燃气管道设计安全

8.1.1　燃气管道设计安全的理念

1)概述

燃气管道工程是一项投资大、涉及面广、安全风险高的系统工程。因此,必须从燃气管道系统工程的设计开始,就应按照相关法规和标准的要求系统地考虑管道施工、投产、运行和维护的诸多方面问题,并对不同的设计方案进行风险分析,使之满足管道安全、可靠和高效运行的设计理念。

目前,我国新建燃气管道已逐步与国际标准接轨,如采用了新的设计标准、先进的工艺运行控制技术、高强度的管道材质、技术先进与制造优良的输气设备等。但由于管理体制的因素和我国相关法规、标准以及装备技术整体水平的原因,管道的系统性效率及其安全性、可靠性等综合水平还有待提高。

2)理念

①尽可能降低社会公众、燃气企业员工及环境所受风险。

②研究相关法规和标准的实效性,必须高于其要求；探讨新理念、新方法及新技术的发展和应用。

③要评估系统试运投产的可行性和安全性。

④要考虑管道的运行安全、成本控制以及维护的便捷性。

⑤要考虑是否便于工程施工、运行操作以及项目运作的灵活性。

3)原则与要求

①首先,合理的规划是确保燃气管网工程安全、可靠的关键,要结合国家的能源战略、产业政策以及各地经济的发展规划,进行全国或地区的燃气管网规划。

②在管网的规划基础上,燃气管道的设计应考虑管道间的联网运行,而燃气管道联络线的设计应考虑保安供气和双向输送的功能。

③燃气管道的设计应考虑近、远期的各种极端工况、调峰工况、事故工况、日常工况等,合理地确定管道的管径和运行参数,以增大管道的适应性。

④关于全线燃气调压站的布局和位置,应在管道的输送压力和管径确定后、优化压比后确定；其他站场的布局应根据市场分布、站场功能及社会依托条件等综合确定。

⑤为提高对社会安全保障的要求,调度控制中心应能对全网和全线进行远程控制。

⑥站场工艺流程应根据确定的功能进行优化,要简化流程,以减少压力损失,合理进行设备选型,确保系统安全及变工况运行。

⑦燃气管道原则上仅为下游用户承担季节调峰,对于燃气电厂等用气规模大、用气规律特殊的用户可以考虑承担小时调峰。

⑧管道安全保护系统动作先后顺序宜为：自动切换,超压紧急切断,超压安全放散。一般站场的安全保护系统应包括ESD系统（即紧急停车系统)、自动切换、超压紧急切断、超压安全放散等。

8.1.2　系统安全影响因素

1)管道压力

管道的最大允许工作压力（MAOP)受安全、设计、材料、维修历史等因素影响。系统运行压力不得超过该系统认证或设计的最大允许工作压力。如果任何管段发生影响管段最大允许工作压力的物理变化,必须对最大允许工作压力进行重新认证。

管段的最大允许工作压力应取决于以下各项的最低值：

a.管段最薄弱环节部件的设计压力；

b.根据人口密度和土地用途确定设计压力等级；

c.根据管段的运行时间和腐蚀状况确定最大安全压力。

通过应力分析进行管道及管道构件的设计,管道及管道构件的压力等级应保持一致。

2)管道路由

管道通过地区的洪水、地震、滑坡、泥石流等地质灾害已成为对管道安全造成危害的主要因素。因此,应在地质勘察的基础上,结合国内外先进的经验,对沿线地质状况进行仔细分析和研究,制订出可靠的防护方案。

近几年来,发达国家都在对通过各种地质灾害影响区域的管道敷设方案进行大量的研究,提出了很多措施。由于地质活动的复杂性,为减少和减轻地质灾害对管道造成破坏,在设计时就应综合考虑线路路由和对地质灾害有效的防护措施,以便确定最佳的线路方案；并应长期对活动多发带的地质活动和管道应力变化进行监测,并将其纳入管道控制之中,以便随时掌握地质活动情况和管道安全状况,确保管道运行安全。

3)腐蚀控制

腐蚀控制系统的设计应符合相关规范,确保所有新建埋地阴极保护在投产前完成。

设计中应规定所需的测试、检测和调查,以判定管道设施上腐蚀控制的有效性,例如：大气腐蚀检测,阴极保护水平调查,绝缘设备检测,杂散电流调查,整流器和地床检测,外界干扰搭接的调查,避雷设旋检测,牺牲阳极的调查,外界搭接检测,整流器运行情况检测,外露管道检测,干扰测试。

4)燃气气质

进入管道的燃气气质必须符合国家燃气气质标准。应使用气相色谱仪、硫化氢分析仪、露点分析仪等设备检测进入管道的燃气,避免超标的燃气进入管道。站控系统在检测到气质超标时应产生报警。气相色谱仪应实时分析管道的气体组分。气体组分和热值数据应上传到站控系统。色谱分析仪向站控系统提供设备诊断信息和设备报警信息。

8.1.3　系统安全保护

1)系统保护

知识窗

SCADA系统

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统,即数据采集与监视控制系统。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统,它可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。它应用领域很广,可以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。由于各个应用领域对SCADA的要求不同,所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。

PLC控制器

PLC(Programmable Logic Controller)可编程逻辑控制器,是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程,是工业控制的核心部分。PLC控制器主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器,用于控制机械的生产过程。

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,基本构成为:a.电源;b.中央处理单元(CPU); c.存储器;d.输入输出接口电路;e.功能模块(如计数、定位等功能模块); f.通信模块。

（1)管道保护系统

管道保护系统需进行分级设置,并确定优先顺序。例如,部分单体设备应单独采取本地保护措施,以保护其自身系统；通过站控系统和安全系统来对整个场站设施进行保护；按照管道系统保护原则,通过SCADA系统（详见第12章)对整个管道系统进行保护。SCADA系统监控整个系统的异常情况或威胁系统完整性的情况,如果控制中心操作员没有采取任何措施,SCADA系统可自动采取保护措施确保整个管道系统的安全。

保护系统的逻辑至关重要,在管道系统出现问题时,不能简单地通过停止设备或关闭阀门来解决,这样可能会增加问题的严重性而不能消除问题。

此外,还应考虑SCADA远控失效情况下的系统保护。如果SCADA系统不能正常下发控制命令来保护系统或找出问题时,本地保护系统应该能够控制和保护现场设备。如果站控PLC或RTU与控制中心通信中断,站控PLC或RTU可自动判断出通信中断,并能够自动由远控方式切换到站控控制方式。

（2)调控中心

在整体系统保护理念下,安全始终是运行及控制原则中首要考虑的问题,要实现安全第一的目标,调控中心应执行以下任务：

①整个系统按以往操作历史进行评估,并对操作的复杂程度进行分级。

②应考虑使用PLC（详见第12章)作为本地过压自动保护系统的控制器。PLC对检测压力进行处理,并按照预先编制的控制逻辑自动向过压控制设备发出控制命令。

③每个场站应设置站控人机界面（HMI),便于本地维护人员和站控PLC之间交互。

④应采取积极的态度,借助自控系统硬件和软件防止系统发生过压情况,而不是在系统发生过压后再做出反应。

⑤应考虑在上游和下游站采取压力设定值的方式,保护站间系统。

（3)站控系统

站控系统至少应具有以下功能：

①通过站控PLC对站的设备和工艺参数进行监控,包括压力、温度、流量、燃料气、空压机、火灾、可燃气体检测及站内压缩机、阀门、分离器运行状态等。

②与压缩机组控制盘进行通信,进行设置点控制和报警显示。

2)安全保护

输气站的紧急停车系统（ESD)包括压缩机组的ESD系统（或其他单体设备ESD系统)和站场ESD系统。压缩机组的ESI系统用以完成压缩机组安全的逻辑控制,站场的ESD系统用以完成输气站安全的逻辑控制。

ESD系统动作可手动（调度控制中心、站控制室的ESD手动按钮、工艺设备区现场的ESD手动按钮、压缩机组的ESD手动按钮)或自动（站场ESD系统或压缩机组的ESD系统信号)触发。无论ESD命令从何处下达及SCS（站控系统)或UCS（单元控制系统)处于何种操作模式,ESD控制命令均能到达被控设备,并使它们按预定的顺序动作。所有ESD系统的动作将发出闭锁信号,在未接到人工复位的命令前不能再次启动。

ESD系统设备一般应由UPS供电。

（1)压缩机组的ESD系统

压缩机组的ESD系统是压缩机UCS中独立的系统,该系统在下列任一信号发出时,将使正在运行的压缩机组按预定的程序停车,并自动关闭压缩机组的进出口阀,关闭燃料气供给系统等。ESD系统的启动主要包括以下信号：

·ESD按钮动作；

·接到调度控制中心或SCS的ESD命令；

·压缩机组或燃气发动机轴振动超高报警；

·空冷器振动超高报警；

·压缩机组或燃气轮机轴承温度超高报警；

·润滑系统故障；

·压缩机机罩火焰探测器报警。

（2)站控制系统的ESI系统

站控制系统的ESD应单独设置。在下列任一信号发出时,ESD系统将按预定的程序停车,并关闭进出站阀,打开站内放空阀使站内高低压分别放空,待进出站压力平衡后打开越站阀使燃气走越站流程。主要信号有：

·ESD按钮动作；

·接到调度控制中心的ESD命令；

·两个及两个以上可燃气体浓度探测器检测到可燃气体浓度超过最低爆炸下限的40%；

·两个及两个以上压缩机厂房火焰探测器报警；

·经确认的输气站内重要设施发生火灾；

·站场ESD与压缩机组ESD（或其他单体设备ESD)具有连锁功能,当站场ESD启动时,压缩机组ESD自动启动。

场站至少安装两个ESD按钮,执行紧急关站。ESD按钮应硬接线到站ESD系统。站ESD系统应独立于站控系统。所有ESD按钮状态都应在站控系统显示。ESD系统在维护和测试时可被屏蔽,并在站控显示ESD系统的屏蔽状态。

8.1.4　场站设计要求

1)一般要求

现场布置、间距和设备安装方位应采用统一标准,但可根据各站具体情况有所差异。在对现有系统进行改造和扩建时,场站系统设计应与已建系统保持一致。

场站的设计至少应满足以下要求：

①系统中的所有构件（压缩机、仪表、阀门和管道)的尺寸选择应保证性能最优,所有设备应能满足所有运行工况。

②整个系统的设计应满足设计工况范围（压力、温度、密度、黏度、质量和流速)。要保证单体设备和整个系统的灵活性,设备和相连管道应满足极端工况要求。

③对新建、改扩建系统或设施,应考虑操作、维护的便捷性和未来的设施扩建,包括所有仪表、阀门、阀执行机构、双截断阀放空管、法兰、排污管、注脂、电气接线盒和面板都要有合理操作和维护的空间。

④对于需要拆卸维修的机械装置或设备,如压缩机、阀、仪表元件、仪器、仪表管、电气套管、法兰螺栓、吊车、临时外部连接头,要保证留出足够空间。

⑤应为站场所有设备的操作、巡检和维护提供畅通无阻的通道、台阶和平台。

⑥各站场应有消防通道、回车场和吊车装卸作业通道。

⑦站内设施布局设计应考虑风向影响,放空管线、排污池应设置在站场主设备和控制室的下风侧。

⑧设备的最大噪声水平应满足国家及地方标准。设计时应考虑将噪声对员工健康和安全的影响降至最低,对附近社会公众和设施的影响也应满足要求。

⑨有人值守站场,如果发生报警应设置有报警声音警告现场人员。

场站宜设置区域阴极保护系统,以防止地下管道的腐蚀,保证地下管道的安全。

2)站场功能

站场的各类系统至少应达到如下要求。

（1)分离（过滤)系统

①过滤设施上下游管道上应设置就地压力检测仪表和差压报警检测仪表。

②过滤器差压报警设定值设置应考虑工艺条件以及过滤器滤芯的承压能力。

③过滤器后的截断阀宜采用远控阀门,并应将阀门信息远传至站控制系统和调度控制中心。

④滤器发生故障或差压开关报警时应立即切换到备用过滤器。

⑤在过滤器切换时,必须在备用过滤器上、下游截断阀位处于全开位置时,故障过滤器上、下游截断阀才能关闭。

（2)调压系统

①分输调节阀宜设置为选择性保护调节,有压力控制和流量调节两种控制方式。

②压力和流量的设定可由调度控制中心或站控制系统完成。

③调压阀应具有自动调节和强制阀位调节两种模式。

④调压阀应设置为故障保持模式。

（3)站场放空系统

放散系统设置方式：

①站场的进、出站管线上,压缩机及分离、计量、调压设备的下游应设置放散管线。

②站场的进、出站管线上的放空宜为自动放空系统,其他部分的放空宜为手动放空。

自动放散系统的控制要求：

·自动放散系统应设置电动放散阀,电动放散阀应设置为故障保持模式。

·电动放散阀宜纳入站场ESD系统；ESD触发时自动打开,排放站内管道燃气。

（4)清管系统

①清管器的收、发筒应考虑可以发送和接收管道内检测器。

②清管器的接收筒应考虑接收硫化亚铁杂质时的加湿措施,以防硫化亚铁遇空气自燃。

③清管器收、发送作业应为现场有人操作。

④清管站应设置有排污池。

（5)分输系统

站场分输系统一般应有压力控制和流量控制两种模式。当流量低于限制值时,宜为压力控制；当流量高于限制值时,应转为流量控制。

要保证经过流量计的流速在流量计允许范围之内。如果不设置调压阀,应考虑防止流量计反转的措施。

（6)线路截断阀室

线路截断阀室一般应设置为远控或远程监视功能,线路截断阀执行器应选择气液联动执行机构,执行机构必须具有依靠自身动力源快速关闭线路截断阀的功能。其旁通阀、放空阀应为就地手动操作。

线路远控截断阀控制要求：

①降速率检测和自动关断。

②线路远控截断阀具有就地、远控关阀等功能。

③线路远控截断阀应有全开、全关阀位显示,并将信号远传到调度控制中心。

④在调度控制中心应设置远控关闭的权限。

⑤调度控制中心远程ESD关闭。

线路远程监视截断阀要求：

①压降速率检测和自动关断。

②在调度控制中心宜有远程设置截断阀报警参数及自动关断参数的权限。

③线路远控截断阀应有全开、全关阀位显示,并将信号远传到调度控制中心。

④线路远控截断阀具有就地开、关阀等功能。

3)燃气调压站

燃气调压站通常分为两类：一是用于增加燃气压力的加压站,多用于长输管线、干线；二是用于降低燃气压力的减压站,多用于城镇燃气管网。燃气加压站通过增加管道气体能量来补偿燃气输送过程中的压力损失,场站的设计至少应满足以下要求：

①燃气调压站应与邻近构筑物保持安全距离,以减小发生火灾时蔓延到邻近构筑物的可能性,燃气调压站应有畅通的环形消防通道。

②燃气调压站站控应与控制中心保持连续通信,并具备监控全站的功能,以便在发生异常和紧急情况时进行本地控制。

③燃气调压站内管道必须按照相关的规范要求进行设计,一般要求管道最大应力小于最小屈服强度（SMYS)的50%,还必须设计和安装足够的限压和放散设备。

④燃气加压站在机组正常运行工况下,越站截断阀关闭,进、出站阀全开,燃气经增压后进入下游管道。压缩机停运工况下,站隔断阀（即进、出站阀)也可以保持常开状态,越站截断阀应打开。

⑤站内应安装止回阀,确保气体单向流动。

⑥每个燃气调压站必须设有安全阀或其他防护设备,确保站内管道和设备不超过最大允许工作压力（MAOP)的10%。

⑦燃气调压站安全阀的放散管必须延伸到一个可以进行无害排放的位置。

⑧在进行场站维护和紧急关站（站ESD)时,不应中断干线输气。在紧急关站（站ESD)时,进、出站阀自动关闭,越站截断阀应在前后压力平衡后打开（手动或自动)。

⑨燃气调压站可配备气相色谱仪,监测热值、压缩因子、组分和其他特性。可用其他设备监测水露点、温度和压力。

⑩燃气调压站要在多个位置测量燃气温度。站出口燃气温度需要测量并传至SCADA系统,以保护燃气调压站下游干线管道涂层。有些站还要配备冷却器以控制站出口温度。

在压缩机组出现异常情况或站需要维护时,可采取管线放散或火炬放散的方法降低场站运行压力。在紧急情况（ESD)下,自动关闭进、出站阀和机组进、出口阀,并打开放空阀,降低站内压力。

每个燃气调压站必须有足够的消防设施。自动消防系统的控制不受ESD系统的影响。