天然气调压站工艺方案设计实践
一、调压站用途
1999年东海天然气开始供应上海城市燃气，供气能力期未将达到120万米3／日，预计到2001年约有30万米3／日天然气需要平衡利用。与此同时，上海对能耗高、污染重的城市煤气制气厂提出了洁净生产的新要求。2000年3月，上海市《关于加强本市环境保护和建设的实施意见》中，吴淞工业区环境综合整治要求吴淞煤气制气有限公司在2002年完成结构调整。另外，根据2000年冬季高峰期的需求预测，也要求调峰能力相应提高，为此吴煤公司被批准实施天然气改制和掺混改造工程。
天然气改制和掺混工艺需要引入城市天然气管网0.8～1.6MPa的天然气，通过调压站降压，用于天然气改制炉和掺混生产。二台天然气改制炉每天利用30万米3天然气，生产出66万米3市用煤气。改造后，吴煤公司日生产能力将从原来的180万米3／日提高到220万米3／日，全年可以削减废水污染物76.0％，削减废气污染物74％以上，对吴淞工业区的削减污染效果有明显提高。
二、调压站设计参数的选定
1、调压站进出口压力的确定
天然气改制炉主要生产工艺操作指标要求，加热天然气压力为0.15 MPa，制气天然气压力同样为0.15MPa，改质气增热（掺混）用的天然气压力仅为0.01 MPa，而城市天然气中压管网压力设计压力为0.8～１.6MPa，因此，需要通过天然气调压站，将0.8～１.6MPa 天然气降压，才能满足生产工艺要求。由于天然气改制和掺混工艺对天然气压力要求不同，故对调压站要求有二路不同的出口压力。
2、调压站供气规模的确定
本次改造工程为两台天然气改制炉，改制和掺混天然气总量为30万m3／d，考虑到吴煤公司今后将继续进行相关改造，因此将天然气调压站额定流量确定为六台天然气改制炉改制和掺混的总量，即90万m3／d（其中改制天然气量为60万m3／d，掺混天然气量为30万m3／d）。由于天然气改制炉生产是间歇式的，即加热和制气循环交替进行，改制天然气又分为加热天然气和制气天然气，其瞬时流量；
加热天然气：3048Nm3/h，
制气天然气：8332Nm3/h。
由于两台制气炉设计为联锁运行，即一台炉处于制气阶段时，另一台炉正处于加热阶段。因此二台改制炉生产时，
天然气管道瞬时流量应为3048+8332=11370Nm3/h，
考虑到改制炉单炉生产能力的提高，故将最大瞬时流量确定为12000Nm3/h。所以按六台改制炉同时生产计算：
改制用天然气最大瞬时流量为12000m3/h×3=36000Nm3/h。
由于一台改制炉所产改质气为28万Nm3/日（2800kcal/m3），再用5万Nm3/d（9600kcal/m3）进行增热至33万m3/d（3800kcal/m3），当六台改制炉同时生产时，所需掺混天然气量：
掺混用天然气最大瞬时流量为（50000÷24）×6=12500Nm3/h。
因此，天然气调压站的供气规模设计应满足天然气改制与掺混改制所需最大流量要求，即改制用天然气最大瞬时流量+掺混用天然气最大瞬时流量=36000+12500=48500Nm3/h。
3、天然气调压站站址布置
吴煤公司天然气改制和掺混工程改造属老厂改造，必须因地制宜。由于城市天然气管网运行压力为0.8～１.6MPa，从安全角度考虑，调压站到城市天然气管网之间的距离越短越好。从现场情况来看，天然气调压站布置在公司东大门西北侧，与2万m3气柜、往复式压送机房，机炉主厂房相邻的原废钢仓库位置较佳，符合建、构筑物防火间距要求。天然气调压站与这些建、构筑物防火间距如下：
|
相邻建构筑物名称 |
现有间距（m） |
规范要求间距（m） |
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往复压送机 |
12.98 |
12.0 |
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2万米3气柜 |
21.4 |
20.0 |
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机炉主厂房 |
13.0 |
12.0 |
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沉淀池 |
10.0 |
10.0 |
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厂东大道 |
10.0 |
10.0 |
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7.5万米3气柜 |
>25 |
25.0 |
三、调压站的工艺方案的选定
为满足天然气改制与掺混工艺的需要,吴煤公司天然气调压站整个调压系统需由以下部分组成：进口计量路、一级调压路、二级调压路、出口计量路。
1、进口计量路的设计方案
由于天然气供应方在我公司调压站前的城市天然气管网上未设计量设施，因此，该调压站必须设有用于贸易结算的计量装置，并且按规定必须具备在线标定功能。这一段管路从与上游管路相连的进口管路到一级调压路前的截断阀（不包括截断阀）为止。
设计流量:50000 Nm3/h，（按六台改制炉改制与掺混生产要求）
天然气输送能力50000 Nm3/h，天然气计量能力:最小45500 Nm3/h (0.6MPa考虑管网用气高峰时)，最大110500 Nm3/h (预计管网压力将升级到1.6MPa)，设计压力2.0 MPa，设计温度 -10℃～60℃，进口管径选取DN300（在48500m3/h、进口压力0.6MPa的情况下，管道中天然气的流速为27.2m/s），进口管压力等级为PN25。
根据系统流量和压力，选择符合贸易结算标准要求的德国ELSTER公司的G4000型涡轮流量计（带EK-88流量结算仪），该流量计量程比为1300～6500m3/h。
为了防止天然气管路中的杂质损伤到调压站进口计量路上的涡轮流量计设备，需在调压站进口处设置过滤分离设备。本工艺设计用旋风分离器和过滤器二级过滤分离设备，来滤除天然气中夹带的杂质，以确保涡轮流量计的正常使用。在旋风分离器前和过滤器后设旁通管，以备过滤分离设备检修时，仍可连续供气。
2、一级调压路的设计方案
天然气经过进口计量路后进入一级调压路。天然气的减压过程为一级减压方式。一级调压路的作用是将进口压力为0.6～1.6 MPa天然气，通过调压器减压至0.15 MPa，以满足改制炉生产用天然气的工艺需求，同时为二级调压路提供恒定、低压的天然气。一级调压路由三条配置相同的调压路构成，每路的设计流量为25000Nm3/h（按两台改制炉改制和掺混流量要求为12000+12500=24500 Nm3/h）。本次改造工程只安装两路，其工作方式为一开一备（热备用模式）第三路的两端分别安装球阀与蝶阀，并用法兰盲板封闭。当吴煤公司天然气利用量增加到90万m3/d时，只需卸下法兰盲板，即可进行第三路调压路的安装。此时可通过安装在管道中限流孔板的作用，以两开一备的方式进行工作。一级调压路天然气输送能力50000 Nm3/h，设计进口压力最大19.2MPa，出口压力0.15MPa，设计温度-10℃～+60℃，一级调压路出口管径选择DN400（在36000 Nm3/h的流量以及0.15 MPa的出口压力下，管道中天然气流速为31.80m/s），压力等级选为PN25。根据进出口压力和流量要求，一级调压路一般选择导阀控制式调压器（出口压力的变化通过放大控制主阀动作）。为避免调压器导阀堵塞，一般在调压器前设过滤器。在调压器后设置紧急切断阀,以防止由于意外原因所导致的调压器下游压力的非正常升高。调压器能够在进口压力和流量波动的情况下，出口压力恒定在0.15 MPa，以符合天然气改制炉的工艺要求。两条调压路的配置如下：手控球阀，滤芯式过滤器，导阀式调压器附紧急切断阀，直接作用式安全阀，手控蝶阀。
3、二级调压路的设计方案
天然气经过一级调压路减压至0.15MPa，一路通往改制炉，另一路进入二级调压路。二级调压路的作用是将0.15MPa天然气，通过调压器减压至0.01 MPa以满足掺混天然气进入掺混器压力需要。二级调压路由两条配置相同的调压路构成，每路设计流量为12,500 Nm3/h，工作模式为一开一备。二级调压路天然气输送能力12,500 Nm3/h，设计压力1.6 MPa，设计温度-10℃～+60℃，管路尺寸进、出口DN400，压力等级PN16。根据二级调压路的进出口压力和流量要求，一般选择直接作用式调压器进行调压。在调压器后设置紧急切断阀,以防止由于意外原因所导致的调压器下游压力的非正常升高。与一级调压路系统要求相同，二级调压路中的调压器也能够在进口压力和流量波动的情况下保证出口压力恒定在0.01 MPa。出口压力同时受到安全阀的保护。两条调压路的配置如下：手控蝶阀，直接作用式调压器附紧急切断阀，直接作用式安全阀，手控蝶阀。
4、出口计量路的设计方案
由于天然气改制炉已设计天然气流量计量装置，故一级调压路出口不设计量装置。天然气改制和掺混生产工艺中，将改质气作为恒定低热值气源，操作工通过电动蝶阀遥控控制天然气掺混量的大小，配置出满足质量要求的城市煤气，故需在二级调压路出口设置流量计，以满足生产工艺操作控制的需求。根据二级调压路流量、压力等级，选择量程比为2000～10000m3/h 的德国ELSTER公司Q6500蜗轮流量计用于天然气掺混量计量。考虑到30万米3/日天然气全部用于掺混的特殊工艺条件，即12500Nm3/h的流量以及0.01MPa的出口压力情况下，二级调压路出口管径选择DN400。
由上述进口计量路、一级调压路、二级调压路、出口计量路构成的吴煤公司天然气调压站工艺流程如附图所示。
四、结论
由吴煤公司、中国市政工程华北设计研究院、上海飞奥燃气设备有限公司共同参与工艺方案设计的天然气调压站，并由上海飞奥燃气设备有限公司制造和完成现场施工，2000年12月19日投入运行。在天然气改制炉生产和天然气掺混生产中，调压、供气、安全保护等功能稳定可靠，满足了生产工艺需要。由于在该工艺设计中在一级调压路上已预留了第三路调压路，为今后改造创造了条件，避免了重复建设，节省了建设资金。
采用二级调压二级出口压力工艺方案、供气规模达48500Nm3/h的天然气调压站应用于城市煤气厂天然气改制和掺混工艺中，在国内也是第一次，不仅工艺可行，而且已得到吴煤公司成功实践证明，值得同行在实施相关改造中借鉴。
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