天然气分输站场改扩建的分析与研究

摘要：自2020年10月份成立国家石油天然气管网公司。由于原有长输管道天然气站场的原有流程与工艺不符合现有规范、设计要求，并且由于各长输管道站场改扩建增加压缩、计量、调压等相应的功能，涉及天然气站场的改扩建就成为了各站场的首要任务。下面我们将根据国家规范、行业标准、国网文件对改扩建工艺、自控、计量等方面进行分析与现场实践。

关键词：储运、标准、系统、设备、工序、对策

改扩建工程涉及到氮气置换、割管、吊装、管道组对、焊接、检测、防腐、试压、吹扫、干燥、投产前检查与整改等多道工序，因此明确每道工序的具体施工作业步骤以及各工序之间的顺序十分重要。另外，改扩建作业过程中还涉及到国家管网公司运行部门、调控中心的协调，与施工方、检测方、监理方等多个单位的配合与协作，因此必须对整个过程的组织机构、人员、HSE管理等进行严密组织，明确职责，统筹安排。在站场改扩建前根据施工方、运营方根据现场情况优化设计图纸和施工工序，然后施工方根据施工图纸制定变更和站场施工方案，以安全、环保为前提，以确保按计划完成所有专业为目标，做好所有参与单位的协调工作，控制风险，达到改扩建工程圆满成功的目的。

（1）根据现场实际情况进行改造

根据以下规范：国家标准GB 50251 输气管道工程设计规范、GB/T 18603 天然气计量系统技术要求、GB 50540 石油天然气站内工艺管道工程施工规范。行业规范SY/T 4109 石油天然气钢质管道无损检测、SY/T 0090 油气田及管道仪表控制系统设计规范。国家管网规范DEC-NGP-G-PR-002-2020-1 油气管道工程站场工艺安装技术规定、DEC-NGP-G-PR-003-2020-1 油气管道工程动设备安装技术规定、DEC-OGP-G-PR-004-2020-1 油气管道工程静设备安装技术规定、DEC-OGP-G-PR-005-2020-1 油气管道工程球阀现场安装和维护技术规定。

（2）站场类型

从上述规范中，天然气站场人员根据天然气站场的运营情况进行改建，包含改建站场类型。输气站场是各类输气工艺站场的总称。其功能包括：接气、增压、清管、分输、调气等。

分输站通常具有过滤分离、计量、压力/流量控制功能。工艺流程应满足分输计量、压力/流量控制、站内自用气和越站的需要，必要时还应满足清管接收、发送的需要。

压气站通常具有过滤分离、天然气增压、清管等功能。工艺流程应满足增压外输、清管、站内自用气和越站的需要。

清管站具有清管器接收、发送及天然气除尘分离等功能。工艺流程应满足清管接收、清管发送和天然气越站的需要。

（3）根据站场设计原则，确定站场改造方式

a） 应根据管道工艺系统分析确定站场的设置和功能，并提出对工艺设备、控制水平、安全保护措施等的要求。

b） 工艺流程应尽量简化，满足正常操作、维修检修及试运投产的要求，确保系统安全及变工况运行。

c） 一级调控管道应按照调控中心远程控制、站场控制和就地控制的三级控制模式设计，达到“远程控制、无人操作、有人值守”的监控管理水平。二级调控管道调控中心只对管道进行数据采集及监视，不直接进行远程控制。

d） 按照有关规定的要求进行典型站场 HAZOP 分析。

e） 同期建设的项目，有关联或并行的站场宜合建；不同期建设的的项目，位于同一地区的站场宜毗邻建设。

f） 宜采用技术成熟可靠的新技术、新工艺、新设备。在满足设计要求和工程质量的前提下，宜采用国内生产设备、材料。

g） 应简化管理，在满足运行安全的前提下，降低运行管理费用，提高运行管理水平。

h） 辅助生产设施宜依托原有站场以减少投资，降低运行成本。

i） 寒冷地区站场设计应考虑环境温度影响。

j） 计量设置原则。

1） 不同地区公司之间宜设交接计量。

2） 同一地区公司内部交接可不设计量，若考虑生产运行需要也可设置。

3） 对向内部直供用户分输的管道：

3.1 输气干线及分输管道属同一地区公司管理且分输管道沿线无阀室或其

余分输用户的，宜在干线分输站设计量装置。

3.2输气干线和分输管道分属不同地区公司管理的，宜在干线分输站设计量装置。

3.3分输管道沿线有阀室或其余分输用户，宜在分输管道的站场设计量装 置。

（4）改造中天然气站场工艺

a） 输气站场应满足设计输量的要求，具有分输功能的站场其分输能力应满足设计委托书中分输量的要求。

b） 改建过程中的站场，应考虑新、老管道施工和连接时的安全措施，站场工艺设备、阀门及管线应统筹考虑、合理布置，为后期扩建预留接口及场地。

c） 站场所在地区具有潜在市场可能的宜设置预留头和预留场地。

d） 站内公称直径≥DN400 且需在全压差下开启的球阀应设置平衡阀，公称直径≥DN250 且需在全压差下经常开启的球阀应设置平衡阀。

1） 进出站截断阀的平衡阀宜选用三阀组，上、下游宜选用球阀，中间选用具有节流功能的阀门。

2） 站内其余阀门的平衡阀宜选用 DN50 双阀组，上游宜选用球阀，下游选用具有节流功能的阀门。

a） 干线越站阀门应设置三阀组平衡阀，其公称直径应满足管线投产需要。三阀组的阀门类型宜为两端球阀，中间为具有节流功能的阀门。

b） 向用户分输调压前后的阀门、管道、管件、汇气管等宜选用同一压力等级。

c） 阀门应采用焊接连接外，其余阀门应采用法兰连接。

d） 清管收发装置上通清管器的球阀、与干线直接相连的球阀。

e） 公称直径 DN≥400 的止回阀、球阀。

f） 埋地安装的阀门。

g） 应设置干线和站场检修用置换气体的接口。

h） 应设置水试压用高点放空口、低点排水口，试压完毕后应用法兰盖或管帽封堵。

i） 金属壁温低于材料允许使用温度的。

j） 工艺输送介质需要保温的。

k） 输送介质温度≥60℃的管线应采用安全防护隔离措施。

（5）改建过程中，通过改扩建的系统，确定设备的选型

5.1压缩机组

5.1.1 压缩机选型

a）对输气量较小、压比变化幅度较大的压气站，宜选用往复式压缩机。

b）对输气量大、工况相对确定的压气站，宜选用离心式压缩机。

c）离心式压缩机压比宜为 1.2～1.7。

d）压缩机的流量范围应能适应管道初始工况条件。

5.1.2 驱动设备选型

a）对无电或供电条件一般地区应采用燃气轮机（或燃气发动机）驱动的方案，对有电且供电可靠性高的地区经技术经济比较为优时宜采用电机驱动的方案。

b）电驱压缩机组宜采用密闭水冷方式进行冷却。

5.1.3 机组备用方式

压缩机组备用方式应经技术经济比较后确定。

5.1.4 辅助系统

a） 工艺后空冷器

1） 一般地区宜选用鼓风式空冷器，寒冷地区宜选用引风式空冷器。

2） 空冷器出口温度宜设置为高于环境温度 10～15℃。

3） 天然气通过空冷器的压力降应≤0.05MPa。

b） 燃机启动系统

1） 采用天然气启动的供气管道应设置双阀，为保证完全隔断，中间设放空。

2） 利用天然气启动的启动气放空宜独立排放，也可在核算放空背压后接入站场其它相同压力等级的低压放空系统。

c） 机组燃料气系统

1） 燃料气管线上应装设调压和对单台机组的计量设备，并应设置超压保护设施。机组自带的燃料气橇上通常设有加热器。

2） 燃料气管线在进入压缩机厂房前及每台压缩机组前均应设截断阀，单台机组的燃料气管线上应设置停机或故障时的自动切断气源及放空设施（压缩机组

内部自动切断及放空设施由压缩机组配套完成），由站控系统和ESD系统控制。

3） 燃料气安全放空宜在核算放空背压后接入站场其它相同压力等级的放空系统。

4） 燃料气中可能出现凝液时，应在燃料气系统加装气-液聚结器。

d） 机组润滑油系统

1） 润滑油系统应由压缩机组成套提供。

2） 若冷却器在室外，应对连接管路伴热保温。与冷却器相连的润滑油管路应设1‰坡度。

3） 冷却器放空接口宜与润滑油箱上接口相连，保证机组停运时冷却器内润滑油全部流入油箱中。

4） 润滑油箱放空分离器下游应设置阻火器，放空管线应单独引至室外。

5） 应设置1用1备的并联过滤器，并可在运行中切换。过滤器过滤5mm以上颗粒的效率应≥90％。

e） 干气密封系统

1） 干气密封系统应由压缩机组成套提供。

2） 为防止机组初次启机时管道内气体可能含有的轻烃损害干气密封，应要求厂家自带加热器，通常加热至 70～80C。

3） 干气密封放空应分别单独接至室外。

5.2 过滤分离装置

5.2.1 旋风分离器

a）应采用轴流式或涡流式旋风子（旋风管），直径为 DN100～DN150。

b）分离效率为：对≥10μm 的固体颗粒，在设计工况点分离效率不小于 99%，在设计工况点±15%范围内，分离效率不小于 97%。

5.2.2过滤分离器

a）应采用卧式结构。

b）滤芯材质为醋酸纤维或聚酯纤维，且最少应能承受 0.65MPa 的压差。

c）过滤分离器应设置注水口。

d）分离效率为：

粉尘： 1μm    99%

3μm 及 3μm 以上 99.1%

5μm 及 5μm 以上 99.9%

液滴： 1μm    98%

3μm 及 3μm 以上 98.6%

5μm 及 5μm 以上 99.0%

5.2.3 组合式过滤器

a）宜采用立式结构，并设置操作平台。

b）内构件宜选择旋风子加过滤滤芯的组合。

c）旋风分离效率为：

d）对≥10μm 的固体颗粒，在设计工况点分离效率不小于 99%，在设计工况点±15% 范围内，分离效率不小于 97%。

e）过滤分离效率为：

粉尘： 1μm 99%

3μm 及 3μm 以上 99.1%

5μm 及 5μm 以上 99.9%

液滴： 1μm 98%

3μm 及 3μm 以上 98.6%

5μm 及 5μm 以上 99.0%

f）过滤分离段压降低于 0.015MPa，旋风分离段在工况点压降不大于 0.05MPa；整体设备在正常操作工况下的压降不大于 0.05MPa。

g）组合式过滤器应设置注水口。

5.2.3 快开盲板

a）过滤分离器、组合式过滤器、清管器收发装置应配快开盲板。

b）快开盲板的安全联锁装置应符合 TSG R0004 的规定，开闭灵和，应保证带压时无法开启，并有警示标记。

c）快开盲板开启时间应小于 2min，开启力矩小于 200Nm。

d）快开盲板≥DN1000 时，宜设置电动提升和旋转机构，所有电器元件均应防爆，防爆等级不低于 EXdⅡ BT4。

5.3 清管器收发装置

a）清管器收发装置的设计应符合 GB50251 的规定，制造、检验与验收参照 GB150。

b）清管器收发装置上大筒体与小筒体及其上开口间距应满足清管器通过的要求。

c）清管器收发装置小筒体的内径应与输气管道内径相同，大、小筒体间应采用偏心异径接头连接，且均为内齐平。

d）清管器发送装置的大、小筒体间宜设置平衡管线。

e）清管器收发装置鞍座螺栓孔均宜设置为沿管道轴线方向的长圆孔。

5.4 汇气管

a）宜采用整体模压拔制成型工艺制造。

b）材料强度等级宜与工艺管线材质强度一致。

5.5 放空立管

a）宜选用自立式放空立管。

b）自立式放空立管的计算应综合考虑地震载荷、风载荷、放空流速等，并参照JB/T4710。

c）放空立管的材质选择应考虑环境温度和节流后气体温度的影响。

d）放空立管底部宜设置 DN50 排水口。

5.6主要阀门

5.6.1 球阀

a）站内截断用阀、进出站 ESD 截断阀宜选用球阀。

b）用于清管器（球）通过的阀门、计量管路的阀门应选用全通径球阀。

c）与干线直接连接的球阀、埋地安装的球阀应选用全焊接结构的阀门。

d）站内（与干线直接连接除外）公称直径≥DN500 的球阀宜选用全焊接阀体结构。

e）旁通管线上平衡阀组的上游阀门宜选用球阀。

f）站场 ESD 放空阀宜选用球阀。

5.6.2 平板闸阀

a）公称直径≤DN200 的站内截断阀可选用平板闸阀。

b）有积液的管道宜选用有导流孔的平板闸阀。

5.6.3 旋塞阀

a）应选用压力平衡式旋塞阀。

b）公称直径≥DN300 的干线放空用阀宜选用旋塞阀。

c）排污管线上排污用阀可选用旋塞阀。

d）对需流程自动切换的场所，平衡阀组中节流用阀宜选用电动旋塞阀。

5.6.4 安全阀

a）用于天然气超压安全泄放功能的阀门宜选用安全阀。

b）天然气水露点低于最低日平均气温地方的安全阀宜选用先导式安全阀；其余安全阀应选用弹簧全启式安全阀。

5.6.5 止回阀

a）要求介质单向流动的管道上应选用止回阀。

b）站内宜选用轴流式止回阀。

5.6.6 放空阀

a）凡停工或检修时需要通过放空降压或吹扫的设施，在系统截断阀之间任何管线或设备上应装设放空阀。

b）就地操作的平衡阀组中节流用阀宜选用节流截止放空阀。

c）手动放空管线（公称直径≥DN300 的干线放空除外）上放空用阀宜选用节流截止 放空阀。

5.6.7 排污阀

排污用阀宜选用阀套式排污阀。

5.6.8 执行机构

a）进出站截断阀宜选用符合安全仪表回路 SIL 等级要求的气动或气液联动执行机构，其储气罐和气液转换罐及其配套管路、管件的压力等级应不低于管线设计压力，储能罐至少能满足阀门 1 个全行程（开 1 次、关 1 次）的能量要求。

b）站内阀门公称直径≥DN400 或需经常切换的阀门宜选用电动执行机构。

c）有 SIL 等级要求的站场 ESD 放空阀宜选用气动执行机构，无 SIL 等级要求的站场ESD 放空阀宜选用电动执行机构。

e）除 ESD 系统外，执行机构选型应尽量统一。

f）超压保护系统中使用的紧急截断阀应能快速关闭，其响应时间为 1～2s。

5.6.9 钢管的选用

a）站场用管的设计和制造应执行 GB/T9711，采用 PSL2 钢级；不锈钢管的设计和制造应执行 GB/T14976。

b）干线管道执行标准及管线材质应与线路工程选用一致。

c）站内管道公称直径≥DN500 宜选用直缝埋弧焊钢管，公称直径≥DN300 且≤DN450宜选用高频电阻焊钢管，公称直径≤DN250 宜选用无缝钢管，尽量统一钢管类型和壁厚种类。

d）压缩机组密封气管线、润滑油管线、燃料气管线、压缩空气管线应采用不锈钢管。

e）低温工况下应根据最低环境温度对钢管进行夏比冲击试验，并根据需要采取保温伴热等措施。

5.6.10 管件的选用

a）应根据钢管外径系列选用与其相适应的管件系列。

b）材料强度等级宜与工艺管线材质强度一致。

5.6.11法兰的选用

a）法兰宜满足 ASME B 16.5 的要求。

b）材质的选择应满足最高、最低设计温度和最高工作压力条件的要求。

c）法兰材料强度等级宜与工艺管线材质强度一致或相近，其最小屈服强度应≥70%管线最小屈服强度，并保证在最高使用温度下其许用工作压力不低于管道设计压力。

d）仪表配对法兰宜选用对焊法兰。

6 通过上述天然气改建站场的系统、设备的原理和选型出发，对天然气的改建过程中遇到的问题进行不断地修正，不断完善改建过程的问题。最终圆满的完成改建工作。下面我们以实战出发，说明改建的主要步骤：

此乃北京管道某站场改建工艺流程图：

原工艺此处未设置调压、切断装置，现将方框内设备进行扩建。

主要步骤如下

（1）明确此处改建系统的运行状态。如未投运，先确保管段内的天然气、氧气含量。如未达到改造要求，首先进行氮气置换空气或天然气的工作。

（2）查看设计图纸，明确改建过程中交叉的隐蔽工程。

（3）阀门保养。对新来的阀门、截断阀门进行检查和保养。

（4）记录新到设备的铭牌信息，确保设计和现场保持一致。

（5）作业过程中时刻检测可燃气体，确保施工作业过程中安全施工。

（6）制作隐蔽工程（电仪、通信、工艺）

结语

现场改建管理人员按照国家规范、行业标准、国网规定、设计图纸严格执行施工，有效开展三查四定工作，查漏补缺并能按照投产中的方案进行投产工作才能保证改建过程顺利进行。