不可中断供气工业用户的燃气设计研究

刘丽萍，陈鹏飞（合肥燃气集团有限公司，安徽 合肥 230075）

0 引言

不可中断供气工业用户，是指因生产工艺、燃烧设备特性或用气用途、性质等要求，停止供气将导致安全事故、人员伤亡、重大财产损失、环保事故、社会稳定等重大影响事件的天然气用户。这类用户一般具有用气量大、用气压力高、工艺复杂等特点。以HFRQ公司为例，目前供应不可中断供气工业用户有20 多例，共涉及的行业有汽车制造、新能源产业、光伏发电、晶圆生产制造等。经统计，这些用户普遍每天用气量在1 万立方米以上，用气压力多为中压。这些工业用户不可中断供气主要原因有以下三个：

（1）项目以天然气为燃料进行温度控制，中断供气会导致其工艺产生改变，直接影响加工后的产品质量，造成用户巨大的经济损失。

（2）项目采用天然气为原料对其生产工艺排出的废气进行消纳，一旦停供，大量的有毒有害气体就扩散到空气中，对环境造成巨大污染。

（3）项目以天然气为燃料，中断供气会导致设备内进入混合气体，影响设备的安全性。基于以上特性，对于不可中断供气工业用户应采用更特殊的工艺设计方案，以保障项目不停输的可靠性。

1 气源的设计

天然气管网在运行过程中可能存在突发停气的情况，这些突发情况包括工程接气、第三方施工损坏、管道腐蚀造成管网漏气等。为不可中断供气工业用户设置双路气源，主要为了保证一路气源因以上原因中断时，另外一路气源能够不间断供气。双路气源设计常采用的方式有以下两种。

1.1 两路市政管道分别接气

适用于项目周边管网较为成熟，已成环布置或有多个方向来气，此方案一般调压前须在厂区内布置两道线路。当选择的调压设备位置距离市政管道较远时，造价较高，因此，可在调压设备选址时结合周边管网及燃烧设备位置统筹考虑。如图1 所示。

图1 某工业窑炉项目双路气源示意图

1.2 利用阀门实现两个方向气源

附近仅有一路市政气源，第二路气源距离较远暂时无法接气时适用此方案。如图2 所示，利用阀门1把市政管道分为两路，当1 点处市政管道出现故障需要维修时，关闭阀门1、2，打开阀门3 即可实现不间断供气，当2 点处市政管道出现故障时，关闭阀门1、3，打开阀门2 即可实现不间断供气。

图2 某二期工业设备项目双路气源示意图

2 调压设备的设计

针对不可中断供气工业用户，其调压设备也要考虑双路设计，在设备工作时，两路调压一开一备，互为备用，保障用气的不可中断性。符合规范对于“连接未成环低压管网的区域调压站和供连续生产使用的用户调压装置宜设置备用调压器”的要求，常采用的调压器双路设计主要有以下两种形式。

2.1 两路气源，设置两座调压设备

此种方式结合中压双路气源设计，从两个不同的方向设置两座调压箱，可靠性较高。缺点是造价高，且占地较大，因调压设备与建、构筑物的安全间距要求较高，调压设备选址有一定难度，如图3 所示。

图3 调压设备备用方案示意图

2.2 设置备用路调压器

对于不可中断供气工业用户，内部结构选择工作调压器+备用路监控调压器组合设置方式，即采用2+0 型调压器。选用2 台型号完全相同的调压器并联，1 台为主路工作调压器，另外1 台为备用路的监控调压器，额定流量选择可以相同，也可以不同，工作调压器的设定压力根据下游燃烧设备的用气压力确定，监控调压器的设定压力略低于工作调压器的压力，如图4 所示。

图4 并联监控调压器（2+0）内部工艺流程图

其工作原理如下：当工作调压器发生故障或设备停机切换瞬间工作调压器响应不及时造成出口压力升高至紧急切断压力时，主路的紧急切断阀动作，切断气路。由于下游窑炉持续用气的影响，调压后管道内压力下降到监控调压器的驱动压力，监控调压器打开开始工作，出口压力略低于原出口压力。

本方案具有以下优点：

（1）工艺简单，经济节约，适用的场所比较广泛，节省占地和造价；

（2）只要监控系统正常或运行人员定期巡检，发现问题及时解决，就可以保证下游用户的供气安全和可靠性，是目前普遍运用于24 h 不间断供气用户的方式。

本方案存在的问题如下：

（1）备用路的出口压力低于正常出口压力，可能无法满足用户的用气需求。

（2）备用路的切断压力要高于工作路的切断压力很多，否则在工作路切断的时候，备用路也将被切断。

（3）虽然工作路备用路的切断压力有差别，但是在下游管道压力瞬时升高幅度很大的情况下，备用路仍然有可能同时被切断，造成停气。

如果忽略经济性和使用空间不足等问题，可跟用户沟通，将调压设备采用更为安全的备用类型—串并联监控调压器方式[3]，如图5 所示。

图5 串并联式监控调压器工艺流程图

其原理如下：当运行路工作调压器发生故障，出口压力升高，运行路监控调压器开始工作，如果监控调压器也发生故障导致下游压力升高，运行路切断阀关闭。由于下游继续供气，当下游压力下降至备用路工作压力以下时，备用路工作调压器启动，开始工作调压，如果备用路的工作调压器也不能正常调压导致压力升高，备用路监控调压器开始工作，从而保证不间断供气。串并联监控方式适用于对供气要求较高的大型工业用户。

3 调压器的监控

为了更好地服务用户，实现对重点用户的实时监测，及时解决在设备运行过程中出现的问题等，对不可中断供气工业用户、重要用户调压前/后可加装压力变送器等监控装置，通过4G/NB-Iot 直接上传压力变化数据到燃气公司的SCADA 调度系统，实现对调压器前、后压力变化的记录和实时监控、报警。例如：供给ZJC 二期工业设备某日压力低于设定值0.25 MPa，SCADA 系统报警提醒，运维部门通过控制阀门启闭，加大该项目附近的高中压流量及时解决压力低问题。

4 调压后管道的设计

4.1 缓冲的设置

4.1.1 设置缓冲的作用

当设备由停机状态到运行状态或由运行状态到停机状态时，调压器前后压差发生变化，此时调压装置在定压弹簧的作用下，逐渐启动（或关闭） 调压器阀口。从定压弹簧发挥作用到完全启动（或关闭）调压器阀口，需要一定响应时间（t），而这段时间内调压装置后管段内的燃气压力将发生较大变化，可能导致设备无法正常工作，或者调压器切断阀超压切断，导致生产设备停产。在调压器出口与设备间设置适当的缓冲管段或储气设施，第一是缓和因设备启、停造成的调压后管道内的压力波动，二是给予设备启动时所须的启动裕量，从而保证设备的平稳运行。

4.1.2 缓冲量的计算

以某三期窑炉项目燃气工程为例，其调压器出口设定压力P2s=181 kPa，标况小时用气量Q0=7 000 m3/h。由于窑炉由运行状态到停机状态所需的响应时间，要比其由停机状态到运行状态所需时间长，故本次以该窑炉由运行状态到停机状态来进行缓冲管长度的计算。

调压器完全关闭时，调压器后管段内压力Pt为：

根据《城镇燃气设计规范（2020 年版）》GB 50028—2006 第6.6.10 条第6 项对调压器的安全保护（放散或切断）装置的规定“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：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”的要求，即Pt

式中：P2s为出口设定压力；t为调压器响应时间；Q0为用气设备标况小时用气量（Nm3/h）；P0为标准大气压；V0为调压后缓冲体积；L为调压后缓冲管长度。

该项目采用指挥器作用式调压器，其响应时间较直接作用式调压器要长，一般按照5～10 s 进行考虑。将其调压器出口设定压力P2s=181 kPa，标况小时用气量Q0=7 000 m3/h，带入（2）（3）式，进行简单的计算，当调压器的响应时间为5 s 时，选V0=29.3 m3，L=154 m（φ508×7.9 口径钢管）。

4.1.3 缓冲设计

针对以上类型工业用户，其调压设备选址时不应距离燃烧设备过近，保证调压后有足够的空间设置缓冲管段，也可考虑采用储气设施（缓冲罐）。但值得注意的是：

（1） 缓冲罐属于压力容器，压力容器的设计、安装、运行、维护都需要具备相应的资质。

（2）缓冲罐的使用风险高，监督检验要求高的，长期不停气运行风险大。

（3）缓冲罐此类压力容器不停气检验周期较短，仅有1～2 年，增加了用户的检验成本和检验风险。而停气检验，影响不可停输工艺的安全供应。

如采用缓冲管段，只须随项目本身建设进行压力管道的监督检验和定期检验即可。因此一般情况下应减少缓冲罐的使用，对于不可中断供气项目方面尤其要注意，在空间允许的情况下，应采用更为可靠的缓冲管段。

4.2 管道设计压力

对于不可中断供气工业用户，其工艺管道设计时应综合考虑调压设备设置的切断压力、放散压力等因素对调压后管道设计压力的影响。如某调压设备出口设定压力为0.18 MPa（中压B），按照规范要求，“当调压器出口压力等于或大于0.08 MPa，但不大于0.4 MPa 时，安全切断阀的启动压力不应超过出口工作压力上限0.04 MPa”，调压设备的切断压力设置为0.22 MPa（中压A），综合考虑其切断压力、放散压力调压后管道设计压力应选择较高的压力级别（中压A） 更为可靠，可避免调压后管道跨压力级别运行风险，且运行和后期设备改造的压力富裕量也较大。

5 计量系统的设计

5.1 流量计的选型

考虑到用气的不可间断性，采用一用一备的流量计配置方式。在表具类型的选择上，大型工业项目中常采用的涡轮流量计及超声波流量计。需注意的是超声波流量无机械结构，一旦其电子部件出现故障，所有数据都无法查询，用于贸易计量存在一定风险。

5.2 数据远传

流量计内嵌4G/NB-Iot 模块，流量计直接通过4G/NB-Iot 连接到数据监控中心（大型不可中断供气工业用户、重要用户的数据直接连接到SCADA调度系统），通过以上手段，实现对温度、压力、标况瞬时流量、标况累积流量等数据的实时监控和数据收集。运维单位实行24 h 值班制度，对项目运行过程中出现的异常报警，可及时解决，保障用户的用气稳定性。

5.3 数据记录

带远传的流量计，后台数据库保存历史数据记录，当需要时可导出。数据记录是指流量计定时时间间隔（重要用户通常为5 min） 记录的流量计过程参数，记录永久保存。有了上述记录，当流量计发生异常情况时，一是可以及时通过及时上传的数据发现并解决问题，二是可通过查阅记录，为协商解决贸易结算提供一种依据，最大程度解决计量纠纷，保护供需双方的权益。

6 结语

综上所述，在为不可中断供气工业用户设计方案中，要详细了解用户的设备工艺详情和用户需求，在用户提供安全可靠的供气方案的同时，也要考虑设备和管网在运行全过程的安全性。

（1）对于不可中断供气工业用户，最重要的就是考虑备用设计，包括气源、调压设备、计量设备都要考虑备用，最大限度地保障其不可中断性。

（2）应当科学选择各设备工艺参数，设计方案应当根据用户设备工艺要求对调压设备内部结构、配置提出更加有针对性的要求，以供采购部门采购设备时进行参考。

（3）应科学选择调压设备出口压力、切断压力、放散压力。进行工艺管道设计压力选择时，考虑放散、切断压力等对调压后管道设计压力的影响。避免管道跨压力级别运行风险。

（4）为保证用户的用气稳定性，避免压力波动燃烧设备的影响，调压后管段设置管容应科学、可靠。

（5）建议在不可中断供气工业用户、重点用户等的管理中逐步引入远程压力监控系统，实现对重点用户、压力较高用户调压前后压力的有效监管，为用户设备的平稳运行提供更为可靠的保障。