天然气门站设计问题与方法

徐勇俊，方忠(新地能源工程技术有限公司，河北 廊坊 065001)

0 引言

随着天然气管道分支项目的深入建设，我国天然气管道正逐步向各个中小型城市扩展。在新通天然气管道的城市中，燃气基础设施的建设工作才刚刚开始，规模较小，天然气用户数量有限。因此，在天然气管道连接的初始阶段，天然气消耗量很小，但是随着天然气用户数量的不断增加，天然气消耗量也迅速增加。因此，在设计中小型城市天然气门站的过程中，下游市场的短期和长期天然气消耗通常会遇到显着差异。相关人员应深入分析城市天然气门站设计过程中短期和长期天然气消耗差异较大的问题，并提出了解决问题的方法和对策，以优化天然气门站的设计方法。

1 天然气门站的工艺流程

天然气门站是天然气长途管道的终端配气站，也是城市燃气传输和分配系统的气源站。实时监控进口天然气的压力，温度和其他数据以及测量和控制天然气流量，以确保天然气供应的安全性和稳定性，这是天然气门站的职责。天然气门站从高压长途管道接收高压天然气，然后对其进行除尘，过滤，储气，计量，压力调节和除臭等操作，然后对天然气进行分配，最后输送给下游城市中。天然气门站主要由绝缘保护，气液分离排污，支路测控，管道压力调节，超压保护和漏气报警系统组成。进入门站的天然气要经过分离器和过滤器去除杂质，从而确保天然气供应的质量。天然气门站配备有储气装置，以存储进入的气体。计量系统要准确测量天然气流量，确保天然气的贸易公平。调压系统要降低天然气压力，从而使压力满足分配要求。通过对天然气加臭，一旦天然气管道出现泄漏，可轻松闻到并进行识别。经过一系列处理后，天然气被输送到城市燃气分配网络。

2 天然气门站的设计中存在的问题

天然气门站是城市天然气输配系统的重要部分，负责城市居民天然气的日常供给，因此有必要确保天然气门站供气的安全性和稳定性，并进行准确的测量。天然气门站有很多监测点，生产现场条件复杂多变。为了满足天然气门站流量测量和生产监控的实时高精度要求，天然气门站流量监控系统的开发具有重要的现实意义。为了有效设计和管理天然气门站的站点控制系统，工作人员必须对天然气门站设计的常见问题进行深入分析，然后确定有效的天然气门站应用策略。

2.1 流量计和压力调节器的选择和配置不当

在设计下游市场的长期和短期天然气消费差异较大的城市门站时，如果仅以下游市场的长期天然气消费作为选择流量计的标准，则可能在压力调节器中出现问题。首先是流量计不能满足设计测量精度要求。在常用的涡轮流量计中，当通过流量Q在Qmin＜Q≤0.2Qmax时，涡轮流量计的计量精度不低于2%，当通过流量Q在0.4Qmax＜Q＜0.8Qmax时，涡轮流量计的测量精度最高。当通过的流量较低时，流量计涡轮不会旋转，并且无法测量到超过涡轮流量计的最小启动流速的水平。其次，在使用负载间接操作式调节器时，以下游市场的长期用气量为选择标准，由于短期的用气量小于调压器的最大压力。在允许的通量下，调节器的阀芯开度很小。当调节器的阀芯开度小于10%时，天然气在高温下会在很短的时间内高速通过调节器的阀座，并产生噪音，而且调节阀座也会出现磨损，并且调节阀芯会不断振动，打开的高度也不稳定，从而使调节器隔膜和密封结构由于磨损和劣化而缩短使用寿命[1]。

2.2 天然气预热单元的位置不合理

城市天然气门站与上游燃气管道中的天然气相连，由于下游城市燃气管网在中等压力下运行，而上游压力较高，因此调节器前后的压力差较大。在通过压力调节器调节天然气之后，在汤姆森-焦耳效应的作用下，天然气的温度下降约0.4～0.5 ℃。如果调压器前的天然气未充分预热，则减压后天然气的温度会降低，导致调压器后段管道的外表面会发生冷凝和冻结，容易在管道内形成液态或固态混合物，从而出现“冰堵”现象，影响调节器的正常运行。通常，在设计天然气预热过程时，为了提高换热器的使用效率，可以将换热器安装在一个单独的处理单元中，天然气预热单元和压力调节单元由集管隔开。在预热过程中还会出现这样的问题，当预热天然气以大流量进入集管时，集管中的天然气受到严重干扰，通过集管与外部环境进行热交换，导致天然气的热损失和温度降低，从而导致预热不良，不能达到温度要求。在耗气量少的情况下，进入集管的天然气流量小，因此，预热的天然气通过集管与外部环境进行热交换时，温度下降不明显，可以通过增加热水器的出水温度补偿天然气因热交换而产生的热量损失，因此不会影响调压前天然气的预热温度[2]。当下游天然气体消耗量显着增加时，管道中的流量增加，集管中天然气的干扰增加，集管之间的对流传热系数显着增加，从而增加了预热天然气之间的热交换。同时，用于天然气预热的热水器具有有限的升温能力，这不能完全补偿集管中天然气的热损失，最终导致天然气压力调整前的气体预热温度不符合设计要求，具体如图1所示。

图1 天然气预热单元示意图

2.3 过程参数检测装置的设置位置不合理

通常，在设计参数传感装置时，在集管的一端设置压力和温度传感装置，可以减少检测装置的数量，降低设备的成本，并减少设备泄漏点。但如果集管的较长时，集管上每个点的压力和温度并不完全相同，参数检测点离天然气操作点越远，偏差就越大。对参数进行测量时，参数检测仪器反映实际值并不标准。

3 设计方法

在设计短期和长期燃气消耗量差异较大的城市门站时，应将城市短期和长期燃气消耗量作为选择流量计和压力调节器的基础。天然气过滤装置和阀门，管道和集管的选择标准仍然基于长期的气体消耗[3]。

3.1 流量计的选择和配置

以涡轮流量计为例。流量必须至少为所选流量计的最大流量Qmax的20%。当20%Q1max＜Q＜Q1max时，可以使用两个小型流量计，一个使用，另一个做备用，并且通过的流量应位于40%～80%Q1max之间。随着天然气使用者的数量逐渐增加，天然气消耗也在增加。当20%Q2max＜Q＜Q2max时，可以使用两个大型流量计，一个使用，另一个做备用，并且通过的流量应位于40%～80%Q2max之间。因此，当Q1max＜Q＜20%Q2max时，流量控制设备应安装在流量计的下游，以使每小时下游的最大气体消耗量不超过小量程流量计的范围。如果下游每小时的燃气消耗量稳定增加到Q1max，可以使用大流量计更换，这样就符合测量精度要求。

3.2 调节器的选择和配置

选择调节器时，要根据入口和出口压力以及短期和长期调节器的设计流速，选择满足通过能力的调节器，同时还必须计算当流量Q=Q1max时，近期调压器开度K1≤90%，长期调压器开度K2≥10%。当流量Q=Q2max，长期调节器开度K2≤90%，从而降低调节器的噪音和压力。减少调节器的阀座的磨损，延长调节器的隔膜和密封结构的使用寿命，并确保调节器的稳定运行。天然气门站调压阀的配置应根据下游天然气消耗量进行选择。当下游气体消耗低时，使用通过量小的压力调节器，而当下游气体消耗高时，使用通过量大的压力调节器。同时安装调压器消音器，以减少天然气通过调压器时产生的噪音[4]。

3.3 天然气预热器的设置

在设计天然气预热过程，要防止天然气在预热后热量从集管中大量散失，必须将天然气预热装置与压力调节器串联连接，并且不单独安装预热过程单元。同时，为了提高天然气预热单元的效率，还可以在天然气预热单元之间建立连接管段，以实现相互备用。通过将天然气预热装置与压力调节器串联连接，不仅可以避免由于预热后集管散发大量的天然气热量而导致的温度下降，而且可以有效地利用天然气预热，降低燃气热水器的燃气消耗，提高天然气利用效率。

3.4 工艺参数检测装置的设定方法

为了防止仪器在长度较长的集管两端错误地检测过程参数，在设计过程参数检测仪器的测量点位置时，必须将其设置在工作支管部分。并且压力感应设备必须位于温度传感装置的上游，防止由于温度测量元件插入工作支管部分而引起的流体干扰而对压力测量精度产生影响。

4 结语

在设计天然气门站的过程中，工艺设备的计算，选择和配置应基于实际操作条件。特别是对于短期和长期燃气消耗差异较大的城市门站的设计，必须分阶段进行计算和选择流量计和压力调节器。天然气预热装置的设定位置必须与压力调节器串联，以防止天然气在预热后热量从集管中散失。工艺参数检测仪器应安装在工作分支管道中，以减少集管安装引起的测量误差。