城市天然气系统工艺主要设备.docx

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城市天然气系统工艺主要设备

城市天然气系统工艺主要设备

城市天然气输配系统一般包括门站、高压管道、高中压调压站、储配站、中压管网、中低压调压设备、SCADA等组成。

一、门站

门站主要功能负责接收长输管线分输站来气，一般经过滤、检测、计量、加臭后进入城市高压管道。

其主要设备包括过滤器、流量计、加臭装置、清管器发送器、检测设备及监控系统等组成。

1.过滤器

主要作用过滤上游来气杂质。

应选择维修时便于操作、便于更换滤芯的卧式带快开盲板的高效过滤器。

2.流量计

主要作用核对上游供气量。

其选择应尽量与分输站流量计形式相同。

分输站一般选用测量范围大、测量程度高、免于维护的超声波流量计。

3.加臭装置

主要作用向天然气管道中加入一定量的臭味剂，在有天然气泄漏时使人能够察觉到。

天然气加臭剂一般为四氢噻吩（THT），加入量一般为20mg/m3。

加臭装置正常工作应为自动的，根据天然气流量按设定的每立方米天然气加入THT量自动加入。

按加入原理可分为泵入和差压式。

4.清管器发送器

当高压管道内杂质较多，影响其输气能力需对高压管道清管时，启用门站内清管器发送装置，将清管器发送至高压管道。

5.检测设备

主要作用检测化验分输站供应的天然气质量。

主要设备为实流在线的气相色谱分析仪、H2S检测仪和灰尘检测仪等。

6.监控系统

门站作为独立的场站，为确保安全运行，设置自动控制系统和可燃气泄漏浓度检测系统，通过RTU向调度中心传送。

主要监测参数：

压力、温度、流量、压差、加臭量、阀门状态。

二、高压管道

根据高压管道的设计压力和埋设地段等级划分，进行高压管道设计（主要包括管材、壁厚等）。

高压管道采用钢管应符合《石油天然气工业输送钢管交货技术条件》GB/T9711.1的规定。

钢管直管段计算壁厚：

P—设计压力（MPa）

D—外径（mm）

δ—计算壁厚

σs—最低屈服强度（MPa）

φ—焊缝系数

F—强度设计系数：

一级地区：

0.72二级地区:

0.6三级地区：

0.4四级地区：

0.3

1.地区等级的划分

管道中心线两侧各200m范围内，任意划分1.6公里长并能包括供人居住的独立建筑物数量的地段。

一级：

≤12户

二级：

<80户

四级：

地上四层或四层以上建筑物普遍且占多数。

三级：

二级与四级之间

2.钢级对应关系

GB/T9711.1

API5L

l210

A

L245

B

L290

X42

L320

X46

L360

X52

L390

X56

L415

X60

L450

X65

L485

X70

L555

X80

3.燃气管道最小公称壁厚

计算壁厚按钢管标准规格向上选取钢管的公称壁厚，最小公称壁厚不应小于:

DN100—DN150—4.0mm

DN200—DN300—4.8mm

DN350—DN450—5.2mm

DN500—DN550—6.4mm

DN600—DN900—7.1mm

DN950—DN1000—8.7mm

4.高压管道附属设施

高压管道附属设施主要为分段阀门，分段阀门可采用电动球阀、气动球阀、气液联动球阀等，阀门可设地上或地下。

调度中心可进行遥测、遥控。

三、高中压调压站

高中压调压站的作用是将高压管道来气调压至中压。

工艺主要设备有过滤器、调压器、流量计和相应阀门等。

1.过滤器

选择结构简单、维修方便、带快开启板出管的立式或卧式过滤器。

2.调压器

一般选用调压精度高、安全保护性能强、噪音低的进口产品。

3.流量计

高中压调压站计量的作用是为调度提供参考数据，因此一般不需计量精度高、投资大的超声波流量计，选用价格较低的涡轮流量计。

4.阀门

选用操作快捷、方便的球阀（手动和电动）。

四、储配站

由于天然气门站接收长输管线分输站来气压力较高，因此城市调峰储配站内储气设施一般选用高压球罐储气较为经济合理。

储配站主要设备详见《天然气高压储配站主要设备》。

五、中压管网

1.管材

我国城市中压管网的最高运行压力为0.4MPa，一般城市运行压力0.2MPa，所用管材有钢管（螺旋焊、直缝焊）、PE管、球墨铸铁管和少量钢骨架聚乙烯复合管等。

钢管应符合《石油天然气工业输送钢管交货技术条件》GB/T9711.1-1997和《低压流体输送用焊接钢管》GB/T3091的规定。

PE管应符合《燃气用埋地聚乙烯管材》GB15558的规定。

机械接口球墨铸铁管应符合《水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件》GB/T13295的规定。

钢骨架聚乙烯塑料复合管应符合《燃气用钢管架聚乙烯塑料复合管》CJ/T125的规定。

2.阀门

推荐选用占用空间小、免于维护且地上操作的直埋式闸阀。

六、中低压调压设施

在环境条件较差时，采用中低压调压柜、调压箱是一种较为经济适用的形式，具有占地少，与周围其他建、构筑物水平净距小，便于实施等优点。

中低调压柜距建筑物外墙4.0m，距重要公共建筑物8.0m，距城镇道路1.0m即可满足规范要求。

调压箱可安装在用气建筑物的外墙上或悬挂于专用支架上，距建筑物门、窗等水平净距最大不应小于3.0m。

中低压地下调压箱距建筑物外墙3.0m，距重要公建6.0m。

调压柜（箱）应具有超压切断自动安全保护的功能。

国内外城市天然气管网技术特点

一、国外城市天然气管网技术特点

国外使用天然气的大城市一般都由天然气长输管道供气。

长输管道到达城市前在郊区设置1个或几个门站，做为城市天然气的气源站。

典型城市洛杉矶、多伦多、温哥华、香港等。

1.管道压力级制（MPa）

名称

长输管道

外环高压管道

市区次高压管道

中压管道

低压管道

洛杉矶

5.93～7.17

3.17

1.38

0.138～0.41

0.002

温哥华

6.62

3.45

1.20

0.41

0.0138

多伦多

9.65

1.9～4.48

1.2

0.41

0.0017

香港

—

3.5

0.4～0.7

0.24～0.4

0.0075～0.24

0.0075

①外环高压管道

从门站出来的高压输气管道分布在城市外围，其压力1.9～4.48MPa，环状或支状布局。

我国香港新界3.5MPa。

②市区内次高压管道

从市区外围的高压管道通过调压站降压后进入市区内次高压管道，一般次高压管道压力1.2～1.38MPa，我国香港本岛为0.7MPa。

③中压管道

中压管道的压力大多为0.4MPa（60PSI），我国香港中压管道压力最高为0.24MPa。

2.供气方式

高压输气、中压配气、低压供气方式。

3.管道的敷设

（1）敷设在高速公路以外的地区，外加套管可横穿高速公路。

（2）可以沿道路桥梁敷设，不受压力管道限制，但需考虑管道强度设计系数。

（3）燃气管道在车行道下最小复土深度为0.9m。

（4）钢管防腐：

除采用绝缘防腐外层外，另加阴极保护。

因为天然气的净水，管道内部不做防腐处理。

（5）因天然气为干气，管道一般不设凝水缸。

（6）DN200以下，压力≤0.4MPa的燃气管道主要采用PE管。

4.储气形式

洛杉矶、多伦多采用地下储气库储气。

温哥华采用天然气液化（LNG）储气。

香港采用输气干管储气。

5.调压站

（1）大、中型调压站

大、中型调压站大多以露天设置，调压装置区外设围墙、护栏，也有采用铁丝网罩予以保护。

（2）小型调压站

落地式调压柜

地下调压柜

用户调压装置：

调压器、煤气表设置于建筑外墙外。

二、国内城市天然气管网技术特点

国内大城市天然气输配系统一般门站、高压外环、高中压调压站、储配站、中压管网、中低压调压设施等。

1.管道压力级制（MPa）

根据《城镇燃气设计规范》GB50028-932002年局部修订条文，城市燃气管道按设计压力分为7级。

高压燃气管道A：

2.5＜P≤4.0

高压燃气管道B：

1.6＜P≤2.5

次高压燃气管道A：

0.8＜P≤1.6

次高压燃气管道B：

0.4＜P≤0.8

中压燃气管道A：

0.2＜P≤0.4

中压燃气管道B：

0.01＜P≤0.2

低压燃气管道：

P＜0.01

《城镇燃气设计规范》GB50028-93（98年版）城市燃气管道压力分为5级。

2002年局部修订条文与之比增加了高压A、B乙级，使城市燃气管道压力升至4.0MPa，同时相应提高了低压管道的压力。

修订的目的是配合我国“西气东输”的战略决策，使相应用气城市天然气工程设计有规可依。

2.典型城市天然气系统的举例

长沙为湖南省省会，全省政治、经济、文化和科教中心，现状市区建成面积120平方公里，市区人口175.5万人。

城市总体规划近期至2005年控制用地200平方公里，规划人口220万人，远期规划至2020年，规划建设用地350平方公里，人口350万人，属大型城市。

根据长沙市天然气利用工程可研，其天然气输配系统具有国内城市天然气输配系统的典型属性。

3.长沙市天然气输配系统的组成

长沙市天然气输配系统主要由门站、高压管道、高中压调压站、高压球罐储配站、中压管网、中低压调压设施、数据采集及控制系统（SCADA）等组成。

（1）门站

负责接收长输管线分输站来气，经过滤、检测、计量、加臭后进入高压管道。

（2）高压管道

布置城市外围，起输气兼一定储气的作用。

根据分输站来气压力为1.5±0.1MPa，确定高压管道的设计压力为2.5MPa，DN600，属高压B级。

（3）高中压调压站

将高压管道天然气调压至中压（调压站最高进气压力1.6MPa，出口压力0.2MPa），调压、计量区为露天的设置。

（4）中压管道

中压管道最高工作压力0.2MPa，设计压力为0.4MPa，属中压A级。

（5）高压球罐储配站

根据高压管网运行压力以及球罐设计技术条件、经济因素，确定选设计压力1.36MPa，单罐容积5000m3高压球罐7台。

用气较低峰时储气，用气高峰时出气。

（6）中低压调压设施

包括调压柜、调压箱，由中压最高0.2MPa调压至低压。

（7）原煤制气区铸铁管的利用

原煤制气铸铁管接口型式为机械柔性N型接口，丁腈橡胶圈密封，设计压力0.15MPa，现运行压力0.07MPa。

为充分利用现有铸铁管，天然气进入长沙后采取中中压调压措施，使之转换成输送天然气的需要。

原区域运行压力与之以外区域采取不同的运行压力级制。

（8）SCADA系统

为了提高输配系统的管理水平，达到安全、可靠供气且有预测分析运行工况，合理调度供气，输配系统设置SCADA系统。

调度中心监控主要内容有门站、储配站、高中压调压站、用气量较大用户调压站及高压管道、中压管道代表性监测点。

调度中心对被访问的参数进行随时采集和监控，实时数据通过系统进行处理、储存，实现对输配系统的监控和调度管理。

三、国内外城市天然气输配系统的主要差异

国内外输配管道的压力级制不论是高压、次高压、中压、低压无大差别，且供气方式基本相同。

其主要差异是储气方式的不同。

国外大城市储气调峰措施一般由地下储气库或低温液化天然气站解决，而我国基本上由城市储配站（高压球罐或低压储气罐）解决调峰。

产生这种差异的主要原因管理体制和运行模式不同造成的，我国应当学习国外运行模式，由长输管线部门采取相应储气措施解决各用气城市的调峰问题。

可大大减少各城市天然气工程的投资。

天然气高压储配站工艺主要设备

天然气高压储配站主要功能是用气高峰时向高压管道供气，用气较低峰时向站内高压球罐储气，一般储配站还具有向附近中压管网供气的功能。

高压储配站主要设备有高压球罐、过滤器、调压器、引射器、清管器接收装置以及相应阀门等。

一、天然气球罐

球罐的选择应根据高压管道的运行压力和高压管道有效储气量，经技术经济方案比较而定。

1.球罐技术参数

公称容积

球内直径

球壳材料

设计压力

球壳厚度

单球重量

3000m3

18m

CF-62

1.6MPa

38mm

325t

4000m3

19.7m

CF-62

1.45MPa

38mm

390t

5000m3

21.2m

CF-62

1.36MPa

38mm

475t

6000m3

22.6m

CF-62

1.27MPa

38mm

540t

8000m3

24.8m

CF-62

1.16MPa

38mm

635t

10000m3

26.8m

CF-62

1.07MPa

38mm

765t

2.技术参数的确定

（1）设计主要依据：

《钢制球形储罐》GB12337-1998；《钢制压力容器》GB150-1998；《球形储罐施工及验收规范》GB50094-98

（2）球壳材料

CF-62为抗拉强度为610MPa的高强钢，国内钢号07MnCrMoVR，国外钢号各公司不同。

由于目前国产CF-62钢板宽度相对较窄，故3000m3以上的球罐所需CF-62钢板需还引进为好。

（3）设计压力与设计壁厚

对于CF-62主要是将球壳厚度控制在不作整体热处理的厚度范围，因此该设计压力并不是相应容积下设计压力极限。

根据《钢制球形储罐》GB12337-1998和《球形储罐施工及验收规范》GB50094-98的规定，符合下列情况之一的球罐所在压力试验之前进行焊后整体热处理：

a.设计图样要求进行焊后热处理者。

b.盛装LPG、液氨等具有应力腐蚀介质的球罐。

c.当焊前预热100℃及以上时，名义厚度大于38mm的碳素钢球罐和07MnCrMoVR钢制球罐。

d.当焊接预热100℃及以上时，名义厚度大于32mm的15MnCrMoVR（名义厚度指设计厚度+钢板厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，不包括加工裕量）。

（4）设计温度及适应温度

最低设计温度：

10年来气象局实测逐月平均最低气温的最低值（指当月各天的最低气温值相加后除以当月的天数），对于环境温度低于-20℃的地区CF-62不适用，需选用低温容器钢板。

（5）安全阀的开启压力

球罐的设计压力不低于最高工作压力，当球罐安装多个安全阀时，其中一个安全阀的开启压力不应大于球罐的设计压力，其余安全阀启压力不得超过设计压力的1.05倍。

3.压力试验和气密性试验

除设计图样有规定外，不得采用气体代替液体进行压力试验，设计图样规定进行气压试验的球罐，气密性试验可与气压试验同时进行。

（1）压力试验

①液压试验

碳素钢试验用水温度不得低于5℃，其它低合金钢球罐试验用水温度不得低于15℃。

一般试验压力不小于球罐压力的1.25倍。

②气压试验

气压试验一般选用空气作为试压介质，特殊要求时亦可采用N2或其它情况气体。

由于气体具有可压缩性，因而气压试验具有一定的危险性，为了提高在气压试验过程中的安全性，升压至试验压力的10%、50%时保持10min进行相应观察、检察无异常现象后，再以10%的试验压力为级差，逐次升压至试验压力，并保持30min后，降至设计压力进行检查，无泄漏、无异常为合格。

（2）气密性试验

气密性试验是检验球罐严密性的重要手段，气密性试验在压力试验合格后进行。

其介质采用空气或N2，介质温度不得低于5℃。

4.球罐可不设置固定水喷淋冷却装置

根据《城镇燃气设计规范》GB50028-93，2002年局部修订条之天然气球罐可不设固定水喷淋冷却装置。

天然气球罐的储气容积是固定的，其储气量随储气压力变化而变化。

从燃气介质的性质看，与液态液化石油气有较大的差别。

天然气储罐内介质为单相介质，储存中无相变。

即使火灾时着火部位对罐内介质影响较小，其满度、压力不会发生较大变化。

因此，天然气气体、球罐可以不设置固定水喷淋冷却装置。

二.过滤器

主要作用过滤高压管道来气杂质，防止杂质进入球罐和损坏阀门等设备。

过滤器应选择维修时便于操作，便于更换滤芯的卧式带快开盲板的过滤器。

三.调压器

由于储配站具有向附近中压管网供气的功能，主要目的是为了增大球罐有效储气量，使球罐内无法输入到高压管道的部分底气进入中压管网。

目前设计一般选用进口产品，进口调压器具有调压精度高、安全保护性能强等优点。

四.引射器

主要作用是当球罐检修时，利用高压来气将罐内剩余底气引射至中压管网，以减少放散量。

一般储配站设1台引射器。

五.清管器接收装置

当高压管道因杂质较多，影响输气能力时，需进行清管，储气站内清管器接收装置主要作用是接收门站发射器的清管器。

六.阀门

站内主要操作阀一般选用球阀（包括手动球阀和电动球阀），为防止站外高压管道压力与球罐压力相差较大时，天然气进罐和出罐对高压球罐产生不利影响，在球罐进、出口设自动调节阀。

城市天然气设计思路

1.供气范围

以城市总体规划为依据，统筹考虑，近远结合，以近期为主，为远期留有一定发展余地。

2.供气对象

遵照市场经济规律，做好市场调研，根据市场需求确定供气对象。

3.供气规模

（1）年用气量

根据确定的供气对象和供气对象的耗气量确定工程年供气规模。

（2）计算流量

根据各供气对象的用气规律，确定其月不均匀系数、日不均匀系数和小时不均匀系数，确定各类用户的计算流量。

4.中压管网

（1）布置

根据供气对象的分布，确定中压管网的布置。

（2）管径

根据供气对象计算流量和中压管网气源点，通过中压管网的水力计算，确定中压管道管径。

（3）管材

可选用的管材有钢管PE管、球墨铸铁管、钢管架聚乙烯塑料管。

①钢管常用螺旋焊接钢管、直缝焊接钢管。

根据比较DN≥200采用钢管比PE管经济。

②PE管

根据《聚乙烯燃气管道工程技术规程》CJJ63-95的规定，工作温度

0

DN<200的管道采用PE管较为经济。

③机械柔性接口球墨铸铁管

其优点不像钢管必须进行绝缘外防腐和阴极保护，钢管和球墨铸铁管综合造价相当，有的城市的中压管道也采用球墨铸铁管。

④钢管架PE管

因其造价比钢管、PE管、球墨铸铁管高些，且为新产品，尚未广泛使用。

（4）阀门

推荐使用免于维护、占地小的直埋阀。

5.门站

（1）根据长输管线走向和城市总体规划的空间结构，选择门站站址。

（2）根据城市供气规模确定门站供气规模。

（3）根据门站供气规模确定站内设备。

且应当考虑发展预留。

6.高中压调压站

根据中压管网布局，兼顾远期发展需要和用气规模，确定高中压调压站数量及分布。

通过中压管网的水力计算，确定每座高中压调压站的设计规模。

7.高压管线

（1）走向

根据供气范围、高中压调压站分布以及城市道路情况，确定高压管线走向。

（2）管径

根据门站出口压力，高中压调压站的分布等，通过高压管道高低峰水力计算，确定高压管道的管径（即要满足低峰从门站至储配站输气的需要，又要满足用气高峰时储配站内球罐剩余压力不高的要求）。

（3）管材

根据不同钢级，通过钢管直管段计算壁度，在满足最小公称壁厚规定的条件下，尽量采用价格较低，可焊性较好的低钢板管材。

（4）地下管道与建构物水平间距

次高压距建筑物外墙（A级）δ≥9.5mm，6.5m；δ≥11.9mm，3m

高压距建筑物外墙（三级）δ≥11.9mm，钢级≥245，且采取有效保护措施，3.0m

高压管道不宜进入四级地区，如进入与建筑物净距（A级）30m，（B级）16m。

8.输配系统储气方案

根据分输站出口压力经过技术经济比较，确定储气方案。

储气方案有两类：

高压外环输气兼储气

高压球罐储气为主，高压环储气为辅

9.原有铸铁管道的利用

为充分利用现有人工煤气机械柔性接口球墨铸铁管，一般城市铸铁管道的设计压力为0.15MPa，实际运行压力为0.1MPa以下，转换成天然气后，通过中中调压措施，使原有铸铁途区域供气压力控制在0.15MPa以下，与其他区域实行不同的压力级制。

10.SCADA系统

为了加强对城市输配系统的安全运行管理，合理调度分配气量，较为科学准确预测用气量，提高燃气工程管理水平，城市输配系统设立SCADA系统。

SCADA系统主要包括数据采集、监控和通讯系统三部分：

（1）监控系统主要功能是监控管网的运行状况，包括门站、储配站、高中压调压站等，当任何一站出现问题，调度中心及时作出反映。

（2）数据采集系统主要作用实时采集各站点的天然气运行参数，并将参数传递到调度中心。

（3）通讯系统是调度中心与各外围站点间的传输通道。

主要方式为无线和有线通讯。

天然气工程是城市基础设施之一，对改善城市能源结构，改善城市空气环境质量，提高人民生活水平质量意义重大，合理确定供气范围、供气对象，准确预测供气规模，制定科学、合理的输配系统方案，可以大大减少工程投资，加快工程的建设，使建设单位投资省、见效快、取得社会效益、经济效益双丰收。