下载文档原格式
论燃气输配调度管理系统的设计以及应用作者：满乐祥来源：《城市建设理论研究》2013年第04期摘要：近几年随着国家大力发展天然气产业，对燃气企业燃气输配管理信息化要求越来越高。
逐步建立起燃气数据采集与监控系统（SCADA）、地理信息管理系统（GIS）、安防系统、车辆调度管理系统（GPS）、辅助决策系统（包括管网仿真、负荷预测系统）等多个燃气调度输配管理信息化管理子系统，这些系统的建立极大地提高了企业管理水平、经济效益和管网运行的安全性。
本文主要提出燃气输配调度管理系统建设的设计思路和方法。
关键词：输配调度；SCADA；GIS；GPS中图分类号：TU996.6文献标识码：A文章编号：1．系统组成及功能燃气输配调度管理系统为燃气企业对燃气生产、产销、管网运行状态、设备资产管理、用气安全管理等提供现代化的管理手段。
它对提高燃气管网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现燃气输配调度自动化与现代化。
燃气输配调度管理系统由SCADA系统、GIS系统、GPS系统、安防系统、辅助决策支持系统（管网仿真系统、负荷预测系统、泄露检测定位）等子系统组成，各子系统提高了燃气企业生产管理、设备管理、安全管理、急抢修管理、辅助支持等五大部分管理手段和效率。
输配调度各子系统具有以下功能：1.1 SCADA系统SCADA系统融合了先进的计算机技术、现场总线技术、网络通信技术、数据库技术、HMI技术、控制技术等，实现对燃气管网系统的进气、计量、输配、调压全过程的监控、管理和调度，能实现生产信息、管网状况的自动化收集、分类、传送、整理、分析和存储，为其他信息化系统提供基础数据。
SCADA系统主要实时监测管网运行数据、动态显示管网运行流程图、显示采集的历史/实时趋势、下达调度和操作命令、报警和事件管理、网络监视和管理、生成各种数据报表等功能模块组成。
1.2 GIS系统GIS系统为用户提供一套管理燃气输配管网空间及属性信息、实现数据的综合查询、统计及输出、可以有效进行紧急事故处理、并可与SCADA系统、客户信息系统集成使用的管理系统。
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Q min ＜Q ≤0.2Q max 时，涡轮流量计的计量精度不低于2%，当通过流量Q 在0.4Q max ＜Q ＜0.8Q max 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。
《压缩天然气供应站设计规范》（GB51102-2016）1 总则1．0．1 为使压缩天然气供应站设计符合安全生产、保障供气、技术先进、经济合理、环境保护的要求，制定本规范。
1．0．2 本规范适用于城镇燃气工程中下列压缩天然气供应站的设计：1 压缩天然气加气站；2 压缩天然气储配站；3 压缩天然气瓶组供气站。
1．0．3 压缩天然气供应站设计除应符合本规范的规定外，尚应符合国家现行有关标准的规定。
2 术语2．0．1 压缩天然气 compressed natural gas(CNG)压缩到压力不小于10MPa且不大于25MPa的气态天然气。
2．0．2 压缩天然气供应站 CNG supply station压缩天然气加气站、压缩天然气储配站、压缩天然气瓶组供气站的统称。
2．0．3 压缩天然气加气站 CNG filling station将由管道引入的天然气经净化、计量、压缩后形成压缩天然气，并充装至气瓶车、气瓶或气瓶组内，以实现压缩天然气车载运输的站场。
2．0．4 压缩天然气储配站 CNG storage and distribution sta-tion采用压缩天然气瓶车储气或将由管道引入的天然气经净化、压缩形成的压缩天然气作为气源，具有压缩天然气储存、调压、计量、加臭等功能，并向城镇燃气输配管道输送天然气的站场。
2．0．5 压缩天然气瓶组供气站 multiple CNG cylinder installa-tions station采用压缩天然气瓶组储气作为气源，具有压缩天然气储存、调压、计量、加臭等功能，并向城镇燃气输配管道输送天然气的站场。
2．0．6 压缩天然气汽车加气站 CNG refuelling station将压缩天然气加注至汽车燃料用储气瓶内的站场。
2．0．7 压缩天然气瓶车 CNG cylinders transportation truck将由管道连成一个整体的多个压缩天然气储气瓶固定在汽车挂车底盘上，设有压缩天然气加(卸)气接口、安全防护、安全放散等设施，用于储存和运输压缩天然气的专用车辆，简称气瓶车。
城市天然气厂站中调压计量系统的设计吴筱峰(中国市政工程中南设计研究总院,湖北武汉430010) 摘 要: 论述了城市天然气门站、调压站、加气站中调压计量系统的工艺流程和设备选型与配置。
关键词: 天然气厂站; 门站; 调压站; 加气站; 流量计; 调压器中图分类号:T U996 文献标识码:B 文章编号:1000-4416(2010)07-0A21-04D esi gn of Pressure Regul a ti on and M eter i n g Systemfor C ity Na tura l Ga s St a ti on sWU Xiao2feng Abstract: The p r ocess fl ow,equi pment type selecti on and configurati on of p ressure regulati on and metering syste m for city natural gas gate stati on,regulat or stati on and gas filling stati on are described. Key words: natural gas stati on; gate stati on; regulat or stati on; gas filling stati on; fl owme2 ter; regulat or 现代化的城市天然气输配系统是复杂的能源综合设施,由不同压力级制的输配管网、各类天然气厂站(门站、调压站、加气站等)和信息采集、管理维护等软、硬件系统组成[1]。
根据各种类型的城市天然气厂站如城市天然气门站、调压站和CNG标准加气站的运行和供气特点,在设计时其调压计量系统采取不同的配置和选型,本文对此进行探讨。
1 天然气门站[2、3]1.1 工艺流程天然气门站是城市天然气输配系统的气源点,应具备过滤、调压、计量、安全切断、运行路和备用路自动切换等主要功能,确保供气的连续性、安全性和稳定性。
为保证天然气门站供气的可靠性,在其计量单元和调压单元均设有备用路[4]。
门站调压计量系统工艺流程见图1。
① 计量单元在进站高压流量计之间设计对比流程[1],在两个并联流量计之间增加串联回路。
在流量计标定图1 门站调压计量系统工艺流程时,将其中任一路的流量计临时更换为标准气体流量计,即可对另一路流量计进行标定。
此设计方案的优点是可使标准气体流量计和被检测的流量计均在相同的压力条件下运行;缺点是由于标准气体流量计的某一组仪表常数是在与之相应的操作条件不变的情况下测得的[5],在对串联的被检测流量计进行标定时,运行工况会因天然气门站对外供气而发生变化,因此需对标准气体流量计本身在不同压力条件下进行检定,以保证其仪表常数的准确性和有效性。
② 调压单元每一调压路均采用两台调压器串联连接而成。
监控调压器给定出口压力略高于工作调压器的出口第30卷 第7期2010年7月煤气与热力G AS&HE ATVol.30No.7Jul.2010压力,正常情况下,监控调压器的阀口全开,当工作调压器失灵,出口压力上升到监控调压器的出口压力设定值时,监控调压器投入运行。
当运行路发生事故,出口压力仍然上升,运行路上的超压切断阀发生作用,将运行路关断,备用路能自动运行供气。
运行路和备用路的工作调压器和监控调压器的出口压力应为不同的设置。
调压器出口压力的设定值按从大到小的顺序排列依次为:运行路监控调压器、运行路工作调压器、备用路监控调压器、备用路工作调压器。
调压器均采用故障开型,即当工作调压器出现故障时为开启状态,此时该调压器后压力上升,从而启动监控调压器。
1.2 流量计选型设计上游供气方对门站的供气计量为贸易交接计量,随着计量技术的不断发展,贸易交接计量采用的流量计已由过去的孔板流量计、涡街流量计发展到目前较为认同的涡轮流量计和超声波流量计。
① 超声波流量计公称直径为80～1200mm,适用温度范围为-40～180℃,公称压力≤25.0MPa,计量精度等级为0.5级,量程比可达1∶130,可双向计量,无压力损失。
流量计上、下游直管段最小长度要求:当无整流器时上游为10D(D为接管管道外径,以下同)、下游为3D,有整流器时上游为5D、下游为3D。
② 涡轮流量计公称直径为50～600mm,适用温度范围为-10～65℃,公称压力≤4.0MPa(公称压力>4.0MPa 时需进口或特殊订货),计量精度等级为0.5级,量程比可达1∶20、1∶30、1∶50。
单向计量,对输送介质有最低压力要求,流量计本体压力损失为0.2～1.0 kPa。
流量计上游直管段最小长度为2D,有条件时上游为20D、下游为5D。
③ 选型建议在实际工程中,不同结构形式的计量仪表,即使是同等级计量精度也会存在差异。
用于贸易交接时建议采用计量精度等级为0.5级的计量仪表。
通常情况下,当压力大于4.0MPa、公称直径径大于600 mm时,建议选用超声波流量计。
1.3 调压器选型设计目前运行的城市天然气门站多采用截止式调压器和轴流式调压器,这两种调压器均为间接作用调压器,即通过指挥器与主调压器联合作用实现调压。
① 截止式调压器调压器的阀口为非全通径(即阀口全开口径比调压器口径要小),阀体采用铸造,少数部件锻造,制造成本比轴流式调压器低。
气体下进上出,在调压器内做逆“Z”字形流动,一方面气体会产生气蚀,冲刷阀体死角;另一方面气体在阀体内2次转弯会产生一定压力损失和较大的噪声。
② 轴流式调压器调压器阀体采用锻钢制造,与铸钢相比锻钢的金属晶粒更细、更致密,从而具有更高的强度和金属致密度,锻钢阀体在高压工况下使用安全性更高。
气体通过调压器时为直线(轴向)流动,不会产生气蚀。
调压器阀口为全通径(即阀口全开口径与调压器口径相同),一方面阀体阻力小、流态好、同等工况下产生的噪声比截止式调压器小,同等口径、同等压力下,轴流式调压器的额定流量要高出截止式调压器15%以上;另一方面,气体携带的微小固体杂质(灰尘等)不易淤积在阀口造成调压器关闭不严等故障,在实际应用中轴流式调压器故障率要低于截止式调压器。
③ 选型建议同等规格的轴流式调压器价格要高出截止式调压器25%以上,但从调压性能、流通能力及运行维护等方面综合考虑,轴流式调压器的整体性能要优于截止式调压器,尤其是在高压(压力>2.5MPa)工况下,轴流式调压器安全性更高。
实际工程证实,轴流式调压器具有噪声低、流量大、故障率低的优点。
建议在城市天然气门站的调压器选型时优先考虑采用轴流式调压器。
2 调压站[6～10]调压站按使用功能可分为区域调压站、专用调压站和调压箱(柜)[11]。
2.1 区域调压站区域调压站流程与城市天然气门站基本相同,为保证供气的可靠性和稳定性,设计采用两路及以上(除运行路、备用路外,可根据工程具体情况预留调压路),每一调压路均采用两台调压器串联连接而成。
2.2 专用调压站专用调压站特定向单一用户供气,供应对象多为用气量较大的工业用户,其特点是供气量大、稳定性要求高(一般要求为24h连续供气),一旦出现停第30卷 第7期 煤气与热力气事故将给供气对象造成巨大的经济损失。
对于此类调压站设计时采用两路(一用一备),选用计量精度等级为0.5级的计量仪表以满足贸易计量要求。
2.3 调压箱(柜)用户调压箱(柜)的功能是接受城市中压管网来气,并将天然气压力降至2500～3000Pa,输送至庭院低压管道供应居民用户使用[11]。
调压箱(柜)工艺流程(采用两路调压)见图2。
图2 调压箱(柜)工艺流程调压单元设计为两路或一路加旁通管,采用截止式调压器。
采用两路调压的系统正常工作时,一台调压器工作,另一台作为备用(关闭状态)。
调压器均采用故障开型,当工作调压器发生故障、出口压力高于设定值时,运行路的切断阀关闭、出口压力降低,当下降到备用调压器的设定出口压力时,备用调压器自动启动工作。
运行路切断阀动作压力应小于备用路切断阀动作压力。
此外,当用气异常增大或进口压力降低造成运行路出口压力下降时,备用路投入运行,两条调压路同时工作,满足增大的用气需求。
如无特殊要求,可不设置计量单元。
3 CNG 标准加气站[12～17]3.1 工艺流程CNG 标准加气站从城市天然气输配系统的输气管道上取气,进站的原料天然气先进行过滤、调压、计量,再通过脱硫、脱水装置有效地脱除原料天然气中所含的H 2S 、水分,使其达到《车用压缩天然气》G B 18047—2000的要求,再由缓冲罐缓冲后进入天然气压缩机增压至25.0MPa,加压后的成品CNG 经顺序控制盘、储气设施,再通过加气机给CNG 汽车加气。
3.2 进气调压计量系统CNG 标准加气站的核心设备是天然气压缩机,当压缩机进气压力较高时,可相应减少1～2级压缩,单位产气的压缩能耗相应降低。
在设计过程中应详细分析供气管道的运行工况,合理配置加气站进气调压系统,在保证压缩机稳定工作的前提下尽可能降低加气站压缩能耗。
加气站调压计量系统工艺流程见图3。
图3 加气站调压计量系统工艺流程加气站调压计量系统由进站紧急切断阀(电动或气动)、调压单元和计量单元组成。
由于加气站一般每日运行12～16h,调压单元可采用“1+1”结构,即“工作路+手动旁路”。
计量单元采用涡轮流量计,仅作为内部经营核算时可采用计量精度等级为1.0、1.5级的流量计;需与供气方贸易结算时,采用计量精度等级为0.5级的流量计。
3.3 调压器选型CNG 标准加气站所选用的天然气压缩机对第一级压缩的吸气压力有较高的要求,如超出其正常工作的吸气压力范围,压缩机无法正常启动。
① 进站压力较为稳定的条件下调压器选择当进站压力较为稳定时,调压器可选用截止式调压器,将进加气站的天然气压力调至压缩机正常工作的吸气压力范围内即可。
② 进站压力波动较大的条件下调压器选择以某一实际工程为例,进站天然气压力在0.6～1.6MPa 范围内波动,可供选择的天然气压缩机有两种规格:第1种进气压力为(0.8±0.2)MPa,4级压缩,排气量为828m 3/h,排气压力为25.0MPa,电动机功率为132k W ;第2种,压缩机进气压力为(0.5±0.1)MPa,4级压缩,排气量为720m 3/h,排气压力为25.0MPa,电动机功率为132k W 。
对应以上两种规格压缩机,有两套设计方案。
a .方案一选用2台排气量为828m 3/h 、压缩机进气压力为(0.8±0.2)MPa 的天然气压缩机,单位产气的压缩能耗为0.16k W ・h /m 3;选用轴流式调压器,设定调压器后压力值为0.8MPa (进气压力在0.8MPa 以下时,调压器具备直通功能)。
