李宏歡（中國石油化工股份有限公司天然氣分公司 北京 100029）

引言

調壓系統(tǒng)是輸氣管道分輸站保證分輸下游管道安全性、可靠性的重要措施。同時調壓過程可以近似看作是一個絕熱膨脹過程，由于焦耳—湯姆遜效應，節(jié)流后的天然氣溫度將下降，可能導致調壓系統(tǒng)后路埋地管道由于生成天然氣水合物、周圍土壤的凍脹作用以及管道材質不能適應低溫等原因而發(fā)生事故。因此，輸氣管道分輸站調壓系統(tǒng)的安全設計尤為重要。

一、調壓流程方案的選擇

由于天然氣用戶用氣的不均勻性，導致輸氣管道分輸站分輸下游管道的壓力、流量呈周期性變化。為保證供氣下游的安全，同時也為了輸氣管道協(xié)調供需平衡，GB50251-2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》第8.4.5條規(guī)定，氣體流量的監(jiān)控應對供氣量超限會導致管輸系統(tǒng)失調的部位，采取有效的限流控制措施；第8.4.6條規(guī)定，當供氣壓力超限會危及下游供氣系統(tǒng)設施安全時，應設置可靠的安全裝置系統(tǒng)。當可能的最高進口壓力與允許最高出口壓力之差大于1.6MPa和進出口壓力之比大于1.6時，可選擇下列措施：（1）每一回路串聯(lián)安裝2臺安全截斷設備；安全截斷設備應具備快速關閉能力并提供可靠的截斷密封；（2）每一回路安裝1臺安全截斷設備和1臺附加的壓力調節(jié)控制設備；（3）每一回路安裝1臺安全截斷設備和1臺最大流量安全泄放設備。

目前輸氣管道常用的調壓流程方案主要有以下6種：（1）單臺工作調壓閥；（2）單臺工作調壓閥+單臺監(jiān)控調壓閥；（3）單臺工作調壓閥+單臺安全切斷閥；（4）工作監(jiān)控調壓閥+安全切斷閥；（5）工作調壓閥+監(jiān)控調壓閥+安全切斷閥；（6）工作調壓閥+安全切斷閥+安全切斷閥。

對于干線、支干線輸氣管道來說，上述6種調壓流程方案最常用的是后兩種方案，即工作調壓閥+監(jiān)控調壓閥+安全切斷閥和工作調壓閥+安全切斷閥+安全切斷閥方案。根據GB50251-2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》條文說明第8.4.6條，規(guī)范推薦采用工作調壓閥+安全切斷閥+安全切斷閥方案。陜京輸氣管道工程北京末站、新疆煤制氣外輸管道工程設計壓力為12MPa的站場及設計壓力為10MPa、調壓口徑大于DN250mm的站場，其調壓流程方案均為工作調壓閥+安全切斷閥+安全切斷閥方案。

二、調壓流程閥門的選擇

1.安全切斷閥

安全切斷閥作為壓力調節(jié)系統(tǒng)中的安全裝置，應采用獨立于監(jiān)控調壓閥和工作調壓閥的專用設備。安全切斷閥在正常工作狀態(tài)下為常開，一旦系統(tǒng)的壓力達到設定值的上限或下限，它將自動切斷供氣管路。自動切斷后，它不能自動打開，只能就地手動打開。安全切斷閥應選用高可靠性的自力式閥門，閥門的材質及耐壓等級應符合其安裝處的工藝條件及現(xiàn)場的環(huán)境要求。

安全切斷閥在正常工作時長期處于全開狀態(tài)，驅動閥門關斷的驅動部件應有穩(wěn)定的保護措施，對于管道正常工作所產生的振動不應引起驅動部件的松懈或動作，從而導致安全切斷閥產生誤動作。

2.監(jiān)控調壓閥

監(jiān)控調壓閥應選用高可靠性的自力式調壓閥，該自力式調壓閥應是帶有指揮器的調壓閥。閥體、閥內件及密封件的材質及耐壓等級應符合調壓閥安裝處的工藝條件及現(xiàn)場的環(huán)境要求。

監(jiān)控調壓閥的指揮器動力源取自閥門的上游，為保證調節(jié)精度及指揮器的使用壽命，在指揮器的入口處應隨設備帶有精細過濾器。監(jiān)控調壓閥在結構上宜選用流通能力大的軸流式閥門，閥芯套筒和閥座應該采用耐沖刷材料，其調節(jié)范圍應在最大流通能力的5%～100%之間。當閥門出現(xiàn)故障時，應處于關閉位置。

3.工作調壓閥

根據工作調壓閥的動力源不同，工作調壓閥可分為自力式工作調壓閥和電動（或氣動）調壓閥。自力式調壓閥的調節(jié)反應快速，但是出氣壓力有小幅的波動，適用于氣源不太穩(wěn)定、出口壓力要求不是特別嚴格的場合；電動（或氣動）調節(jié)閥調節(jié)精度高，但是動作時間較長，適合氣源波動不頻繁，出口壓力要求精度高的場合。

根據GB50251-2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》第8.4.3條，一般情況下，由于自力式調壓閥具有結構簡單、維護方便、流通能力大、國內產品已基本形成系列，有成熟的使用經驗等優(yōu)點，工作調壓閥應采用自力式調壓閥。但是采用自力式調壓閥，一般只能就地人工改變壓力設定點。當希望能在站場控制室內或管道系統(tǒng)調度控制中心改變輸氣壓力時，可以在自力式調壓閥基礎上附加電動指揮控制器；在未加指揮控制器時與自力式調壓器工作原理完全相同，當需要遠程改變設定點時，通過電氣信號使控制器電動機正轉或者反轉從而改變彈簧壓緊力來改變調壓閥控制的下游壓力。用戶可根據控制功能的要求、站場環(huán)境條件、使用習慣等條件進行選擇。

三、調壓節(jié)流過程溫降的影響與消除

輸氣管道分輸站調壓系統(tǒng)絕熱節(jié)流的后果是氣體溫度的降低，溫度降低的程度由壓力降的大小確定。從計算的結果和實際測量的結果表面，高壓天然氣的溫度降一般為3～5K/MPa?？梢?，當10MPa的天然氣調壓節(jié)流至4MPa時的溫度降低是十分明顯的。

天然氣溫度的降低，可導致天然氣水合物的生成。在高壓、低溫下天然氣水合物聚集在管壁上，從而增加流體流動阻力，甚至堵塞管道，造成局部凍堵現(xiàn)象，而且被高速氣流夾帶，造成對設備的撞擊和震動，嚴重影響分輸站的安全運行。天然氣水合物通常容易在節(jié)流閥、閥門關閉不嚴處以及管道彎頭等地方生成。天然氣溫度的降低，還可因為天然氣在流動過程中通過管道向周圍環(huán)境吸熱，若管道地上敷設，在周圍環(huán)境濕度較大時，將會在節(jié)流后的管道外壁出現(xiàn)水蒸氣冷凝，加劇地上敷設管道外壁的腐蝕；若管道埋地敷設，若管道周圍土壤濕度較大時，可導致埋地管道周圍含水土壤膨脹，對埋地管道產生凍脹作用，增加埋地管道應力水平。天然氣溫度降低，還可能導致后路管道材質不能滿足低溫要求而發(fā)生冷脆現(xiàn)象，導致管道脆性斷裂，從而影響輸氣管道的安全運行。

為避免由于絕熱節(jié)流產生的焦耳-湯姆遜效應帶來的不利后果，設計上一般根據絕熱節(jié)流前后的壓差以及絕熱節(jié)流后管道周圍環(huán)境條件來判斷絕熱后果的嚴重程度，從而針對性地采取相應措施。這些針對措施主要是絕熱節(jié)流前的預加熱，常用的加熱設備包括水套爐、真空爐、熱媒爐及電加熱器。各種加熱設備特點如下：（1）水套爐是將天然氣加熱盤管置于水浴中，將盤管中的天然氣直接加熱，水浴溫度可在50～100℃范圍內變化。其特點是：熱負荷彈性大，結構簡單，但占地較大、會產生結垢，根據以往工程經驗，一般適用于負荷200～2000k W的工況。（2）真空爐是將加熱盤管置于溫度90～99℃的氣相空間中，利用微負壓狀態(tài)的水蒸氣通過盤管將熱量傳遞給被加熱介質。其特點是加熱效率高，結垢少，體積較小，但只能通過真空度來調節(jié)熱負荷，熱負荷變化范圍和操作彈性相對較小，主要適用于加熱負荷2000k W以上，變化范圍較小的工況。（3）熱媒爐先將熱媒加熱到200～350℃，再通過換熱器實現(xiàn)熱媒與盤管中的天然氣換熱。其加熱效率高，且為間接換熱，安全性相對較高。但系統(tǒng)較復雜，包括儲油罐、注油泵、膨脹罐、油氣分離器、換熱器、循環(huán)泵、熱媒爐幾部分，運行操作較復雜，占地較大，設備投資約為水套爐及真空爐的2倍。熱媒爐主要適用于原油及天然氣處理廠等需要較大熱負荷的工況（負荷3000k W 左右）。（4）熱媒油電加熱器是一種新型、安全、高效節(jié)能，低壓（常壓下或較低壓力）并能提供高溫熱能的加熱設備，是當前國際最為常見也是使用最為普遍的一種電加熱元件。該加熱器熱量是由浸入熱媒油的電加熱元件產生和傳輸?shù)?，電加熱器的加熱元件先將熱媒油加熱，再將熱量傳遞給換熱管，換熱管將熱量傳遞給進入到殼體內介質，從而將介質加熱，容易實現(xiàn)溫度控制。一般適用于負荷較?。?000k W以下）的工況。其與水套爐、真空爐、熱媒爐相比具有以下特點：①運行壓力低。液相輸送熱能，能在較低的運行壓力下，獲得較高的工作溫度，熱載體較水的飽和蒸汽壓力小70～80倍，一般供熱運行壓力為≤0.3MPa。②加熱溫度高。電加熱器供熱溫度可達280℃；加熱溫度自動化控制，靈敏度高，供熱穩(wěn)定。③安全可靠。電加熱器具備完善的運行控制和安全監(jiān)測裝置，操作簡便，安全可靠。④環(huán)保型設計。電加熱器以電代煤，節(jié)省投資，環(huán)保無污染，加熱升溫快，熱效率高，高效更經濟。

在具體設計時，設計單位可根據需要的熱負荷、投資等條件優(yōu)選加熱設備。

四、設計時應注意的幾個問題

1.在進行陰極保護的管道上安裝儀表時（根據AQ2012-2007《石油天然氣安全規(guī)程》第7.3.5條，輸氣站內的埋地管道應實施區(qū)域性陰極保護），應采取有效的絕緣措施，防止陰極保護電流的泄漏，同時也可防止儀表損壞。

2.調壓閥的結構必須采用能承受大差壓、低噪音的結構，在下游管段安裝消音器，以減少由于流速過快引起的噪音、振動、沖刷等對調節(jié)閥本身、管網及下游其他設備的危害。

3.建議在安全切斷閥前安裝流量計，將流量傳輸?shù)娇刂破鳎瑓⑴c調壓系統(tǒng)的精確控制。

4.設計時，注意考慮調壓指揮器以及控制管路的保溫，避免因冰堵造成控制失靈，釀成事故。

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