1、城市燃气2 0 2 3/0 5总第57 9 期26安全生产SafetyinProductiondoi:10.3969/j.issn.1671-5152.2023.05.005城镇燃气天然气场站泄压与减压系统的超压及放散量评估浅析徐彬，李璐伶深圳市燃气集团股份有限公司摘要：城镇燃气天然气场站是连接上游天然气分输站与下游用户间的核心中间环节。泄压与减压系统是确保天然气场站在安全压力范围内安全稳定运行的必要保障。本文针对不同类型天然气场站泄压与减压系统的超压原因进行了系统的分析，同时，分别提出了针对单一超压原因和复合超压原因下，系统泄压装置的安装工艺、系统放散量的评估计算方法以及设计方法。旨在为设计
2、单位与运营单位在类似项目中泄压与减压系统的设计、投用及管理提供参考。关键词：城镇燃气天然气场站；泄压与减压系统；超压；放散量1前言在第7 5届联合国大会上，习近平总书记提出“2 0 3 0碳达峰、2 0 6 0 碳中和”的“双碳”发展目标。非化石能源的占比虽不断提高，但现阶段，仍存在稳定差，技术成熟度低、规模化效应未形成等问题。天然气在化石能源中，相对清洁低碳，相较非化石能源，兼具稳定性、灵活性和经济性等优点，被认为是理想的过渡能源，在2 0 3 0 年前将迎来快速增长 1-2 。随之而来，城镇燃气天然气场站将大规模建设和投用。在国内安全形势日益严峻及安全管理要求愈加严格的背景下，天然气场站作
3、为连接上游天然气长输分输站与下游广大用户间的核心中间环节，安全运营显得愈加重要。天然气泄压与减压系统是确保天然气场站系统，在安全压力范围内安全稳定运行的必要保障。因此，如何根据天然气场站实际情况进行合理设计显得至关重要。鉴于现行城镇燃气设计相关规范暂未对减压与泄压系统进行系统的规定，本文浅析了城镇燃气管网系统中各类天然气场站超压原因，并分别针对单一超压原因和复合超压原因下，系统放散量的评估计算方法和设计方案进行了分析，以期为未来类似天然气场站项目泄压及减压系统的合理设计提供参考 3-4。2天然气场站超压原因分析天然气场站超压是指场站系统由于物料或能量的不平衡而导致的局部压力超过安全压力的情况。
4、天然气场站泄压与减压系统则由于正常工艺操作或联锁控制仍无法达成平衡或回到正常工艺状态而导致的超压现象的压力泄放，主要用于保障系统安全。在研究系统超压原因时，应针对天然气场站输配工艺所有节点逐一研究物热平衡。通常说来，超压主要来自于热输人引起的间接压力输人及高压源引起的直接压力输人，结合泄压和减压系统指南（API城市燃气2 0 2 3/0 5总第57 9 期27徐彬等城镇燃气场站泄压与减压系统的超压及放散量评估浅析RP521）和天然气场站特点 5，天然气场站超压的原因主要包括以下几方面。（1）上游阀门误开启，如：调压器失效等；（2）下游阀门误关闭；（3）自控/公用系统故障，如：仪表风失效等；（4
5、）换热系统故障，如：热交换器管程破裂导致高压天然气进人热水系统；（5）瞬时压力骤增，如：水锤、汽击等；(6)火灾;（7）工况变化，如：天然气温度低于系统设备或管道的设计温度，导致其承压能力降低。天然气场站泄压与减压系统通常是以压力信号为基础，当出现超压情况时，通过打开泄压装置，来实现系统压力的降低。因此，对于以汽击、水锤为代表的毫秒级甚至微秒级的瞬时压力骤增现象，泄压装置的开启速度无法满足其泄压要求。另外，对于低温导致材料超出其设计温度的情况，天然气场站泄压与减压系统同样无法适用。3超压分析与评估在进行天然气场站泄压与减压系统设计时，应基于有效的工艺节点划分，逐一研究每一节点的超压原因，从而设
6、计泄压装置的位置，并计算所需泄放量。对于天然气场站工艺，一般推荐按以下节点进行划分：(1)进站;(2）换热；（3）调压（每一调压级别作为一个节点考虑）；(4）出站；（5）公用系统。4天然气场站超压工况分析由于瞬时压力骤增和工况变化导致的超压现象无法通过天然气场站泄压与减压系统解决，因此，本论文主要围绕五大节点，针对其他五种超压原因进行工况分析。4.1上游导致的超压工况根据天然气场站在典型城市城镇燃气输配系统所处的位置，可将其分为天然气门站和天然气调压站两类，具体如图1 所示。上游分输站1上游分输站2门站1门站2高压天然气管网调压站1调压站2调压站n次高压天然气管网图1 典典型城市燃气管网系统图
7、（未包含中压）上游导致的超压工况主要是指由于上游压力调节控制设备故障而导致的天然气场站系统超压的工况，常被视为“堵塞工况”。如图1 所示，以天然气门站为例，应考虑其相应的上游分输站出站压力超过天然气门站入口的设定压力。此时，应考虑是否设置超压保护设施。如已设置，则需进一步验证天然气门站进站管线及设备设计压力是否均已覆盖上游超压保护设定压力，在满足条件的情况下，该“上游”节点无需考虑由于上游输人导致的超压问题。反之，则均需设置泄压装置，如在已知上游超压流量的情况下，按上游超压流量设计泄压装置泄放量，否则按上游设计全流量设计泄压装置泄放量。而针对天然气调压站，则需核查调压站进站管系及设备设计压力是
8、否已覆盖各门站及其它可能气源的超压保护设施的设定值。在满足条件的情况下，该“上游”节点无需考虑由于上游输人导致的超压问题。反之，则需设置泄压装置，泄压装置泄放量的设计方法与天然气门站一致。具体的判断逻辑如图2 所示4.2下游导致的超压工况下游导致的超压工况主要包括下游阀门意外关闭等导致的天然气无法正常流动至下游，而引起的超压工况，也常被归为“堵塞工况”。一般按上下游的设计压差计算泄放量。4.3自控/公用系统故障导致的超压工况基于失败安全型设计的原则，现役天然气场站自控/公用系统故障应使工艺处于安全状态，因此，一般不会导致超压现象。但仍应结合实际情况进行分析，如：某些特殊天然气场站在安全性及连续
9、性供气城市燃气2 0 2 3/0 5总第57 9 期28安全生产SafetyinProduction中选择了后者，则应逐项进行研判。具体包含以下几种情况：（1）针对设有仪表风系统的天然气场站，须考虑仪表风系统失效导致流调阀、调压阀等意外关闭/开启导致超压的工况。（2）针对没有仪表风系统的天然气场站，其紧急关断阀采用电液联动或者气液联动、工艺关断阀采用电动、调压器采用自力式类型，出现超压工况的概率较小。仅在电源故障情况下，由于电动调节阀无法调节阀门开度，会出现超压工况对于自控/公用系统故障导致的超压工况，均可归类为“堵塞工况”，需具体问题进行逐个分析。4.4换热故障导致的超压工况换热故障导致的超
10、压工况主要包括热力膨胀和窜压两种情况。热力膨胀是指在大气传热或火灾情况下，满液体容器中的液体介质，受热膨胀而导致的超压现象，如：在热水换热器中，壳程中的热水因受热会出现压力超过安全压力的情况。窜压是指在换热器中，由于天然气管程出现破裂进而窜入壳程侧，导致换热器壳程热水系统的超压。4.5火灾引起的超压工况在场站处于火灾工况时，容器壁/管壁由于火灾热源输人导致的天然气压力快速上升而造成的超压工况。其泄放量可按行标泄压和减压系统指南（S Y/T 1 0 0 43-2 0 0 2）进行设计计算 9 。5天然气场站超压情况评估5.1不同节点超压工况评估本文以某典型的城镇燃气天然气场站为例，进行超压工况评
11、估。其流程框图如图3 所示如图3 所示，针对复合型的典型天然气场站，各节点应考虑的超压原因如下所示。（1）过滤计量前：火灾工况、自上游分输站来的天然气作为高压输人源。（2）过滤计量：火灾工况。（3）过滤计量与高压调压间：火灾工况，（4）高压调压后：调压器失效导致超压工况。泄放量核算时，仅需考虑其中一路失效。如调压器前后管系与设备设计压力一致，则无需考虑超压。天然气门站否上游是否有超压保护工是超压保护压力是否覆否天然气调压站盖场站设计压力工是已知上游超压流量否无需考虑工是按上游超压流按全流量泄放量设计泄放量量图2 上游导致的超压工况泄放量设计逻辑上游分输站来气过滤计量高压调压换热至高压管网高/次
12、高换热+至次高压管网调压至中压管网次高/中换热压调压图3 典型天然气场站工艺示意框图城市燃气2 0 2 3/0 5总第57 9 期29www.gas80Q.com敬请登录杂志社官方网站订阅方法：城市燃气徐林彬等城镇燃气场站泄压与减压系统的超压及放散量评估浅析（5）换热：使用热水换热器时，需考虑热力膨胀、窜压工况。使用空温式换热器时，无需考虑超压。使用电加热换热器时，需考虑火灾工况 1 0 。5.2超压组合分析与评估在实际生产中，可能是多种原因共同作用引起场站系统的超压，因此，在天然气场站泄压与减压系统设计时，须依据工艺实际情况评估多种原因同时导致超压工况的可能性 1-1 2 。针对单处泄压装置
13、泄放量进行评估时，如有多种超压工况同时发生，仅需考虑其中一种工况即可，具体准则如表1 所示。表1 单处泄压装置同时发生评估表堵塞火灾热力膨胀窜压工况(A）(B）(C）(D）MaxMax堵塞（A)D(A,B)(A,C)Max火灾（B）D(B,C)热力膨胀（C）D5.3放散总管放散量评估针对天然气场站减压与泄压系统设计中，还有关键的一步是放散总管放散量的评估，应基于非正常工况时，各泄压装置同时泄放的情况进行计算。（1）堵塞工况针对因上游高压源引起的堵塞工况发生超压，放散总管泄放量设置为场站第一道堵塞工况泄放装置的泄放量即可。针对因调压系统故障而发生的堵塞工况，如天然气场站管系及设备设计压力与调压前
14、一致，放散总管仅需考虑单路调压失效的泄放量。（2）火灾工况火灾工况时，不仅需通过泄压装置避免系统超压，还需增设自动放空减压系统，以避免由于火灾持续热量的输人导致设备本体耐压的降低，进而导致容器失效。除了泄压与减压系统之外，在火灾工况下，削减风险的方法还包括设置水喷淋系统，以降低容器壁温度。但由于现行规范无此硬性要求，考虑到成本与必要性等因素，天然气场站均未设置此系统。6结论本文浅析了各类城镇燃气场站超压原因与系统放散量的评估计算方法和设计方案进行了分析，得出以下结论：天然气场站泄压与减压系统设计时主要考虑阀门（含调压器、切断阀等）误动作、自控/公用系统故障、换热系统故障、火灾等情况。对泄压装置
15、泄放量进行评估时，如有多种超压工况同时发生，选择泄放量大的工况即可。参考文献1徐进军，白一海，田胜利，等.智能化控制在大型天然气场站中的运用 J.中国管理信息化，2 0 2 1，2 4(16)：8 9-9 0.2李宁.天然气场站的调压方法研究 管道技术与设备，2 0 2 1（0 2）：42-46.3孟祥军，许宏良，刘宏亮.天然气调压器工作性能影响分析 J.山东工业技术，2 0 1 7（1 7）：41-42.4刘晴阳，王蕊.天然气场站工艺系统技术改进 .中国石油石化，2 0 1 7（0 5）：1 1-1 2.5美国石油协会.泄压和减压系统指南（APIRP521）。6美国石油协会.炼油厂压力泄放装
16、置的尺寸、确定、选择和安装推荐做法（APIRP520）.7输气管道工程设计规范（GB50251）.8石油天然气工程防火规范（GB50183）9余洋，黄静，陈杰，等.天然气站场放空系统有关标准的解读及应用.成都：中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，2 0 1 4.10杜培楠.天然气调压撬失效案例分析 .中国石油和化工标准与质量，2 0 1 7，3 7（0 6）：7 9-8 0+8 3.11高京卫.基于ABSLC500天然气场站站控系统的设计 D.西安理工大学，2 0 1 6.12于东升，郭东升，江涛，等.天然气场站工艺系统技术改进 J.油气储运，2 0 1 2，3 1（1 1）：8 2 7-829+836+887.