劉麗萍，陳鵬飛（合肥燃?xì)饧瘓F有限公司，安徽 合肥 230075）

0 引言

不可中斷供氣工業(yè)用戶，是指因生產(chǎn)工藝、燃燒設(shè)備特性或用氣用途、性質(zhì)等要求，停止供氣將導(dǎo)致安全事故、人員傷亡、重大財產(chǎn)損失、環(huán)保事故、社會穩(wěn)定等重大影響事件的天然氣用戶。這類用戶一般具有用氣量大、用氣壓力高、工藝復(fù)雜等特點。以HFRQ公司為例，目前供應(yīng)不可中斷供氣工業(yè)用戶有20 多例，共涉及的行業(yè)有汽車制造、新能源產(chǎn)業(yè)、光伏發(fā)電、晶圓生產(chǎn)制造等。經(jīng)統(tǒng)計，這些用戶普遍每天用氣量在1 萬立方米以上，用氣壓力多為中壓。這些工業(yè)用戶不可中斷供氣主要原因有以下三個：

（1）項目以天然氣為燃料進(jìn)行溫度控制，中斷供氣會導(dǎo)致其工藝產(chǎn)生改變，直接影響加工后的產(chǎn)品質(zhì)量，造成用戶巨大的經(jīng)濟損失。

（2）項目采用天然氣為原料對其生產(chǎn)工藝排出的廢氣進(jìn)行消納，一旦停供，大量的有毒有害氣體就擴散到空氣中，對環(huán)境造成巨大污染。

（3）項目以天然氣為燃料，中斷供氣會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)進(jìn)入混合氣體，影響設(shè)備的安全性?；谝陨咸匦?，對于不可中斷供氣工業(yè)用戶應(yīng)采用更特殊的工藝設(shè)計方案，以保障項目不停輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 氣源的設(shè)計

天然氣管網(wǎng)在運行過程中可能存在突發(fā)停氣的情況，這些突發(fā)情況包括工程接氣、第三方施工損壞、管道腐蝕造成管網(wǎng)漏氣等。為不可中斷供氣工業(yè)用戶設(shè)置雙路氣源，主要為了保證一路氣源因以上原因中斷時，另外一路氣源能夠不間斷供氣。雙路氣源設(shè)計常采用的方式有以下兩種。

1.1 兩路市政管道分別接氣

適用于項目周邊管網(wǎng)較為成熟，已成環(huán)布置或有多個方向來氣，此方案一般調(diào)壓前須在廠區(qū)內(nèi)布置兩道線路。當(dāng)選擇的調(diào)壓設(shè)備位置距離市政管道較遠(yuǎn)時，造價較高，因此，可在調(diào)壓設(shè)備選址時結(jié)合周邊管網(wǎng)及燃燒設(shè)備位置統(tǒng)籌考慮。如圖1 所示。

圖1 某工業(yè)窯爐項目雙路氣源示意圖

1.2 利用閥門實現(xiàn)兩個方向氣源

附近僅有一路市政氣源，第二路氣源距離較遠(yuǎn)暫時無法接氣時適用此方案。如圖2 所示，利用閥門1把市政管道分為兩路，當(dāng)1 點處市政管道出現(xiàn)故障需要維修時，關(guān)閉閥門1、2，打開閥門3 即可實現(xiàn)不間斷供氣，當(dāng)2 點處市政管道出現(xiàn)故障時，關(guān)閉閥門1、3，打開閥門2 即可實現(xiàn)不間斷供氣。

圖2 某二期工業(yè)設(shè)備項目雙路氣源示意圖

2 調(diào)壓設(shè)備的設(shè)計

針對不可中斷供氣工業(yè)用戶，其調(diào)壓設(shè)備也要考慮雙路設(shè)計，在設(shè)備工作時，兩路調(diào)壓一開一備，互為備用，保障用氣的不可中斷性。符合規(guī)范對于“連接未成環(huán)低壓管網(wǎng)的區(qū)域調(diào)壓站和供連續(xù)生產(chǎn)使用的用戶調(diào)壓裝置宜設(shè)置備用調(diào)壓器”的要求，常采用的調(diào)壓器雙路設(shè)計主要有以下兩種形式。

2.1 兩路氣源，設(shè)置兩座調(diào)壓設(shè)備

此種方式結(jié)合中壓雙路氣源設(shè)計，從兩個不同的方向設(shè)置兩座調(diào)壓箱，可靠性較高。缺點是造價高，且占地較大，因調(diào)壓設(shè)備與建、構(gòu)筑物的安全間距要求較高，調(diào)壓設(shè)備選址有一定難度，如圖3 所示。

圖3 調(diào)壓設(shè)備備用方案示意圖

2.2 設(shè)置備用路調(diào)壓器

對于不可中斷供氣工業(yè)用戶，內(nèi)部結(jié)構(gòu)選擇工作調(diào)壓器+備用路監(jiān)控調(diào)壓器組合設(shè)置方式，即采用2+0 型調(diào)壓器。選用2 臺型號完全相同的調(diào)壓器并聯(lián)，1 臺為主路工作調(diào)壓器，另外1 臺為備用路的監(jiān)控調(diào)壓器，額定流量選擇可以相同，也可以不同，工作調(diào)壓器的設(shè)定壓力根據(jù)下游燃燒設(shè)備的用氣壓力確定，監(jiān)控調(diào)壓器的設(shè)定壓力略低于工作調(diào)壓器的壓力，如圖4 所示。

圖4 并聯(lián)監(jiān)控調(diào)壓器（2+0）內(nèi)部工藝流程圖

其工作原理如下：當(dāng)工作調(diào)壓器發(fā)生故障或設(shè)備停機切換瞬間工作調(diào)壓器響應(yīng)不及時造成出口壓力升高至緊急切斷壓力時，主路的緊急切斷閥動作，切斷氣路。由于下游窯爐持續(xù)用氣的影響，調(diào)壓后管道內(nèi)壓力下降到監(jiān)控調(diào)壓器的驅(qū)動壓力，監(jiān)控調(diào)壓器打開開始工作，出口壓力略低于原出口壓力。

本方案具有以下優(yōu)點：

（1）工藝簡單，經(jīng)濟節(jié)約，適用的場所比較廣泛，節(jié)省占地和造價；

（2）只要監(jiān)控系統(tǒng)正常或運行人員定期巡檢，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，就可以保證下游用戶的供氣安全和可靠性，是目前普遍運用于24 h 不間斷供氣用戶的方式。

本方案存在的問題如下：

（1）備用路的出口壓力低于正常出口壓力，可能無法滿足用戶的用氣需求。

（2）備用路的切斷壓力要高于工作路的切斷壓力很多，否則在工作路切斷的時候，備用路也將被切斷。

（3）雖然工作路備用路的切斷壓力有差別，但是在下游管道壓力瞬時升高幅度很大的情況下，備用路仍然有可能同時被切斷，造成停氣。

如果忽略經(jīng)濟性和使用空間不足等問題，可跟用戶溝通，將調(diào)壓設(shè)備采用更為安全的備用類型—串并聯(lián)監(jiān)控調(diào)壓器方式[3]，如圖5 所示。

圖5 串并聯(lián)式監(jiān)控調(diào)壓器工藝流程圖

其原理如下：當(dāng)運行路工作調(diào)壓器發(fā)生故障，出口壓力升高，運行路監(jiān)控調(diào)壓器開始工作，如果監(jiān)控調(diào)壓器也發(fā)生故障導(dǎo)致下游壓力升高，運行路切斷閥關(guān)閉。由于下游繼續(xù)供氣，當(dāng)下游壓力下降至備用路工作壓力以下時，備用路工作調(diào)壓器啟動，開始工作調(diào)壓，如果備用路的工作調(diào)壓器也不能正常調(diào)壓導(dǎo)致壓力升高，備用路監(jiān)控調(diào)壓器開始工作，從而保證不間斷供氣。串并聯(lián)監(jiān)控方式適用于對供氣要求較高的大型工業(yè)用戶。

3 調(diào)壓器的監(jiān)控

為了更好地服務(wù)用戶，實現(xiàn)對重點用戶的實時監(jiān)測，及時解決在設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的問題等，對不可中斷供氣工業(yè)用戶、重要用戶調(diào)壓前/后可加裝壓力變送器等監(jiān)控裝置，通過4G/NB-Iot 直接上傳壓力變化數(shù)據(jù)到燃?xì)夤镜腟CADA 調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)對調(diào)壓器前、后壓力變化的記錄和實時監(jiān)控、報警。例如：供給ZJC 二期工業(yè)設(shè)備某日壓力低于設(shè)定值0.25 MPa，SCADA 系統(tǒng)報警提醒，運維部門通過控制閥門啟閉，加大該項目附近的高中壓流量及時解決壓力低問題。

4 調(diào)壓后管道的設(shè)計

4.1 緩沖的設(shè)置

4.1.1 設(shè)置緩沖的作用

當(dāng)設(shè)備由停機狀態(tài)到運行狀態(tài)或由運行狀態(tài)到停機狀態(tài)時，調(diào)壓器前后壓差發(fā)生變化，此時調(diào)壓裝置在定壓彈簧的作用下，逐漸啟動（或關(guān)閉） 調(diào)壓器閥口。從定壓彈簧發(fā)揮作用到完全啟動（或關(guān)閉）調(diào)壓器閥口，需要一定響應(yīng)時間（t），而這段時間內(nèi)調(diào)壓裝置后管段內(nèi)的燃?xì)鈮毫l(fā)生較大變化，可能導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作，或者調(diào)壓器切斷閥超壓切斷，導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備停產(chǎn)。在調(diào)壓器出口與設(shè)備間設(shè)置適當(dāng)?shù)木彌_管段或儲氣設(shè)施，第一是緩和因設(shè)備啟、停造成的調(diào)壓后管道內(nèi)的壓力波動，二是給予設(shè)備啟動時所須的啟動裕量，從而保證設(shè)備的平穩(wěn)運行。

4.1.2 緩沖量的計算

以某三期窯爐項目燃?xì)夤こ虨槔?，其調(diào)壓器出口設(shè)定壓力P2s=181 kPa，標(biāo)況小時用氣量Q0=7 000 m3/h。由于窯爐由運行狀態(tài)到停機狀態(tài)所需的響應(yīng)時間，要比其由停機狀態(tài)到運行狀態(tài)所需時間長，故本次以該窯爐由運行狀態(tài)到停機狀態(tài)來進(jìn)行緩沖管長度的計算。

調(diào)壓器完全關(guān)閉時，調(diào)壓器后管段內(nèi)壓力Pt為：

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范（2020 年版）》GB 50028—2006 第6.6.10 條第6 項對調(diào)壓器的安全保護(hù)（放散或切斷）裝置的規(guī)定“啟動壓力應(yīng)根據(jù)工藝要求確定，當(dāng)工藝無特殊要求時應(yīng)符合下列要求：當(dāng)調(diào)壓器出口壓力等于或大于0.08 MPa，但不大于0.4 MPa 時，啟動壓力不應(yīng)超過出口工作壓力上限0.04 MPa”的要求，即Pt

式中：P2s為出口設(shè)定壓力；t為調(diào)壓器響應(yīng)時間；Q0為用氣設(shè)備標(biāo)況小時用氣量（Nm3/h）；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；V0為調(diào)壓后緩沖體積；L為調(diào)壓后緩沖管長度。

該項目采用指揮器作用式調(diào)壓器，其響應(yīng)時間較直接作用式調(diào)壓器要長，一般按照5～10 s 進(jìn)行考慮。將其調(diào)壓器出口設(shè)定壓力P2s=181 kPa，標(biāo)況小時用氣量Q0=7 000 m3/h，帶入（2）（3）式，進(jìn)行簡單的計算，當(dāng)調(diào)壓器的響應(yīng)時間為5 s 時，選V0=29.3 m3，L=154 m（φ508×7.9 口徑鋼管）。

4.1.3 緩沖設(shè)計

針對以上類型工業(yè)用戶，其調(diào)壓設(shè)備選址時不應(yīng)距離燃燒設(shè)備過近，保證調(diào)壓后有足夠的空間設(shè)置緩沖管段，也可考慮采用儲氣設(shè)施（緩沖罐）。但值得注意的是：

（1） 緩沖罐屬于壓力容器，壓力容器的設(shè)計、安裝、運行、維護(hù)都需要具備相應(yīng)的資質(zhì)。

（2）緩沖罐的使用風(fēng)險高，監(jiān)督檢驗要求高的，長期不停氣運行風(fēng)險大。

（3）緩沖罐此類壓力容器不停氣檢驗周期較短，僅有1～2 年，增加了用戶的檢驗成本和檢驗風(fēng)險。而停氣檢驗，影響不可停輸工藝的安全供應(yīng)。

如采用緩沖管段，只須隨項目本身建設(shè)進(jìn)行壓力管道的監(jiān)督檢驗和定期檢驗即可。因此一般情況下應(yīng)減少緩沖罐的使用，對于不可中斷供氣項目方面尤其要注意，在空間允許的情況下，應(yīng)采用更為可靠的緩沖管段。

4.2 管道設(shè)計壓力

對于不可中斷供氣工業(yè)用戶，其工藝管道設(shè)計時應(yīng)綜合考慮調(diào)壓設(shè)備設(shè)置的切斷壓力、放散壓力等因素對調(diào)壓后管道設(shè)計壓力的影響。如某調(diào)壓設(shè)備出口設(shè)定壓力為0.18 MPa（中壓B），按照規(guī)范要求，“當(dāng)調(diào)壓器出口壓力等于或大于0.08 MPa，但不大于0.4 MPa 時，安全切斷閥的啟動壓力不應(yīng)超過出口工作壓力上限0.04 MPa”，調(diào)壓設(shè)備的切斷壓力設(shè)置為0.22 MPa（中壓A），綜合考慮其切斷壓力、放散壓力調(diào)壓后管道設(shè)計壓力應(yīng)選擇較高的壓力級別（中壓A） 更為可靠，可避免調(diào)壓后管道跨壓力級別運行風(fēng)險，且運行和后期設(shè)備改造的壓力富裕量也較大。

5 計量系統(tǒng)的設(shè)計

5.1 流量計的選型

考慮到用氣的不可間斷性，采用一用一備的流量計配置方式。在表具類型的選擇上，大型工業(yè)項目中常采用的渦輪流量計及超聲波流量計。需注意的是超聲波流量無機械結(jié)構(gòu)，一旦其電子部件出現(xiàn)故障，所有數(shù)據(jù)都無法查詢，用于貿(mào)易計量存在一定風(fēng)險。

5.2 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳

流量計內(nèi)嵌4G/NB-Iot 模塊，流量計直接通過4G/NB-Iot 連接到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心（大型不可中斷供氣工業(yè)用戶、重要用戶的數(shù)據(jù)直接連接到SCADA調(diào)度系統(tǒng)），通過以上手段，實現(xiàn)對溫度、壓力、標(biāo)況瞬時流量、標(biāo)況累積流量等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集。運維單位實行24 h 值班制度，對項目運行過程中出現(xiàn)的異常報警，可及時解決，保障用戶的用氣穩(wěn)定性。

5.3 數(shù)據(jù)記錄

帶遠(yuǎn)傳的流量計，后臺數(shù)據(jù)庫保存歷史數(shù)據(jù)記錄，當(dāng)需要時可導(dǎo)出。數(shù)據(jù)記錄是指流量計定時時間間隔（重要用戶通常為5 min） 記錄的流量計過程參數(shù)，記錄永久保存。有了上述記錄，當(dāng)流量計發(fā)生異常情況時，一是可以及時通過及時上傳的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)并解決問題，二是可通過查閱記錄，為協(xié)商解決貿(mào)易結(jié)算提供一種依據(jù)，最大程度解決計量糾紛，保護(hù)供需雙方的權(quán)益。

6 結(jié)語

綜上所述，在為不可中斷供氣工業(yè)用戶設(shè)計方案中，要詳細(xì)了解用戶的設(shè)備工藝詳情和用戶需求，在用戶提供安全可靠的供氣方案的同時，也要考慮設(shè)備和管網(wǎng)在運行全過程的安全性。

（1）對于不可中斷供氣工業(yè)用戶，最重要的就是考慮備用設(shè)計，包括氣源、調(diào)壓設(shè)備、計量設(shè)備都要考慮備用，最大限度地保障其不可中斷性。

（2）應(yīng)當(dāng)科學(xué)選擇各設(shè)備工藝參數(shù)，設(shè)計方案應(yīng)當(dāng)根據(jù)用戶設(shè)備工藝要求對調(diào)壓設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、配置提出更加有針對性的要求，以供采購部門采購設(shè)備時進(jìn)行參考。

（3）應(yīng)科學(xué)選擇調(diào)壓設(shè)備出口壓力、切斷壓力、放散壓力。進(jìn)行工藝管道設(shè)計壓力選擇時，考慮放散、切斷壓力等對調(diào)壓后管道設(shè)計壓力的影響。避免管道跨壓力級別運行風(fēng)險。

（4）為保證用戶的用氣穩(wěn)定性，避免壓力波動燃燒設(shè)備的影響，調(diào)壓后管段設(shè)置管容應(yīng)科學(xué)、可靠。

（5）建議在不可中斷供氣工業(yè)用戶、重點用戶等的管理中逐步引入遠(yuǎn)程壓力監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對重點用戶、壓力較高用戶調(diào)壓前后壓力的有效監(jiān)管，為用戶設(shè)備的平穩(wěn)運行提供更為可靠的保障。