燃气输气站调压系统参数设置

上海天然气管网有限公司 胡嵘

燃气调压系统是多压力级别燃气输配系统相互衔接的关键设施，承担了在上一级燃气输配系统向下一级燃气输配系统供气过程中稳定向下游输配系统的供气压力的作用。

一般来讲，燃气调压系统由两个以上调压回路并联构成，每个调压回路由安全保护(放散或切断)装置、调压器和阀门组成。构成形式见图 1、2、3所示。

图1 带监控调压器的燃气调压系统

图2 不带监控调压器的燃气调压系统

图3 自带安全切断阀的调压器的燃气调压系统

上海天然气管网有限公司作为一个接收“西气东输”、洋山LNG、“川气东送”等长输气源并通过管网输配系统供应上海下游各区域燃气销售公司和大型企业用户的中游燃气销售企业，所拥有的燃气调压系统包括了上述三种形式。因此，以此作为研究燃气输气站调压系统参数的设置的对象具有较强的代表性。

1 燃气调压系统参数合理设置的重要性

燃气调压系统参数的合理设置至少影响到燃气输配系统建设和运行管理的三个方面：

(1)从供气源头保障下游燃气输配管网的安全性，避免下游输配管网超压和脱压；

(2)优化已运行的下游燃气输配管网的燃气输送效率，燃气输送压力直接影响到燃气管道内的介质流速和沿途压力损失，一般来讲，气源侧压力越高，沿途燃气流速较低和压力损失减少；

(3)通过保障管网运行的安全性和优化输送效率，进而节约新建输配管网的投资成本。

因此，研究燃气调压系统的参数并确定合理、科学的参数设置值，对保障当前以及今后的燃气运行安全和推进燃气行业的发展十分有必要。

本文就以下两个问题进行探讨和研究：

(1)根据现行国家强制性标准，燃气调压系统的参数如何设置；

(2)同国家强制性标准所参考的国外先进技术标准相对比，国内燃气调压系统参数设置的可借鉴之处。

2 调压系统参数设置现行标准和依据

当前，我国针对燃气调压系统的标准和依据有：

(1)适用于陆上输气管道工程设计的《输气管道工程设计规范》(GB 50251—2003)第3章第4节“输气管道的安全泄放”：

“3.4.3输气站存在超压可能的受压设备和容器，应设置安全阀。”

“3.4.4安全阀的定压应小于或等于受压设备和容器的设计压力。安全阀的定压(po)应根据管道最大允许操作压力(p)确定，并应符合下列要求：

1 当p≤1.8 MPa时，po=p+0.18 MPa；

2 当1.8 MPa＜p≤7.5 MPa时，po=1.1 p；

3 当p＞7.5 MPa时，po=1.05 p”

第8章第4节“监控”：

“8.4.3 第2款 对连续供气的管线宜采取双回路或多回路并联的压力调节系统。”

“8.4.6 当供气压力超限会危及下游供气系统设施安全时，应设置可靠的安全装置系统。当可能的最高进口压力与允许最高出口压力之差大于1.6 MPa和进出口压力之比大于1.6时，可选择下列措施：

1 每一回路串联安装2台安全截断设备；安全截断设备应具备快速关闭能力并提供可靠的截断密封。

2 每一回路安装1台安全截断设备和1台附加的压力调节控制设备。

3 每一回路安装1台安全截断设备和1台最大流量安全泄放设备。”

(2)《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)第6章(6.1.1本章适用于压力不大于4.0 MPa(表压)的城镇燃气(不包括液态燃气)室外输配工程的设计)第6节“调压站与调压装置”：

“6.6.10 第 5款 在调压器燃气入口(或出口)处，应设防止燃气出口压力过高的安全保护装置(当调压器本身带有安全保护装置时可不设)。”

“6.6.10 第6款 安全保护(放散或切断)装置必须设定启动压力值并具有足够的能力。启动压力应根据工艺要求确定，当工艺无特殊要求时应符合下列要求：

……

3)当调压器出口压力等于或大于0.08 MPa，但不大于0.4 MPa时，启动压力不应超过出口工作压力上限0.04 MPa；

4)当调压器出口压力大于0.4 MPa时，启动压力不应超过出口工作压力上限的10%。”

(3)《安全阀一般要求》(GB/T 12241—2005)第3章第2节“压力”：

“3.2.1整定压力set pressure安全阀在运行条件下开始开启的预定压力，是在阀门进口处测量的表压力。在该压力下，在规定的运行条件下由介质压力产生的使阀门开启的力同使阀瓣保持在阀座上的力相互平衡。”

“3.2.2超过压力overpressure超过安全阀整定压力的压力增量，通常用整定压力的百分数表示。”

“3.2.5排放压力relieving pressure整定压力加超过压力。”

第4章第2节“动作性能和排量”：

“4.2.1.1 整定压力偏差不应超过±3%整定压力或±0.015 MPa的较大值。”

“4.2.1.2 排放压力的上限应服从有关标准或规范的规定。”

另2012年3月1日实施的《固定式压力容器》(GB 150—2011)对安全阀整定压力偏差的规定同《安全阀一般要求》4.2.1.1所述内容一致。

我国现行国家标准参考的国外标准主要有美国联邦强制性法规《联邦管道安全法》第192天然气部分第169条、美国《输气配气管道系统》ASME B31.8第 843.441条、欧盟标准《天然气供气系统——输配气调压站功能要求》(EN 12186—2000)。(见《输气管道工程设计规范》(GB 50251—2003)条文说明3.4.4)。

3 国内燃气调压系统的参数设置

根据上述国内强制性标准，结合燃气调压系统内设备/装置的构成，系统各主要参数MAOP、po、psv、pd之间的关系如下表1：

表1 调压系统MAOP、po、psv、pd之间的关系单位：MPa

MAOP—管线系统遵循 GB 50251—2003的规定，所能连续操作的最大压力，等于或小于设计压力；

po—安全放散阀的定压，即安全阀的整定压力；

psv—调压器安全保护(放散或切断)装置的启动压力；

pd—系统设计压力。

在实际进行调压系统参数设置时，还应考虑整个系统的响应时间以及系统内各主要装置的精度。见图4：

图4 调压系统MAOP、po、psv、pd之间的关系

其中：AG—安全放散阀的精度；

AC—安全保护(放散或切断)装置的精度；po—安全放散阀的最大设置压力值；

psv—安全保护(放散或切断)装置的最大设置压力值；

MOP—工作调压器的最大设置压力值，即在稳定操作条件下，管线系统中的最大实际操作压力；

OP—操作压力。

举例来说明，对于下游最大允许操作压力(MAOP)为0.4 MPa的管线系统，若安全保护(放散或切断)装置的精度为 1%(参考 Fiorentini Shanghai LTD公司SB82型内装式紧急切断阀精度0.5%)，调压器精度为1%(参考Fiorentini Shanghai LTD公司REFLUX819型调压器精度≤1%)，则图2和图3两种类型的两路并联调压系统参数设置如下：

表2 图2和图3两种类型的两路并联调压系统参数设置单位：MPa

当可能的最高进口压力与允许最高出口压力之差大于1.6 MPa和进出口压力之比大于1.6时，若采用监控调压器，且监控调压器精度为1%，则图1类型两路并联调压系统参数设置如下：

表3 图1类型两路并联调压系统参数设置单位：MPa

综上所述，可总结出调压系统参数设置方面的三点重要经验：

(1)若要保证下游的最大允许操作压力(MAOP)则调压系统下游侧的设计压力应高于表 1中安全放散阀整定压力，例如对于MAOP为0.4 MPa的下游管线系统，调压系统出口侧设计压力应不低于0.597 MPa(整定压力+整定压力偏差)；

(2)调压系统内调压回路数量、安全装置数量的增加可能导致主调压器的MOP值的降低，回路/装置数量越多，MOP值降低的可能性越大；

(3)调压系统内调压装置和安全装置的精度直接影响到主调压器MOP值的设定，高精度的装置可以有效保障调压系统的MOP值。

通过对国家强制性标准的研究和实践总结，可以对我国燃气行业当前调压系统参数设置的特点作如下归纳：

(1)在任何情况下，管线系统的设计压力作为系统内所有压力参数不可逾越的上限；

(2)将安全切断阀作为安全放散阀的屏障，避免安全放散阀的启动。

上述特点导致了当前业内燃气调压系统往往采用以牺牲输配能力来满足国家标准的方式进行运作。如若调压系统出口侧设计压力同下游管线系统设计压力相同，则设计压力为0.4 MPa的下游管线系统，其实际最大操作压力仅有0.205 MPa，尚且不到其设计压力的六成，这将导致下游管线系统输送量和输送流速的不足，沿途管道压损增加。

以管网运行的经验来看，牺牲输配能力至少存在以下风险：

(1)运行管理风险增加。系统输送效率的不足，使得燃气销售公司在保障城镇居民用气高峰时显得捉襟见肘，甚至面临管网局部脱压的风险。

(2)设备投资建设成本增加。燃气企业为应对系统输送效率的不足，必须增加建设气源供应站、扩大管网管径以及采用高成本的高压力等级装置/设施。此外气源单位也不得不提高输气站点调压系统出口侧的设计压力来满足安全要求。

另外，国家标准对调压系统的附件，例如阀门形式等，所规定的内容尚有不足之处，例如对来自下游管线系统的逆流给调压系统性能带来的负面影响、调压系统出口侧安全放散阀放散时将连同下游管线系统一同放散等情况缺乏预见。

如何改进调压系统的参数设置，使其更科学、更合理？

我们不妨从国家强制性标准广泛引用的国外标准中进行借鉴。

4 国外燃气调压系统的参数设置

以欧盟标准《天然气供气系统——输配气调压站功能要求》(EN 12186—2000)为例。

该标准在第8章规定了针对调压系统的一系列压力控制要求。

该标准确定了调压系统在压力控制中的5个压力概念及之间的关系。

这5个概念包括：

DP(design pressure)设计压力—设计计算所依据的压力。

MOP(maximum operating pressure)最大操作压力—在正常操作条件下(所有装置或管路都没有发生故障)，系统可以维持运行的最大压力。

Peak level OP操作压力峰值。

TOP(temporary operating pressure)临时操作压力—在调压装置的控制下，系统可短暂运行的压力。

MIP(maximum incidental pressure)最大事故压力—系统在短时间内能够承受的最大压力，受安全装置的限制。

这5个压力概念之间的关系见下表：

表4 MOP、peak level OP、TOP、MIP之间的关系

注：只有在MOP小于DP的情况下，表4中的压力关系可适用于DP。

例如：DP为0.01 MPa，则MOP等于0.007 5 MPa，则TOP可以达到1.5×0.01 MPa，则MIP可以达到2.5×0.01 MPa。

上述内容直接引用自EN 12186—2000。MOP取值范围依据欧盟标准对DP等级划分的不同，例如。2

EN 12186—2000对调压系统压力控制的一般原则，根据原文翻译如下：

(1)压力控制系统需要将下游系统的压力维持在所需范围内，并且确认该压力不超过允许值。下游系统包括其连接至再下一级压力系统的所有管道。

(2)调压系统要将压力维持在下游系统可接受的限制值内。该设定值不超过MOP。考虑到系统动力特性，运行压力可以高于该设定值。但调压系统不允许下游系统压力超过peak level OP值。

(3)压力安全系统要能自动运行以防止下游系统的压力超过允许范围，并考虑留有一定的余量。

(4)压力安全系统包括无放散的安全装置和带放散的安全装置。全开启式安全放散装置仅可作为连接无放散安全装置的次级安全系统。放散至大气中的燃气量要尽可能少。

(5)在确定运行原则时要考虑为任何压力升至高于允许限值的情况提供充分的保护措施。在确定安全系统设定值(不超过 MIP)时，还要考虑系统的反应时间。

(6)监控调压器的设置值不得超过TOP。如果报警系统或站内监控频繁观察到在短时间内监控调压器接管主调压器，则MIP(替代TOP)可以考虑作为设置值。

(7)如果使用安全放散装置，则设置值不得超过MIP。

对于调压系统所需安全系统的应用规定如下表所示：

表5 调压系统所需安全系统的应用

其中：

MOPu—最大上游操作压力

MOPd—最大下游操作压力

MIPd—最大下游事故压力

STPd—下游强度试验压力

根据EN 12186—2000的原则和压力概念划分，调压系统各参数之间的关系见图5：

图5 EN 12186—2000调压系统各参数之间的关系

其中：

STP—强度试验压力

MIP—最大事故压力

TOP—临时操作压力

OP—操作压力

MOP—最大操作压力

SP NOM 3—安全切断阀的最大设置压力

SP NOM 2—监控调压器的最大设置压力

SP NOM 1—工作调压器的最大设置压力

AC—调压器精度

AG—安全切断阀精度

根据该规范，对于高压燃气输送系统(MOPu为3.0～6.0 MPa；下游设计压力0.4 MPa，则MOPd为0.37 MPa)，采用2级调压、双回路调压系统(其中调压器精度和切断阀精度按 1%计)的应用实例如图6所示：

图6 EN12186-2000应用实例

表6 EN 12186—2000应用实例调压系统参数单位：MPa

5 国内外燃气调压系统参数设置的异同

通过对国内外对燃气调压系统参数设置标准和应用进行对比可以发现两者在系统内调压器数量和安全装置的选取方面认识相近。但在系统内压力概念的划分、系统内设备工艺设计等方面存在不同之处：

5.1 系统压力概念差异

(1)设计压力：国内将设计压力作为系统内所有压力参数的上限。欧盟标准则要求MOP不得超过设计压力，而监控调压器和安全切断阀的压力均可超过设计压力，但不得超过MIP。此外对MIP值的设置上限充分考虑了设施所进行的强度试验压力值。因此相较而言，在同等设计压力下，采用欧盟标准，则管线系统的运行压力和输配效率较高。

(2)安全切断阀和安全放散阀压力：国内将安全切断阀设置值设为低于安全放散阀压力，即先切断后放散。欧盟标准则先放散后切断，可充分发挥安全装置的功能。

(3)监控调压器压力：国内虽然有安装监控调压器（压力调节控制设备）的要求，但却无监控压力设置的具体标准。若按常识，将监控调压器压力设置值介于主调压器和安全切断阀压力之间，则监控调压器压力值同主调压器的压力设置值较为接近，一旦主调压器发生故障，则可能导致监控调压器反应不及，进而导致调压回路切断。欧盟标准则对监控调压器的是否适用及其参数设置有明确的要求。

5.2 调压系统内设备工艺设计差异

相比之下，欧盟标准采用了在主调压器下游侧设置止回阀的工艺设计。其利用止回阀防止逆流的工作原理，将安全切断阀的取压点、监控调压器的取压点以及安全放散阀设置在止回阀之前。这样的工艺设计至少能有三个作用：

(1)能够有效保护安全切断阀和监控调压器免受下游管线系统压力波动的影响，提高调压系统的稳定性；

(2)一旦安全放散阀起跳，可以最大限度地减少安全放散量；

结合先放散后切断的参数设置，在最大程度上保障下游用户的连续供应，并能够在短时间恢复调压系统正常工作。

6 结论和建议

以笔者从事燃气输配工作的经验和教训来看，在当前城市燃气销售/输配企业面对天然气市场需求大发展的局面，苦于寻求提高管输效率、提高输配系统安全稳定性的突破的情况下，不妨深入研究本已借鉴的国外标准，将其在对管输和调压系统所进行系统性的考虑和设计、对调压系统稳定性的考虑和设计以及对设施所在环境影响的考虑和设计，结合国内实践经验，取长补短，为天然气市场和安全运行提供进一步的保障和支持。