c o u r s e d ． Ke y wo r d s P i p e l i n e ； p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m； Re g u l a t i n g v a l v e ； S t a t i o n c o n t r o l s y s t e m； 0 引言 压力调节系统 ，是天然气长输管道的核心部分 ，主 要起到稳定输气管线下游气体压力 、调节输气量，并对下 游管线超压联锁保护 ，防止因压力过高危及下游设备等作 用。压力调节系统在油气化_T领域应用广泛 ，形式多种多 样。天然气长输管道由于其 自身的特点 ，发展出了独具特 色的压力调节系统。压力调节系统一般成橇安装 ，受专用 压力控制器或站控系统控制，完成调压 、限流、超压保护 等功能，具有高稳定性 、高安全性 、功能多样等特点。 1 设计原则 天然气长输管线压力调节系统设计的基本原则是要保 证输气管道安全 、平稳地为下游用户供气 ，保证供气的连 续性，避免因停气带来的经济损失；确保分输站及下游用 户的安全 ，满足环境保护要求 ；防止因某一路或几路分输 流量过大，对其它用户的供气造成不良影响⋯ 。输气站场压 力调节系统的设计在国家标准 输气管道工程设计规范 G B 5 0 2 5 1 2 0 0 3 中有详细规定 】 在6 ． 2 ． 2 条文说明中要 求输气站场输往每一个用户的输气管线必须设置压力调节 系统 ，并同时具备压力调节与流量控制的功能 ，以维持下 游用户的输气压力及输气量 ；规范8 ． 4 ． 3 条规定需要持续供 气的管线压力调节系统宜采取双回路或多回路并联，即应 设置备用调节回路；规范8 ． 4 ． 6 条规定当下游压力过高会危 及下游供气系统设备时，压力调节系统应采取可靠的安全 保护措施。规范提出了三种方式 ，一是在每回路串联安装 二台安全截断设备，安全截断设备应能快速关闭并具备可 8 2 EI C VO l _ 2 1 2 0 1 4 No ． 1 靠的截断密封 ；二是在每回路串联安装一台安全截断设备 和一台辅助压力调节设备；三是在每回路串一台安全截断 设备和一台最大流量安全泄放设备。 根据以上规范的要求，天然气长输管道压力调节系统 应具备压力调节 、压力安全保护 ，流量限流等功能 ，实现 这些功能需压力调节系统与长输管道站场的站控系统相结 合，共同实现管线的连续 、平稳 、安全运行的目标。 2 压力调节系统配置方式 根据规范的要求 ，压力调节系统阀门的配置可以有多 种方式。对于天然气长输管道工程 ，如国内西气东输 、川 I 气东送及省级天然气管网，其特点是运行压力较高，一般 可达6 9 MP a 左右 ，而分输至下游用户压力相对较低。以省 级管网金丽温金衢段配套管道工程为例，管线运行压力为 4 ． 0 6 ． 2 MP a ，分输压力为2 ． 5 MP a ，最高进口压力与最高出 口压力之差大于1 ． 6 MP a ，需根据G B 5 0 2 5 1 中8 ． 4 ． 6 条的规定 设置压力调节系统。该项 目采用了电动调节阀 P V自 力式调节阀 P C V 自力式安全切断阀 S S V的配置， 电动调节阀作为工作调节阀，调节外输压力或流量；自力 式调节阀作为附加的压力调节控制设备 ，当电动调节阀故 障，无法控制下游压力时，由自力式调节阀稳定下游压力 到预先设定的压力值 ，自力式调节阀又称为监控调压阀； 自力式安全切断阀作为安全截断设备 ，当工作调节阀及监 控调节阀均出现故障时，截断调压管路 ，实现安全保护功 能。电动调节阀下游需设压力变送器 P T，取下游压力 作为反馈信号传至压力控制器。 墨 麦 座 在投产前 ，自力式调节阀及安全切断阀需预设压力设 定值，自力式调节阀压力设定值略高于_T作调节阀，安全 切断阀压力设定值略高于监控调节阀。当有限流需求时 ， 需在压力控制器中设定流量限流值。为保证向下游连续不 问断供气，设置两条调压管路 ，一用一备配置 ，当一路故 障或检修时，备用管路继续供气。 压力调节系统中压力控制器可以采用专用控制器控制 调节阀，高性能专用控制器可较精确的控制下游压力并无 扰动的在调压／ 限流工作状态间切换；也可采用集成在站控 制系统内部的P I D控制器 ，同样可实现控制功能。是否采 用专用控制器可根据实际情况及业主需求统筹考虑。 该 配 置 方 式 在 国 内管 道 项 目 中应 用 较 为 广 泛 ，在 西气东输 、川气东送等 国内管道 项 目中大多采用这种 配 置方 式 。 在福建L N G 长输管线项 目中，将电动调节阀和自力式 T作调压阀的位置进行 了调换 ，采用 自力式调节阀作为工 作调节阀，电动调节阀作为监控调节阀p l 。该配置方式优点 在于自力式调节阀调节速度快 ，流量范围非常宽；缺点在 于调整压力设定值必须在现场对 自力式调节阀就地修改， 而电动调节阀只需在控制室对压力控制器的设定值修改即 可实现，且 自力式调节阀无法独立完成限流功能，需在电 动调节阀配合下实现。该配置方式 目前在国内应用较少。 压力调节系统的另一种常用配置是采取双切断的配置 方式 ，即在工作调节阀前串联两台自力式安全切断阀，两 台切断阀具有相同的性能 ，均感测T作调节阀阀后压力信 号 ，起到双重保护的作用。该配置在欧洲应用较普遍 ，国 内陕一 京输气管道等工程也有应用。该配置方式优点在于安 全系数较高，在下游压力失控情况下可以确保切断管路， 缺点是一旦T作调节阀出现故障，即切断下游供气 ，影响 向下游供气的连续性。当调压管径大于等于D N 4 0 0 时，应 采用双切断配置 ，因为 目前DN 4 0 0 及以上的自力式调节阀 的应用尚不成熟 ，尚不确定能起到有效的安全保护作用。 在G B 5 0 2 5 1 的8 ． 4 ． 6 条还提到压力调节系统的安全保护 还可采取在工作调节阀后设安全切断阀加安全泄放设备的 配置方式。而在实际的设计中，输气站场的安全泄放 由工 艺统筹考虑 ，构建完整的安全泄放系统 。当站场遇到火 灾 、自然灾害 、管线破裂等重大安全事故时，将执行全站 泄放操作 ，确保站场安全 ，故一般不在压力调节系统中再 单独设置安全泄放设备。 当流 量较大 ，需要 两路及 以上调压管路 同时运行 时，工作在 限流状态下可能会出现两条管路流量分配不 平衡的情况 。为此 ，可以考虑在工作调节 阀前再设置一 台压力变送器 ，利用工作调节阀前后压差及工作调节阀 的节流参数 ，根据孑 L 板流量计的原理推算 出每一调压回 路大致的流量 ，并通过控制工作调节阀的开度 ，平衡管 路之间的流量 。 3 调节阀的选型 天然气长输管道工程 中工作调节阀是主要 的调压设 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 日经验童逾日 备 ，需要耐压等级高、流通能力大、可调范围宽 ，能够承 受大差压及高流速引起 的振动、冲刷等对阀门的危害 ，还 应满足噪音及环境保护的要求。 调节阀的种类很多，根据阀体类型可分为轴流式 、单 座直通式 、笼套式 、迷宫式 、双座调节阀等 ；根据阀芯特 性可分为平衡阀芯与非平衡阀芯；根据特性曲线可分为快 开 、直线 、等百分 比、抛物线等；根据执行机构类型可分 为电动调节阀、气动调节阀等。调节阀的选型目标就是根 据流体压力 、流量等流体状态，计算所有工况下调节阀开 度 ，选择能满足工况的调节阀类型及合适的口径。 目前轴流式调节阀在天然气输气管道项 目中广泛用做 工作调节阀，轴流式结构具有高流通能力 、对称流、抗冲 刷 、压力平衡阀芯设计 、可双向流动等特点。高流通能力 意味着可以选择 口径较小的阀门，节省投资 ；对称流可以 使节流产生的冲击力分散于阀芯，保护阀体 ，延长阀门寿 命 ；压力平衡阀芯的设计可以降低阀门开关所需 的扭矩 ， 使用推力较小的执行机构即可驱动阀门。以上几个方面也 是在调节阀选型中所需重点考虑的问题。 口径的选择需要进行细致周全的计算。调节阀的口径 过小，可能会无法满足工艺要求的最大流通能力；会使调 节阀内气体流速过快，对阀冲刷严重，降低阀门寿命 ；会 使输气的能耗增加 。调节阀的口径过大，将无谓的增加投 资，且调节阀工作在小开度的情况下控制将会不太稳定 ， 使下游气体压力波动剧烈 ，影响下游的设备。选择 口径首 先是根据工艺条件 中的流量范围、阀前及阀后压力 、介质 密度 、工作温度等参数计算 出调节阀所需要的流通能力范 围，再根据厂家提供的调节阀在各个口径下的额定流通能 力值及特性曲线 ，选取合适的口径，使调节阀运行在合适 的开度范围，在满足工况的条件下，控制阀运行时的开度 宜在 1 0 ％一8 5 ％之间。 此外，一般还要求调节阀的泄漏等级不低于Ⅳ级 ；阀 门出口流速应控制在4 0 m ／ s 以内；在最恶劣的工况下，距离 阀门一米处的噪音应小于8 5 分贝；阀芯及阀座的材质应耐 磨、抗冲刷；调节阀的执行机构大多采用电动执行机构 ] ， 若站场内有仪表风或其他气源，也可考虑气动执行机构。 4 系统集成 4 ． 1 站控系统与压力控制系统集成 国内天然气长输管道项 目及省级天然气管网大多均采 用了计算机为核心的数据采集与监控 S C AD A系统 ， 在输气站场设置站控系统 S C S 。站控系统一般包括 过程控制系统 P C S及安全仪表系统 S I S 。安全仪表 系统的作用是提高站场的安全性，在突发情况下保障站场 人员的安全及长输管道的运行，正常情况下不参与工艺流 程。压力调节系统接受站控系统的控制，除完成正常工艺 流程，还需与安全仪表系统一起完成紧急情况下的安全操 作。图1 表示压力调节系统与站控系统的信号交互。 El C V 0l _21 2 01 4 No ． 1 8 3 日经验窒速日 罕 藩 黟 玺 ⋯ 蔓 曼篓 ⋯⋯ ⋯⋯ 一⋯ ⋯⋯ 图1 压 力调 节 系统与 站控 系统信 号 交互 压力调节系统正常运行时，压力控制器监控工作调节 阀调压后的压力信号及计量系统的瞬时流量信号。当下游 压力反馈信号高于或低于压力控制器中预设等压力设定值 时，压力控制器将控制调节阀开度，使下游压力稳定在压 力设定值附近 】 。当瞬时流量信号高于流量限流值时，压力 控制器将从调压控制转为限流控制 ，控制调节阀将气体流 量控制在限流值以内，当气体流量降低而下游压力高于压 力设定值时，压力控制器从限流控制切换回调压控制 ，这 样实现压力调节系统的调压与限流控制的功能。 在正常情况下 ，在用调压 回路 向下游用户供气 ，备 用调压回路处于热备状态。一旦在用调压回路的丁作调节 阀发生了故障，出口压力升高到监控调节阀压力没定值 ， 此时监控调节阀开始丁作 ，稳定下游压力。同时，站控系 统检测到监控调节阀开度 的变化 ，判定该调节回路处于非 正常T作状态 ，将根据预设程序切换至备用回路。在压力 调节系统的在用调压回路故障，且备用回路的工作调节阀 及监控调节阀也都发生故障的情况下 ，将无法控制下游输 气管道压力。当下游压力升高至安全切断阀的压力设定值 时，安全切断阀将动作 ，在极短的时间内切断该回路，停 止向下游供气 ，同时安全仪表系统将接收安全切断阀关断 信号并报警。 在站场遇到紧急情况，如发生火灾 、自然灾害或管线 破裂等重大事故 ，站场安全仪表系统将触发站场紧急关断 信号，自力式安全切断阀将接收安全仪表系统的命令，执 行安全切断操作，配合完成站场的紧急关断。 站控系统上位机将通过Mo d b u s R S 4 8 5 或T C P ／ I P 协议从压 力控制器中采集压力调节系统各种状态信息进行显示 、存 储并上传至长输管线总调控中心进行监控。 4 ． 2 压 力调 节系统成橇 为保证压力调节系统不受装配、运输 、安装 、调试等 外来因素的影响 ，应要求供货商成橇供货 。为便于运输及 现场安装 ，整橇装置应设坚固、稳定的钢制支架，支架应 采用型钢制作。支撑点宜设在阀门或法兰连接处，并充分 考虑设备的重量及整套装置的结构。支架底部应预留用于 现场安装的螺栓孔并由供货商提供螺栓及安装附件，支架 高度应根据丁艺管线高度确定。 在寒冷地区应考虑橇装设备的耐低温能力及冰堵现 场。由于压力调节系统调压压降较大，在lT作调节阀内节 流严重 ，会导致气体温度大幅度降低 ，当环境温度较低 时 ，天然气气体温度易降至零度以下 ，气体中所含水分将 8 4 El C V0 1 ． 2 1 2 0 1 4 NO ． 1 墨 麦旦座 在调节阀内冻结并堵塞调节阀。故在寒冷地 区应考虑管线 保温 ，并在调节阀处设 电伴热 ，防止冰堵现象。同样 ，由 于 自力式安全切断阀、自力式调节阀、压力仪表等设备的 取压管线管径较小且存在节流现象，也应设置电伴热，以 防由于冰堵导致阀门或仪表失效。 当气体中杂质较多 、颗粒较大时 ，调节阀易被杂质 堵塞 ，失去调节能力甚至损坏调节阀，因此要求在阀门上 游安装过滤装置。对于天然气长输管道工程 ，一般会在站 场气体进口处设过滤分离器 ，可不考虑在橇内另设过滤装 置。调节阀的噪音也是业主比较关心的问题之一 ，调节阀 前后压差越大 、流速越快产生的噪音也就越大。如果噪音 过大 ，则需要考虑降噪措施，如选用低噪音的调节阀，增 大管线壁厚等。 压力调节系统应在工厂内对各设备参数进行设定 ，对 单体管件做气压试验 、水压试验及气密性试验 ，成橇后再 对整橇做气密性试验。压力试验一般为设计压力的1 ． 5 倍 ， 气密性试验压力不应小于设计压力。在投产前应对整橇进 行吹扫清管工作，确保管道内没有杂物、污泥及积水等。 5 结束语 本文所介绍的压力调节系统配置基本涵盖国内天然气 长输管道采用的主要配置方式。在实际T程中，压力调节 系统的阀门及辅助设备一般为橇装供货 ，由厂家在T厂内 完成设备的安装 ，可保证压力调节系统的控制准确度，并 使系统更加可靠、安全。口 参考文献 【 1 ]徐志强，迟彩云，分输站压力控制系统的优化设计与应用 油气储 运， 2 0 0 8 。2 7 5 3 7 [2 ] G B 5 0 2 5 1 - 2 0 0 3 ，输气管道工程设计规范i s 】 [ 3 ]兰婷， 天然气长输管线调压橇控制的应用l J l l 中国石油大学胜利学 院学报。 2 0 0 8 ， 2 2 3 2 4 2 6 【 4 】 杨纪伟， 调节阀流量调节理论研究U 】 _流体机械， 2 0 0 3 0 2 [ 5 ]王书惠， 天然气长输管道分输压力控制系统技术研究IJ l 石油规划 设计， 2 0 1 2 ，2 3 1 2 3 2 6 【 6 ]钟小木， 周明军，输气管道分输站调压系统的优化设置 U l _天然气与 石油， 2 0 0 5 ，2 3 4 2 7 3 0 【 7 ]王建国， 橇装式调压装置在天然气管道站场 的应用U J l 管道技术与 设备， 2 0 0 9 ， 2 3 5 3 7 作者简介 李绪勇09 8 4 一 ， 男’ 领土研究生， 从事油气处理及长输管道的自 控设计工作。 投稿日期 2 1 3 1 2 2 5