劉麗萍，陳鵬飛（合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，安徽 合肥 230075）

0 引言

不可中斷供氣工業(yè)用戶，是指因生產(chǎn)工藝、燃燒設(shè)備特性或用氣用途、性質(zhì)等要求，停止供氣將導(dǎo)致安全事故、人員傷亡、重大財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)保事故、社會(huì)穩(wěn)定等重大影響事件的天然氣用戶。這類用戶一般具有用氣量大、用氣壓力高、工藝復(fù)雜等特點(diǎn)。以HFRQ公司為例，目前供應(yīng)不可中斷供氣工業(yè)用戶有20 多例，共涉及的行業(yè)有汽車制造、新能源產(chǎn)業(yè)、光伏發(fā)電、晶圓生產(chǎn)制造等。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，這些用戶普遍每天用氣量在1 萬(wàn)立方米以上，用氣壓力多為中壓。這些工業(yè)用戶不可中斷供氣主要原因有以下三個(gè)：

（1）項(xiàng)目以天然氣為燃料進(jìn)行溫度控制，中斷供氣會(huì)導(dǎo)致其工藝產(chǎn)生改變，直接影響加工后的產(chǎn)品質(zhì)量，造成用戶巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

（2）項(xiàng)目采用天然氣為原料對(duì)其生產(chǎn)工藝排出的廢氣進(jìn)行消納，一旦停供，大量的有毒有害氣體就擴(kuò)散到空氣中，對(duì)環(huán)境造成巨大污染。

（3）項(xiàng)目以天然氣為燃料，中斷供氣會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)進(jìn)入混合氣體，影響設(shè)備的安全性?；谝陨咸匦裕瑢?duì)于不可中斷供氣工業(yè)用戶應(yīng)采用更特殊的工藝設(shè)計(jì)方案，以保障項(xiàng)目不停輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 氣源的設(shè)計(jì)

天然氣管網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中可能存在突發(fā)停氣的情況，這些突發(fā)情況包括工程接氣、第三方施工損壞、管道腐蝕造成管網(wǎng)漏氣等。為不可中斷供氣工業(yè)用戶設(shè)置雙路氣源，主要為了保證一路氣源因以上原因中斷時(shí)，另外一路氣源能夠不間斷供氣。雙路氣源設(shè)計(jì)常采用的方式有以下兩種。

1.1 兩路市政管道分別接氣

適用于項(xiàng)目周邊管網(wǎng)較為成熟，已成環(huán)布置或有多個(gè)方向來(lái)氣，此方案一般調(diào)壓前須在廠區(qū)內(nèi)布置兩道線路。當(dāng)選擇的調(diào)壓設(shè)備位置距離市政管道較遠(yuǎn)時(shí)，造價(jià)較高，因此，可在調(diào)壓設(shè)備選址時(shí)結(jié)合周邊管網(wǎng)及燃燒設(shè)備位置統(tǒng)籌考慮。如圖1 所示。

圖1 某工業(yè)窯爐項(xiàng)目雙路氣源示意圖

1.2 利用閥門實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向氣源

附近僅有一路市政氣源，第二路氣源距離較遠(yuǎn)暫時(shí)無(wú)法接氣時(shí)適用此方案。如圖2 所示，利用閥門1把市政管道分為兩路，當(dāng)1 點(diǎn)處市政管道出現(xiàn)故障需要維修時(shí)，關(guān)閉閥門1、2，打開(kāi)閥門3 即可實(shí)現(xiàn)不間斷供氣，當(dāng)2 點(diǎn)處市政管道出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)閉閥門1、3，打開(kāi)閥門2 即可實(shí)現(xiàn)不間斷供氣。

圖2 某二期工業(yè)設(shè)備項(xiàng)目雙路氣源示意圖

2 調(diào)壓設(shè)備的設(shè)計(jì)

針對(duì)不可中斷供氣工業(yè)用戶，其調(diào)壓設(shè)備也要考慮雙路設(shè)計(jì)，在設(shè)備工作時(shí)，兩路調(diào)壓一開(kāi)一備，互為備用，保障用氣的不可中斷性。符合規(guī)范對(duì)于“連接未成環(huán)低壓管網(wǎng)的區(qū)域調(diào)壓站和供連續(xù)生產(chǎn)使用的用戶調(diào)壓裝置宜設(shè)置備用調(diào)壓器”的要求，常采用的調(diào)壓器雙路設(shè)計(jì)主要有以下兩種形式。

2.1 兩路氣源，設(shè)置兩座調(diào)壓設(shè)備

此種方式結(jié)合中壓雙路氣源設(shè)計(jì)，從兩個(gè)不同的方向設(shè)置兩座調(diào)壓箱，可靠性較高。缺點(diǎn)是造價(jià)高，且占地較大，因調(diào)壓設(shè)備與建、構(gòu)筑物的安全間距要求較高，調(diào)壓設(shè)備選址有一定難度，如圖3 所示。

圖3 調(diào)壓設(shè)備備用方案示意圖

2.2 設(shè)置備用路調(diào)壓器

對(duì)于不可中斷供氣工業(yè)用戶，內(nèi)部結(jié)構(gòu)選擇工作調(diào)壓器+備用路監(jiān)控調(diào)壓器組合設(shè)置方式，即采用2+0 型調(diào)壓器。選用2 臺(tái)型號(hào)完全相同的調(diào)壓器并聯(lián)，1 臺(tái)為主路工作調(diào)壓器，另外1 臺(tái)為備用路的監(jiān)控調(diào)壓器，額定流量選擇可以相同，也可以不同，工作調(diào)壓器的設(shè)定壓力根據(jù)下游燃燒設(shè)備的用氣壓力確定，監(jiān)控調(diào)壓器的設(shè)定壓力略低于工作調(diào)壓器的壓力，如圖4 所示。

圖4 并聯(lián)監(jiān)控調(diào)壓器（2+0）內(nèi)部工藝流程圖

其工作原理如下：當(dāng)工作調(diào)壓器發(fā)生故障或設(shè)備停機(jī)切換瞬間工作調(diào)壓器響應(yīng)不及時(shí)造成出口壓力升高至緊急切斷壓力時(shí)，主路的緊急切斷閥動(dòng)作，切斷氣路。由于下游窯爐持續(xù)用氣的影響，調(diào)壓后管道內(nèi)壓力下降到監(jiān)控調(diào)壓器的驅(qū)動(dòng)壓力，監(jiān)控調(diào)壓器打開(kāi)開(kāi)始工作，出口壓力略低于原出口壓力。

本方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)節(jié)約，適用的場(chǎng)所比較廣泛，節(jié)省占地和造價(jià)；

（2）只要監(jiān)控系統(tǒng)正?；蜻\(yùn)行人員定期巡檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決，就可以保證下游用戶的供氣安全和可靠性，是目前普遍運(yùn)用于24 h 不間斷供氣用戶的方式。

本方案存在的問(wèn)題如下：

（1）備用路的出口壓力低于正常出口壓力，可能無(wú)法滿足用戶的用氣需求。

（2）備用路的切斷壓力要高于工作路的切斷壓力很多，否則在工作路切斷的時(shí)候，備用路也將被切斷。

（3）雖然工作路備用路的切斷壓力有差別，但是在下游管道壓力瞬時(shí)升高幅度很大的情況下，備用路仍然有可能同時(shí)被切斷，造成停氣。

如果忽略經(jīng)濟(jì)性和使用空間不足等問(wèn)題，可跟用戶溝通，將調(diào)壓設(shè)備采用更為安全的備用類型—串并聯(lián)監(jiān)控調(diào)壓器方式[3]，如圖5 所示。

圖5 串并聯(lián)式監(jiān)控調(diào)壓器工藝流程圖

其原理如下：當(dāng)運(yùn)行路工作調(diào)壓器發(fā)生故障，出口壓力升高，運(yùn)行路監(jiān)控調(diào)壓器開(kāi)始工作，如果監(jiān)控調(diào)壓器也發(fā)生故障導(dǎo)致下游壓力升高，運(yùn)行路切斷閥關(guān)閉。由于下游繼續(xù)供氣，當(dāng)下游壓力下降至備用路工作壓力以下時(shí)，備用路工作調(diào)壓器啟動(dòng)，開(kāi)始工作調(diào)壓，如果備用路的工作調(diào)壓器也不能正常調(diào)壓導(dǎo)致壓力升高，備用路監(jiān)控調(diào)壓器開(kāi)始工作，從而保證不間斷供氣。串并聯(lián)監(jiān)控方式適用于對(duì)供氣要求較高的大型工業(yè)用戶。

3 調(diào)壓器的監(jiān)控

為了更好地服務(wù)用戶，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)用戶的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)解決在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題等，對(duì)不可中斷供氣工業(yè)用戶、重要用戶調(diào)壓前/后可加裝壓力變送器等監(jiān)控裝置，通過(guò)4G/NB-Iot 直接上傳壓力變化數(shù)據(jù)到燃?xì)夤镜腟CADA 調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)壓器前、后壓力變化的記錄和實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警。例如：供給ZJC 二期工業(yè)設(shè)備某日壓力低于設(shè)定值0.25 MPa，SCADA 系統(tǒng)報(bào)警提醒，運(yùn)維部門通過(guò)控制閥門啟閉，加大該項(xiàng)目附近的高中壓流量及時(shí)解決壓力低問(wèn)題。

4 調(diào)壓后管道的設(shè)計(jì)

4.1 緩沖的設(shè)置

4.1.1 設(shè)置緩沖的作用

當(dāng)設(shè)備由停機(jī)狀態(tài)到運(yùn)行狀態(tài)或由運(yùn)行狀態(tài)到停機(jī)狀態(tài)時(shí)，調(diào)壓器前后壓差發(fā)生變化，此時(shí)調(diào)壓裝置在定壓彈簧的作用下，逐漸啟動(dòng)（或關(guān)閉） 調(diào)壓器閥口。從定壓彈簧發(fā)揮作用到完全啟動(dòng)（或關(guān)閉）調(diào)壓器閥口，需要一定響應(yīng)時(shí)間（t），而這段時(shí)間內(nèi)調(diào)壓裝置后管段內(nèi)的燃?xì)鈮毫l(fā)生較大變化，可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作，或者調(diào)壓器切斷閥超壓切斷，導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備停產(chǎn)。在調(diào)壓器出口與設(shè)備間設(shè)置適當(dāng)?shù)木彌_管段或儲(chǔ)氣設(shè)施，第一是緩和因設(shè)備啟、停造成的調(diào)壓后管道內(nèi)的壓力波動(dòng)，二是給予設(shè)備啟動(dòng)時(shí)所須的啟動(dòng)裕量，從而保證設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

4.1.2 緩沖量的計(jì)算

以某三期窯爐項(xiàng)目燃?xì)夤こ虨槔?，其調(diào)壓器出口設(shè)定壓力P2s=181 kPa，標(biāo)況小時(shí)用氣量Q0=7 000 m3/h。由于窯爐由運(yùn)行狀態(tài)到停機(jī)狀態(tài)所需的響應(yīng)時(shí)間，要比其由停機(jī)狀態(tài)到運(yùn)行狀態(tài)所需時(shí)間長(zhǎng)，故本次以該窯爐由運(yùn)行狀態(tài)到停機(jī)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行緩沖管長(zhǎng)度的計(jì)算。

調(diào)壓器完全關(guān)閉時(shí)，調(diào)壓器后管段內(nèi)壓力Pt為：

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范（2020 年版）》GB 50028—2006 第6.6.10 條第6 項(xiàng)對(duì)調(diào)壓器的安全保護(hù)（放散或切斷）裝置的規(guī)定“啟動(dòng)壓力應(yīng)根據(jù)工藝要求確定，當(dāng)工藝無(wú)特殊要求時(shí)應(yīng)符合下列要求：當(dāng)調(diào)壓器出口壓力等于或大于0.08 MPa，但不大于0.4 MPa 時(shí)，啟動(dòng)壓力不應(yīng)超過(guò)出口工作壓力上限0.04 MPa”的要求，即Pt

式中：P2s為出口設(shè)定壓力；t為調(diào)壓器響應(yīng)時(shí)間；Q0為用氣設(shè)備標(biāo)況小時(shí)用氣量（Nm3/h）；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；V0為調(diào)壓后緩沖體積；L為調(diào)壓后緩沖管長(zhǎng)度。

該項(xiàng)目采用指揮器作用式調(diào)壓器，其響應(yīng)時(shí)間較直接作用式調(diào)壓器要長(zhǎng)，一般按照5～10 s 進(jìn)行考慮。將其調(diào)壓器出口設(shè)定壓力P2s=181 kPa，標(biāo)況小時(shí)用氣量Q0=7 000 m3/h，帶入（2）（3）式，進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，當(dāng)調(diào)壓器的響應(yīng)時(shí)間為5 s 時(shí)，選V0=29.3 m3，L=154 m（φ508×7.9 口徑鋼管）。

4.1.3 緩沖設(shè)計(jì)

針對(duì)以上類型工業(yè)用戶，其調(diào)壓設(shè)備選址時(shí)不應(yīng)距離燃燒設(shè)備過(guò)近，保證調(diào)壓后有足夠的空間設(shè)置緩沖管段，也可考慮采用儲(chǔ)氣設(shè)施（緩沖罐）。但值得注意的是：

（1） 緩沖罐屬于壓力容器，壓力容器的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)都需要具備相應(yīng)的資質(zhì)。

（2）緩沖罐的使用風(fēng)險(xiǎn)高，監(jiān)督檢驗(yàn)要求高的，長(zhǎng)期不停氣運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大。

（3）緩沖罐此類壓力容器不停氣檢驗(yàn)周期較短，僅有1～2 年，增加了用戶的檢驗(yàn)成本和檢驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。而停氣檢驗(yàn)，影響不可停輸工藝的安全供應(yīng)。

如采用緩沖管段，只須隨項(xiàng)目本身建設(shè)進(jìn)行壓力管道的監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)即可。因此一般情況下應(yīng)減少緩沖罐的使用，對(duì)于不可中斷供氣項(xiàng)目方面尤其要注意，在空間允許的情況下，應(yīng)采用更為可靠的緩沖管段。

4.2 管道設(shè)計(jì)壓力

對(duì)于不可中斷供氣工業(yè)用戶，其工藝管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮調(diào)壓設(shè)備設(shè)置的切斷壓力、放散壓力等因素對(duì)調(diào)壓后管道設(shè)計(jì)壓力的影響。如某調(diào)壓設(shè)備出口設(shè)定壓力為0.18 MPa（中壓B），按照規(guī)范要求，“當(dāng)調(diào)壓器出口壓力等于或大于0.08 MPa，但不大于0.4 MPa 時(shí)，安全切斷閥的啟動(dòng)壓力不應(yīng)超過(guò)出口工作壓力上限0.04 MPa”，調(diào)壓設(shè)備的切斷壓力設(shè)置為0.22 MPa（中壓A），綜合考慮其切斷壓力、放散壓力調(diào)壓后管道設(shè)計(jì)壓力應(yīng)選擇較高的壓力級(jí)別（中壓A） 更為可靠，可避免調(diào)壓后管道跨壓力級(jí)別運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，且運(yùn)行和后期設(shè)備改造的壓力富裕量也較大。

5 計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1 流量計(jì)的選型

考慮到用氣的不可間斷性，采用一用一備的流量計(jì)配置方式。在表具類型的選擇上，大型工業(yè)項(xiàng)目中常采用的渦輪流量計(jì)及超聲波流量計(jì)。需注意的是超聲波流量無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu)，一旦其電子部件出現(xiàn)故障，所有數(shù)據(jù)都無(wú)法查詢，用于貿(mào)易計(jì)量存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳

流量計(jì)內(nèi)嵌4G/NB-Iot 模塊，流量計(jì)直接通過(guò)4G/NB-Iot 連接到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心（大型不可中斷供氣工業(yè)用戶、重要用戶的數(shù)據(jù)直接連接到SCADA調(diào)度系統(tǒng)），通過(guò)以上手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、標(biāo)況瞬時(shí)流量、標(biāo)況累積流量等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集。運(yùn)維單位實(shí)行24 h 值班制度，對(duì)項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的異常報(bào)警，可及時(shí)解決，保障用戶的用氣穩(wěn)定性。

5.3 數(shù)據(jù)記錄

帶遠(yuǎn)傳的流量計(jì)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)保存歷史數(shù)據(jù)記錄，當(dāng)需要時(shí)可導(dǎo)出。數(shù)據(jù)記錄是指流量計(jì)定時(shí)時(shí)間間隔（重要用戶通常為5 min） 記錄的流量計(jì)過(guò)程參數(shù)，記錄永久保存。有了上述記錄，當(dāng)流量計(jì)發(fā)生異常情況時(shí)，一是可以及時(shí)通過(guò)及時(shí)上傳的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，二是可通過(guò)查閱記錄，為協(xié)商解決貿(mào)易結(jié)算提供一種依據(jù)，最大程度解決計(jì)量糾紛，保護(hù)供需雙方的權(quán)益。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在為不可中斷供氣工業(yè)用戶設(shè)計(jì)方案中，要詳細(xì)了解用戶的設(shè)備工藝詳情和用戶需求，在用戶提供安全可靠的供氣方案的同時(shí)，也要考慮設(shè)備和管網(wǎng)在運(yùn)行全過(guò)程的安全性。

（1）對(duì)于不可中斷供氣工業(yè)用戶，最重要的就是考慮備用設(shè)計(jì)，包括氣源、調(diào)壓設(shè)備、計(jì)量設(shè)備都要考慮備用，最大限度地保障其不可中斷性。

（2）應(yīng)當(dāng)科學(xué)選擇各設(shè)備工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)根據(jù)用戶設(shè)備工藝要求對(duì)調(diào)壓設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、配置提出更加有針對(duì)性的要求，以供采購(gòu)部門采購(gòu)設(shè)備時(shí)進(jìn)行參考。

（3）應(yīng)科學(xué)選擇調(diào)壓設(shè)備出口壓力、切斷壓力、放散壓力。進(jìn)行工藝管道設(shè)計(jì)壓力選擇時(shí)，考慮放散、切斷壓力等對(duì)調(diào)壓后管道設(shè)計(jì)壓力的影響。避免管道跨壓力級(jí)別運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（4）為保證用戶的用氣穩(wěn)定性，避免壓力波動(dòng)燃燒設(shè)備的影響，調(diào)壓后管段設(shè)置管容應(yīng)科學(xué)、可靠。

（5）建議在不可中斷供氣工業(yè)用戶、重點(diǎn)用戶等的管理中逐步引入遠(yuǎn)程壓力監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)用戶、壓力較高用戶調(diào)壓前后壓力的有效監(jiān)管，為用戶設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行提供更為可靠的保障。