天然氣調(diào)壓計量系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

上海自動化儀表四廠為了以后更加合理、高效的設(shè)計調(diào)壓計量系統(tǒng)，分別講述了調(diào)壓設(shè)備的工作原理，各種流量計的選型和優(yōu)缺點，還闡述了調(diào)壓計量設(shè)備的選型以及在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。總之，對于天然氣調(diào)壓計量設(shè)施的設(shè)計應(yīng)從技術(shù)、經(jīng)濟和維護(hù)管理等方面加以綜合考慮。對于每一個項目，必須通過選擇簡單有效的方案避免設(shè)計、施工、操作和維護(hù)中的問題，必須對每一個方案的優(yōu)缺點進(jìn)行評估，總結(jié)經(jīng)驗，提高設(shè)計質(zhì)量。

隨著城市經(jīng)濟的不斷發(fā)展，天然氣作為一種清潔、高效的能源，已經(jīng)成為人們生活當(dāng)中不可缺少的一部分，成為 21 世紀(jì)能源利用的主角。我國近十年完成了許多大型天然氣輸氣管道工程，其中使用的調(diào)壓計量系統(tǒng)是天然氣輸送行業(yè)的重中之重。隨著天然氣行業(yè)的大力發(fā)展，該系統(tǒng)具有更大的市場前景。

1 調(diào)壓器的工作原理及應(yīng)用

燃?xì)庹{(diào)壓器是通過自動改變經(jīng)調(diào)節(jié)閥的燃?xì)饬髁浚钩隹谌細(xì)獗３忠?guī)定壓力的設(shè)備。通常按照調(diào)壓設(shè)備的工作原理可分為直接作用式、間接作用式以及軸流式調(diào)壓器。

1.1 直接作用式調(diào)壓器

它由測量元件(薄膜)、傳動部件(閥桿)和調(diào)節(jié)機構(gòu)(閥門)組成。當(dāng)出口后的用氣量增加或進(jìn)口壓力降低時，出口壓力就下降，這時由導(dǎo)壓管反映的壓力使作用在薄膜下側(cè)的力小于膜上重塊(或彈簧)的力，薄膜下降，閥瓣也隨著閥桿下移，使閥門開大，燃?xì)饬髁吭黾樱隹趬毫謴?fù)到原來給定的數(shù)值。反之，當(dāng)出口后的用氣量減少或進(jìn)口壓力升高時，閥門關(guān)小，流量降低，出口壓力得以恢復(fù)。

1.2 間接作用式調(diào)壓器

它由主調(diào)壓器、指揮器和排氣閥組成。

當(dāng)出口壓力 p2低于給定值時，指揮器的薄膜就下降，使指揮器閥門開啟，經(jīng)節(jié)流后壓力為 p3的燃?xì)庋a充到主調(diào)壓器的膜下空間，又由于 p3大于 p2，使主調(diào)壓器閥門開大,流量增加，p2恢復(fù)到給定值。反之,當(dāng) p2超過給定值時,指揮器薄膜上升，使閥門關(guān)閉，同時作用在排氣閥薄膜下側(cè)的力使排氣閥開啟，一部分壓力為 p3的燃?xì)馀湃氪髿猓怪髡{(diào)壓器薄膜下側(cè)的力減小，又由于 p2偏大，故使主調(diào)壓器的閥門關(guān)小，p2也即恢復(fù)到給定值。燃?xì)鈨ε湔尽^(qū)域調(diào)壓站和大型用戶專用調(diào)壓站，基本上都采用間接作用式調(diào)壓器。

1.3 軸流式調(diào)壓器

調(diào)壓器由進(jìn)氣閥體、進(jìn)氣接體、出氣接體、出氣閥體、指揮器五大部分組成。進(jìn)氣接體內(nèi)裝有主閥調(diào)壓簧、高壓氣筒套、密封膠膜等。出氣閥體內(nèi)裝有固定閥座，閥座與高壓氣筒套組成密封副。當(dāng)指揮器關(guān)閉時，高壓氣筒套在主閥簧的作用下，緊貼在固定閥座上，將介質(zhì)關(guān)閉在調(diào)壓器內(nèi)；當(dāng)指揮器打開時，在指揮器先導(dǎo)氣的作用下，密封膠膜拉動密封膜壓盤壓迫彈簧，使高壓氣筒套離開固定閥座，指揮閥開啟越大，高壓氣筒套與固定閥座間的間隙越大，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)氣流壓力高低和流量大小的功能。軸流式調(diào)壓器是一種結(jié)構(gòu)新穎、密封嚴(yán)密、流通能力大、調(diào)壓穩(wěn)定的指揮式調(diào)壓器，調(diào)壓器內(nèi)件為不銹鋼制造，使用壽命長，具有超壓自動關(guān)閉，壓力恢復(fù)正常時自動開啟功能，安裝空間小，可安裝于任何位置。軸流式調(diào)壓器適合于城市門站，區(qū)域調(diào)壓站和燃?xì)馄啓C供氣，可用于天然氣、液化石油氣、空氣和其他非腐蝕性氣體。

1.4 調(diào)壓裝置的應(yīng)用

調(diào)壓裝置三級控制模式見圖 2。

在門站、壓縮天然氣供應(yīng)站和液化天然氣氣化站中，常由調(diào)壓單元將各個級別的氣源壓力調(diào)壓為≤0.4 MPa 后送入城鎮(zhèn)管網(wǎng)。調(diào)壓裝置是為了在燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中將不同壓力級別的天然氣壓力降低并穩(wěn)定在一個能夠使氣體得到安全、經(jīng)濟和高效利用的適當(dāng)壓力級別上。正常情況下，安全切斷閥和監(jiān)控調(diào)壓閥處于全開狀態(tài)，當(dāng)工作調(diào)壓器出現(xiàn)問題時，壓力上升到監(jiān)控調(diào)壓器的出口壓力設(shè)定值時，監(jiān)控調(diào)壓器就會開始工作運行[1]。當(dāng)運行路發(fā)生事故時，壓力繼續(xù)上升，運行路上的超壓切斷閥就會立即切斷供氣，備用路或者旁通路就開始運行繼續(xù)供氣以保證管道與設(shè)備的安全。因此，調(diào)壓器出口壓力的設(shè)定值按從大到小的順序排列依次為：運行路監(jiān)控調(diào)壓器>運行路工作調(diào)壓器>備用路監(jiān)控調(diào)壓器>備用路工作調(diào)壓器。調(diào)壓器均采用故障開型，即當(dāng)工作調(diào)壓器出現(xiàn)故障時為開啟狀態(tài)，此時該調(diào)壓器后壓力上升從而啟動監(jiān)控調(diào)壓器。其安全性較好，流程簡單，操作方便。

1.5 調(diào)壓器對計量的影響

當(dāng)天然氣流經(jīng)調(diào)壓器閥口時，壓力下降會導(dǎo)致流速急劇上升，強烈的壓力波動和高流速的沖蝕會沿氣流方向引起脈動流、噪聲和振動。當(dāng)流量計安裝在調(diào)壓單元后端時，脈動流、噪聲和振動將會引起流量計計量發(fā)生誤差。

2 流量計的分類

現(xiàn)階段我國應(yīng)用非常多的計量設(shè)備包括孔板流量計、羅茨流量計、渦輪流量計、超聲波流量計等，不同計量設(shè)備的性能以及適用范圍存在一定差異。

2.1 孔板流量計

孔板流量計的主要特點為結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡單牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用期限長，價格低廉，應(yīng)用范圍廣。但是由于流量系數(shù)與雷諾數(shù)緊密相關(guān)，所以測量范圍較窄，提供的量程比為 1:3，應(yīng)盡量滿足使用流量為滿量程的 30%～80%。

2.2 氣體羅茨流量計

氣體羅茨流量計是基于容積式測量的原理，用于精確計量流經(jīng)封閉管道的氣體總量。具有量程比寬、重復(fù)性好、精度高、始動流量小、對上游流速不敏感等優(yōu)點，非常廣泛地應(yīng)用在城鎮(zhèn)燃?xì)獾挠嬃拷Y(jié)算中，如餐飲業(yè)、賓館等工商業(yè)用戶的計量、輸配管網(wǎng)計量、燃?xì)庹{(diào)壓站計量以及工業(yè)和民用鍋爐等燃?xì)庥嬃俊Ａ_茨流量計的故障率比較低，性價比高，能適應(yīng)現(xiàn)場氣體流變化范圍的要求，現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)可由表頭直讀，可遠(yuǎn)傳，使用方便。但使用中應(yīng)注意在投產(chǎn)使用前要防止焊渣雜質(zhì)進(jìn)入流量計，并定期檢查以保證計量精度。該流量計安裝時一定要水平安裝。

2.3 氣體渦輪流量計

渦輪流量計的優(yōu)點是測量范圍(量程比)寬、重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)輕便、輸出為脈沖頻率信號、安裝維護(hù)方便、流通能力大，但是特性易受介質(zhì)物性和流體流動特性的影響，愈是高精確度其影響愈敏感。渦輪流量計具有較大的測量范圍，一般為 10:1，占空間小，條件合適時比孔板流量計更準(zhǔn)確，用于相對潔凈的天然氣干氣，非常佳使用流量是滿量程的 10%～80% [2]。不過這種流量計由于有活動部件，如渦輪、轉(zhuǎn)子等，因此要求的維護(hù)量較多。為了保證計量的可靠和準(zhǔn)確，渦輪和轉(zhuǎn)子流量計上游需安裝過濾器，且流量計和過濾器需要按時維護(hù)。非常佳使用流量在滿量程的 80%一下，還須大于流量計的非常小流量，所以不適合用于民用氣計量。對穩(wěn)定的流量來說渦輪流量計還是比較可靠的。

2.4 超聲流量計

綜上所述，對于天然氣調(diào)壓計量系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用需從技術(shù)、經(jīng)濟和維護(hù)管理等方面加以綜合考慮。首先，技術(shù)方面調(diào)壓計量設(shè)備必須滿足用氣設(shè)備的實際流量和壓力以及所需的場地條件，目前各處用地都比較緊張，所以在進(jìn)行調(diào)壓計量設(shè)計時，還要遵循設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、方便維護(hù)檢修的原則；其次，經(jīng)濟方面除了要考慮調(diào)壓計量設(shè)備的總體實際價格外，還要考慮附屬設(shè)備的安裝復(fù)雜程度；非常后，要對調(diào)壓設(shè)備具體安裝所在的城市管網(wǎng)管徑、流量以及工況下的壓力進(jìn)行綜合考慮設(shè)計。對于每一個項目，必須選擇簡單有效的方案，上海自動化儀表四廠避免設(shè)計、施工、操作和維護(hù)中的問題，對每一個方案的優(yōu)缺點進(jìn)行評估，總結(jié)經(jīng)驗，提高設(shè)計質(zhì)量。