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
Design of Pressure Regulation and Metering System for City Natural Gas Stations
WU Xiao-feng
Abstract：The process flow，equipment type selection and configuration of pressure regulation and metering system for city natural gas gate station，regulator station and gas filling station are described.
Key words：natural gas station；gate station；regulator station；gas filling station；flowmeter；regulator
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0.2～1.0kPa。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、公称直径大于600mm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。
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H2S、水分，使其达到《车用压缩天然气》GB 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。
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828m3/h，排气压力为25.0MPa，电动机功率为132kW；第2种，压缩机进气压力为(0.5±0.1)MPa，4级压缩，排气量为720m3/h，排气压力为25.0MPa，电动机功率为132kW。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828m3/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0.16kW·h/m3；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)。
b. 方案二
选用2台排气量为720m3/h、压缩机进气压力为(0.5±0.1)MPa的天然气压缩机，单位产气的压缩能耗为0.18kW·h/m3；选用截止式调压器，设定调压器后压力值为0.5MPa。
c. 方案比选
方案一的造价与方案二基本相当(只是方案一选用的调压器造价略高于方案二)，按标准加气站1.5×104m3/d的供气规模计算，方案一比方案二在压缩能耗方面每年可节约用电约13×104kW·h/a。故该工程采用方案一作为实施方案。
当进站压力波动较大时，合理地配置加气站进气调压系统，可以做到尽可能地利用进站天然气压力能、降低加气站压缩能耗、提高工程的经济性。
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(本文作者：吴筱峰 中国市政工程中南设计研究总院 湖北武汉 430010)
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