天然气分输站场调压系统设置探讨

孙金玲，雷凌

（1.中石化石油工程设计有限公司 北京分院，北京 102200；2.中国石油集团 经济技术研究院，北京 100011）

0 概述

近十几年以来，天然气输气管道项目发展迅速，从西气东输、川气东送等横贯东西的国家级的输气大动脉到浙江、陕西、山东等各省内的输气支线等大小管道项目都陆续建成投产并平稳运行。

天然气输气管道的最终目标是在完成长距离输送天然气的基础上，为下游分输用户提供压力平稳、安全可靠的高品质天然气。压力控制是关键的技术之一，调压系统除了正确配置压力控制设备之外，还要保证当调压设备出现故障时，下游管道不超压，并能进行安全切断。本文以中石化天然气分公司济南-青岛输气管道二线工程为例，就压力调节系统的优化设计进行探讨。

1 相关标准规范

1.1 国内标准规范

《输气管道工程设计规范》（GB 50251—2003）[1]中，对分输压力控制进行了规定，其具体压力控制及安全装置设施的技术要求：

6.2.2 条文说明：为了保证对用户的供气量和供气压力，在配气站的每一用户管线都必须设置调压装置，对压力和流量进行调节和控制。

8.4.6 规定：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1.6MPa和进出口压力之比大于1.6时，可选择下列措施：

1）每一回路串联两台安全截断设备，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。

1.2 国外标准规范

由欧洲标准化委员会（CEN）2000年2月颁布的《气体供应系统-用于输送和分配的气体调压站-功能要求（Gas supply systems-Gas pressure regulating stations for transmission and distribution-Functional requirements）》（EN 12186）[2]标准中明确提出，在气体分输站当压力调节系统出现故障时，压力安全系统必须自动地实施，以防止系统下游气体压力超过允许的范围，同时还应考虑到系统压力测量和调节的偏差，并在8.3.3具体要求如下：

1）当MOPu≤MIPd或MOPu≤10kPa时，气体调压系统无须设置压力安全系统。

2）当MOPu>MIPd时，气体调压系统必须设置单个的（第一级）压力安全系统。

3）当MOPu-MOPd>1.6MPa，以及MOPu>STPd时，单个的（第一级）压力安全系统还须同时加上第二个安全装置，以增加系统的压力安全等级。

其中，MOPu—气体调压系统上游最大操作压力（Maximum Upstream Operating Pressure）。该压力是在正常操作条件下（气体调压系统和管道无任何设备/装置出现故障）可被连续地控制的。

MOPd—气体调压系统下游最大操作压力（Maximum Downstream Operating Pressure）。

MIPd—气体调压系统下游最大偶然出现的压力（Maximum Downstream Incidental Pressure）。该压力是气体调压系统和管道能够承受的。其压力可被压力安全装置所限制。

STPd—气体调压系统下游管道和设备强度测试压力（Downstream Strength Test Pressure）。

另EN12186的8.3.2压力安全系统的操作原则规定：若无放空设备，安全设备可以是一个监控阀、一个过压快速切断阀或者是一个过压切断阀。若有放空设备，安全设备可以是一个具有足够泄放能力的安全阀。但是安全阀不能在压力控制系统中独立使用，必须与一个监控阀或者一个过压切断阀联合使用，只能作为压力控制系统的第二级安全设备使用。

1.3 国内外标准规范对比分析

国内外规范对于压力安全系统的要求大同小异，仅对于两级压力安全系统的设置条件稍有区别。

表1 国内外标准规范对比Table 1 Standard specifications compared

EN12186的9.2强度试验是参考EN1594[3]，查阅EN1594的9.5.3强度试验压力为MIP+0.15MOP。由于不同压力下的MIP与MOP之间的系数是不相同的[2]，这需要根据下游管道的MOP具体分析。

以济青二线的分输站场为例，调压后下游管道的最大操作压力MOPd为4.0Mpa，根据EN1594的要求，强度测试压力STPd为1.15MOPd+0.15MOPd即1.3MOPd，这样看来，针对天然气长输管道的分输站场，在两级压力安全系统的设置原则上，国外规范比国内规范的要求更为严格。

2 调压系统的配置

气体压力控制系统的作用是保证输气管道能够安全、平稳、连续地为各下游用户供气。目前，天然气长输管道大多满足GB50251和EN1286设置两级压力安全系统的条件，配置有以下几种方式。

2.1 SSV（安全切断阀）+PCV（监控调压阀）+PV（工作调压阀）

SSV+PCV+PV的配置方式最大程度上保证了调压系统的可用性，避免由于工作调压阀故障引起突然停气。动作设定值为PSSV>PPCV>PPV。此配置广泛应用在西气东输、川气东送等国内大型输气管道项目中。

工作调压阀选用电动调节阀，在正常情况下系统为压力调节，确保系统下游压力不超过设定的压力，并可方便地在调控中心实现对其设定值的调整。当供气流量超过设定值时，控制系统将自动切换为流量调节，对用户供气量进行限量控制。

监控调压阀是安全调节系统中第一级安全设备，其作用是当工作调压阀出现故障时，保证下游不超压的同时维持下游的正常供气。正常情况下，监控调压阀因设定值高于工作调压阀而处于全开位置，当工作调压阀出现故障造成下游超压达到其设定值时，串联的监控调压阀将自动运行。监控调压阀采用自力式调压器，从动力到调节回路均与工作调压阀不同，提高了系统的可用性和可靠性[4]。

自力式安全切断阀是压力安全系统中第二级安全设备，其动作的设定值高于工作调压阀和监控调压阀的设定值，正常时处于全开状态。当测量值大于安全切断阀的设定值时及时切断供气管路并发出报警信号，以保证下游设施的安全。安全切断阀关闭后，必须人工在现场确认关闭原因后才能将其开启。安全切断阀需取得不低于SIL2的安全认证。

济青二线即采用此配置。

2.2 SSV（安全切断阀）+SSV（安全切断阀）+PV（工作调压阀）

此配置在陕京线等输气管道项目有应用。每一回路串联两台安压全截断设备，两台切断阀对系统进行双重保护，此配置安全系数较高，在下游超压的情况下可迅速切断管路。缺点是一旦工作调压阀出现故障，即切断下游供气，影响供气的连续性。动作设定值为PSSV1=PSSV2>PPV。此配置适合下游用户用气压力比较平稳，自力式调压阀口径较大（调压阀口径大于等于DN300）的情况。

图1 SSV（安全切断阀）+PCV（监控调压阀）+PV（工作调压阀）Fig.1 SSV (safety shut off valve) +PCV (monitoring pressure regulating valve) +PV (working pressure regulator)

图2 SSV（安全切断阀）+SSV（安全切断阀）+PV（工作调压阀）Fig.2 SSV (safety valve), +SSV (safety shut off valve) +PV (working pressure regulator)

图3 SSV（安全切断阀）+PV（监控调压阀）+PCV（工作调压阀）Fig.3 SSV (safety shut off valve) +PV (monitoring pressure regulating valve) +PCV (working pressure regulator)

图4 SSV（安全切断阀）+PCV（监控调压阀）+PCV（工作调压阀）Fig.4 SSV (safety shut off valve) +PCV (monitoring pressure regulating valve) +PCV (working pressure regulator)

表2 MOP，peak level OP，TOP and MIP之间的关系。Table 2 Relationship between MOP,peak level OP,TOP and MIP.

2.3 SSV（安全切断阀）+PV（监控调压阀）+PCV（工作调压阀）

此方案中，工作调压阀采用自力式调压阀，监控调压阀采用电动调节阀。在流量超限时，系统将控制监控调压阀投入限流调节。优点是自力式调压阀调节速度快，可调流量范围宽。缺点是压力设定值不能远程修改，且若主皮膜故障会导致监控调压阀无法打开。此配置应用较少，曾应用在福建LNG长输管线项目中。

2.4 SSV（安全切断阀）+PCV（监控调压阀）+PCV（工作调压阀）

此配置工作和监控调压阀均为自力式调压阀，适用于在分输出口管道压力无需经常变更，且现场供电又无法保证的情况下。PSSV>PPCV1>PPCV2此配置应用较少。

3 调压系统各阀门压力设定值

国内标准规范GB 50251[1]对于压力控制系统中安全装置的配置方式给出了3种选择，但是没有给出各级压力设定值的设置，因此，设计时必须参考国外标准规范。EN12186[2]明确给出工作调节阀、监控调压阀、安全切断阀的压力设定值，是目前进行长输管道分输压力设计的主要依据。

EN12186中第8节压力控制部分的表2描述了MOP，peak level OP，TOP and MIP之间的关系。

另外，在EN12186确定了各阀门的压力设定值，其中8.2明确了压力调节系统设定值应不超过MOP；8.4.1规定安全切断阀的设定值应是MIP减去其精度正公差；8.4.2要求监控调压器的设定值不超过TOP。

表3 调压系统各阀门压力设定点Table 3 The pressure setting of the valve of the pressure regulating system

4 调压系统主备回路自动切换原理

为保证系统的可靠性，调压系统配置一般为一用一备或者多用一备的形式，这就需要考虑主、备路切换的问题。不同的配置有不同的实现方式，下面仅对济青二线采用的SSV+PCV+PV的配置形式进行阐述。对于不同的配置，各阀门的设定值也不相同，在设计时可根据经验初定，但需要在投产运行过程中进行不断摸索，调试出最合理的设定值，以保证调压系统的顺利运行、平稳切换。

4.1 通过前（后）阀门的自动开关实现

正常情况下主路供气，备用路上的前（后）电动球阀处于关闭状态。当主路的工作调节阀及监控调压阀出现故障时或者由于某种情况导致安全切断阀切断，为保证下游用户正常用气，通过站控系统手动打开调压前（后）开关阀、切换到备用路。

备用路PSSV>主路PSSV，约为1.05～1.1倍的主路PSSV，监控调压阀和工作调压阀的主、备路的设定值没有区别。

4.2 前后阀门均打开，通过PV的设定值实现

通过自动修改各调压回路的电动调节阀PV压力设定值，实现回路的自动切换。当主路电动调节阀正常工作时，备用回路的PV设定值低于主路PV设定值10%甚至更低。备用路的电动调节阀则处于关闭状态。

举例说明调压系统各阀门压力设定点。

从表3可以看出，此配置的PSSV备>PSSV主，约为1.05～1.1倍的主路SSV设定值，而备用路工作调压阀的设定值远远低于主路PV设定值。

正常工作时，主路负责调压工作，假设其出口压力值设定为4.0MPa，备用路切断阀、监控调压器处于正常调节状态，但是备用路电动调节阀此时的调节设定值为1.0MPa，由于主路出口压力大于备用路出口压力，故备用路气流无法流出。

当主路切断时，安全切断阀输出关闭信号到站控系统，站控系统控制备用路的电动调节阀的调节设定值由1.0MPa变为4.0MPa，备用路开始正常调节、供气。

济青二线的压力控制系统各阀门设定值暂按此设置，在投产运行过程中将不断调试、找出最合理的设定值，以保证调压系统的顺利运行、平稳切换。

5 调压控制器

调压系统的控制可以由专用的调压控制器实现，也可以是集成在站控系统内部，由站控系统实现。现阶段，多数项目的调压系统配套了调压控制器，此做法虽然可由调压橇厂家对整个调压系统负责，减少了业主协调的工作量，减少开车时的麻烦，但同时也增加了投资并增加了中间环节和故障点。若了解清楚各阀门的设定点及主、备回路的切换原理后，调压系统的控制功能完全可以由站控系统实现。

6 结论

天然气分输站场调压系统的设置关系到是否可以为下游用户提供压力平稳、安全可靠的高品质天然气，压力调节系统其配置具有多样性，不同配置的各阀门设定点以及切换方式也不尽相同。设计人员在进行配置时需综合考虑多种因素，并在投产运行过程中将不断调试、找出最合理的设定值，以保证调压系统的顺利运行、平稳切换。

[1]输气管道工程设计规范(GB50251-2003)[S].2003.

[2]BS EN 12186.气体供应系统-用于输送和分配的气体调压站-功能要求(Gas supply systems-Gas pressure regulating stations for transmission and distribution-Functional requirements)[S].

[3]BS EN 1594.气体供应系统-最大压力超过16bar的管道-功能要求(Gas supply systems-Pipelines for maximum operating pressure over 16 bar-Functional requirements)[S].

[4]王书惠.天然气长输管道分输压力控制系统技术研究[J].石油规划设计,2012,23(1):23-26.