天然氣調壓站工藝方案設計實踐
一、調壓站用途
1999年東海天然氣開始供應上海城市燃氣，供氣能力期未將達到120萬米3／日，預計到2001年約有30萬米3／日天然氣需要平衡利用。與此同時，上海對能耗高、污染重的城市煤氣制氣廠提出了潔凈生產的新要求。2000年3月，上海市《關于加強本市環境保護和建設的實施意見》中，吳淞工業區環境綜合整治要求吳淞煤氣制氣有限公司在2002年完成結構調整。另外，根據2000年冬季高峰期的需求預測，也要求調峰能力相應提高，為此吳煤公司被批準實施天然氣改制和摻混改造工程。
天然氣改制和摻混工藝需要引入城市天然氣管網0.8～1.6MPa的天然氣，通過調壓站降壓，用于天然氣改制爐和摻混生產。二臺天然氣改制爐每天利用30萬米3天然氣，生產出66萬米3市用煤氣。改造后，吳煤公司日生產能力將從原來的180萬米3／日提高到220萬米3／日，全年可以削減廢水污染物76.0％，削減廢氣污染物74％以上，對吳淞工業區的削減污染效果有明顯提高。
二、調壓站設計參數的選定
1、調壓站進出口壓力的確定
天然氣改制爐主要生產工藝操作指標要求，加熱天然氣壓力為0.15 MPa，制氣天然氣壓力同樣為0.15MPa，改質氣增熱（摻混）用的天然氣壓力僅為0.01 MPa，而城市天然氣中壓管網壓力設計壓力為0.8～１.6MPa，因此，需要通過天然氣調壓站，將0.8～１.6MPa 天然氣降壓，才能滿足生產工藝要求。由于天然氣改制和摻混工藝對天然氣壓力要求不同，故對調壓站要求有二路不同的出口壓力。
2、調壓站供氣規模的確定
本次改造工程為兩臺天然氣改制爐，改制和摻混天然氣總量為30萬m3／d，考慮到吳煤公司今后將繼續進行相關改造，因此將天然氣調壓站額定流量確定為六臺天然氣改制爐改制和摻混的總量，即90萬m3／d（其中改制天然氣量為60萬m3／d，摻混天然氣量為30萬m3／d）。由于天然氣改制爐生產是間歇式的，即加熱和制氣循環交替進行，改制天然氣又分為加熱天然氣和制氣天然氣，其瞬時流量；
加熱天然氣：3048Nm3/h，
制氣天然氣：8332Nm3/h。
由于兩臺制氣爐設計為聯鎖運行，即一臺爐處于制氣階段時，另一臺爐正處于加熱階段。因此二臺改制爐生產時，
天然氣管道瞬時流量應為3048+8332=11370Nm3/h，
考慮到改制爐單爐生產能力的提高，故將最大瞬時流量確定為12000Nm3/h。所以按六臺改制爐同時生產計算：
改制用天然氣最大瞬時流量為12000m3/h×3=36000Nm3/h。
由于一臺改制爐所產改質氣為28萬Nm3/日（2800kcal/m3），再用5萬Nm3/d（9600kcal/m3）進行增熱至33萬m3/d（3800kcal/m3），當六臺改制爐同時生產時，所需摻混天然氣量：
摻混用天然氣最大瞬時流量為（50000÷24）×6=12500Nm3/h。
因此，天然氣調壓站的供氣規模設計應滿足天然氣改制與摻混改制所需最大流量要求，即改制用天然氣最大瞬時流量+摻混用天然氣最大瞬時流量=36000+12500=48500Nm3/h。
3、天然氣調壓站站址布置
吳煤公司天然氣改制和摻混工程改造屬老廠改造，必須因地制宜。由于城市天然氣管網運行壓力為0.8～１.6MPa，從安全角度考慮，調壓站到城市天然氣管網之間的距離越短越好。從現場情況來看，天然氣調壓站布置在公司東大門西北側，與2萬m3氣柜、往復式壓送機房，機爐主廠房相鄰的原廢鋼倉庫位置較佳，符合建、構筑物防火間距要求。天然氣調壓站與這些建、構筑物防火間距如下：
|
相鄰建構筑物名稱 |
現有間距（m） |
規范要求間距（m） |
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往復壓送機 |
12.98 |
12.0 |
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2萬米3氣柜 |
21.4 |
20.0 |
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機爐主廠房 |
13.0 |
12.0 |
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沉淀池 |
10.0 |
10.0 |
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廠東大道 |
10.0 |
10.0 |
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7.5萬米3氣柜 |
>25 |
25.0 |
三、調壓站的工藝方案的選定
為滿足天然氣改制與摻混工藝的需要,吳煤公司天然氣調壓站整個調壓系統需由以下部分組成：進口計量路、一級調壓路、二級調壓路、出口計量路。
1、進口計量路的設計方案
由于天然氣供應方在我公司調壓站前的城市天然氣管網上未設計量設施，因此，該調壓站必須設有用于貿易結算的計量裝置，并且按規定必須具備在線標定功能。這一段管路從與上游管路相連的進口管路到一級調壓路前的截斷閥（不包括截斷閥）為止。
設計流量:50000 Nm3/h，（按六臺改制爐改制與摻混生產要求）
天然氣輸送能力50000 Nm3/h，天然氣計量能力:最小45500 Nm3/h (0.6MPa考慮管網用氣高峰時)，最大110500 Nm3/h (預計管網壓力將升級到1.6MPa)，設計壓力2.0 MPa，設計溫度 -10℃～60℃，進口管徑選取DN300（在48500m3/h、進口壓力0.6MPa的情況下，管道中天然氣的流速為27.2m/s），進口管壓力等級為PN25。
根據系統流量和壓力，選擇符合貿易結算標準要求的德國ELSTER公司的G4000型渦輪流量計（帶EK-88流量結算儀），該流量計量程比為1300～6500m3/h。
為了防止天然氣管路中的雜質損傷到調壓站進口計量路上的渦輪流量計設備，需在調壓站進口處設置過濾分離設備。本工藝設計用旋風分離器和過濾器二級過濾分離設備，來濾除天然氣中夾帶的雜質，以確保渦輪流量計的正常使用。在旋風分離器前和過濾器后設旁通管，以備過濾分離設備檢修時，仍可連續供氣。
2、一級調壓路的設計方案
天然氣經過進口計量路后進入一級調壓路。天然氣的減壓過程為一級減壓方式。一級調壓路的作用是將進口壓力為0.6～1.6 MPa天然氣，通過調壓器減壓至0.15 MPa，以滿足改制爐生產用天然氣的工藝需求，同時為二級調壓路提供恒定、低壓的天然氣。一級調壓路由三條配置相同的調壓路構成，每路的設計流量為25000Nm3/h（按兩臺改制爐改制和摻混流量要求為12000+12500=24500 Nm3/h）。本次改造工程只安裝兩路，其工作方式為一開一備（熱備用模式）第三路的兩端分別安裝球閥與蝶閥，并用法蘭盲板封閉。當吳煤公司天然氣利用量增加到90萬m3/d時，只需卸下法蘭盲板，即可進行第三路調壓路的安裝。此時可通過安裝在管道中限流孔板的作用，以兩開一備的方式進行工作。一級調壓路天然氣輸送能力50000 Nm3/h，設計進口壓力最大19.2MPa，出口壓力0.15MPa，設計溫度-10℃～+60℃，一級調壓路出口管徑選擇DN400（在36000 Nm3/h的流量以及0.15 MPa的出口壓力下，管道中天然氣流速為31.80m/s），壓力等級選為PN25。根據進出口壓力和流量要求，一級調壓路一般選擇導閥控制式調壓器（出口壓力的變化通過放大控制主閥動作）。為避免調壓器導閥堵塞，一般在調壓器前設過濾器。在調壓器后設置緊急切斷閥,以防止由于意外原因所導致的調壓器下游壓力的非正常升高。調壓器能夠在進口壓力和流量波動的情況下，出口壓力恒定在0.15 MPa，以符合天然氣改制爐的工藝要求。兩條調壓路的配置如下：手控球閥，濾芯式過濾器，導閥式調壓器附緊急切斷閥，直接作用式安全閥，手控蝶閥。
3、二級調壓路的設計方案
天然氣經過一級調壓路減壓至0.15MPa，一路通往改制爐，另一路進入二級調壓路。二級調壓路的作用是將0.15MPa天然氣，通過調壓器減壓至0.01 MPa以滿足摻混天然氣進入摻混器壓力需要。二級調壓路由兩條配置相同的調壓路構成，每路設計流量為12,500 Nm3/h，工作模式為一開一備。二級調壓路天然氣輸送能力12,500 Nm3/h，設計壓力1.6 MPa，設計溫度-10℃～+60℃，管路尺寸進、出口DN400，壓力等級PN16。根據二級調壓路的進出口壓力和流量要求，一般選擇直接作用式調壓器進行調壓。在調壓器后設置緊急切斷閥,以防止由于意外原因所導致的調壓器下游壓力的非正常升高。與一級調壓路系統要求相同，二級調壓路中的調壓器也能夠在進口壓力和流量波動的情況下保證出口壓力恒定在0.01 MPa。出口壓力同時受到安全閥的保護。兩條調壓路的配置如下：手控蝶閥，直接作用式調壓器附緊急切斷閥，直接作用式安全閥，手控蝶閥。
4、出口計量路的設計方案
由于天然氣改制爐已設計天然氣流量計量裝置，故一級調壓路出口不設計量裝置。天然氣改制和摻混生產工藝中，將改質氣作為恒定低熱值氣源，操作工通過電動蝶閥遙控控制天然氣摻混量的大小，配置出滿足質量要求的城市煤氣，故需在二級調壓路出口設置流量計，以滿足生產工藝操作控制的需求。根據二級調壓路流量、壓力等級，選擇量程比為2000～10000m3/h 的德國ELSTER公司Q6500蝸輪流量計用于天然氣摻混量計量。考慮到30萬米3/日天然氣全部用于摻混的特殊工藝條件，即12500Nm3/h的流量以及0.01MPa的出口壓力情況下，二級調壓路出口管徑選擇DN400。
由上述進口計量路、一級調壓路、二級調壓路、出口計量路構成的吳煤公司天然氣調壓站工藝流程如附圖所示。
四、結論
由吳煤公司、中國市政工程華北設計研究院、上海飛奧燃氣設備有限公司共同參與工藝方案設計的天然氣調壓站，并由上海飛奧燃氣設備有限公司制造和完成現場施工，2000年12月19日投入運行。在天然氣改制爐生產和天然氣摻混生產中，調壓、供氣、安全保護等功能穩定可靠，滿足了生產工藝需要。由于在該工藝設計中在一級調壓路上已預留了第三路調壓路，為今后改造創造了條件，避免了重復建設，節省了建設資金。
采用二級調壓二級出口壓力工藝方案、供氣規模達48500Nm3/h的天然氣調壓站應用于城市煤氣廠天然氣改制和摻混工藝中，在國內也是第一次，不僅工藝可行，而且已得到吳煤公司成功實踐證明，值得同行在實施相關改造中借鑒。
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