直埋式地下燃氣調壓站的設計與應用

上海飛奧燃氣設備有限公司

王 進 施漢龍 曹 暉 石麗麗 胡軼佳

城市發展進程中，建筑和人口密度不斷加大，城市規劃與燃氣調壓設施之間的矛盾日益突出。埋地式燃氣調壓站解決了燃氣調壓站原有的占地面積大、周邊環境不美化和噪聲問題，成為燃氣調壓站創新的布置方式。

目前市場上埋地式燃氣調壓站的整體結構形式分為兩種[1]：一種是直埋式燃氣地下調壓站，直接安裝于地下，結構形式的特點是將切斷閥與過濾網放在同一個筒體內，氣體經過濾網過濾后再流經切斷閥，最后到低壓筒體進行降壓，這種整體集成式設計能減少設備體積，但因未考慮濾網筒排污問題，濾網更換和檢查都有難度；另一種是傳統箱式埋地燃氣調壓站，結構形式的特點是將調壓裝置整體置于一個大箱體內，再將整個大箱體安裝于地下，但需考慮整體箱體向頂部開啟的便利性，使整體尺寸受到限制，從而調壓裝置的管徑也受限而不易過大，最終導致調壓裝置的流通能力很小。

1 主要部件設計

直埋式燃氣調壓站主要部件設計中，防水、防腐和排污是必須考慮的首要問題，也是參考規范T/CECS 10165－2021《直埋式城鎮燃氣調壓箱》(以下簡稱調壓箱規范)的基本要求。除此以外，站內儀表、閥門的操作與維修方便性，濾芯更換的方便性，調壓站整體成本、智能化設計也是設計的重點。著眼以上關鍵點，直埋式調壓站采用分體式設計更能貼近以上需求，結構簡單明晰，操作維護便利，具有更廣泛的擴展性。

1.1 總體結構設計

直埋式地下調壓站分體式結構，如圖1所示，

圖1 直埋式地下調壓站分體式結構

由6 個模塊組成：進口模塊、過濾模塊、切斷模塊、調壓模塊、出口模塊、放散模塊。每個模塊各自獨立，因此在各自維修過程均不會影響其他模塊的部件，且操作、巡檢中一目了然，站內儀表、閥門操作與維修也比較簡單方便。前5 個模塊間采用焊接方式進行連接，減少了法蘭接口，避免埋地狀態因土壤支架沉降引起調壓站法蘭失效而造成燃氣泄漏，且泄漏的燃氣會在土壤中擴散或積聚，難以監測。各模塊間的連接方式參考調壓箱規范中5.1.7：直埋式調壓箱與外部燃氣管道的連接應采用焊接連接型式。直埋式地下調壓站中所有的設備采用上裝式，觀察、檢修過程中均可在地面觸手可及，可同樣參考滿足調壓箱規范中5.1.4c)直埋式調壓箱箱體應為地面操作與維護的結構。

直埋式地下調壓站的排污集中在圖1 中過濾模塊的底部，通過大半徑彎頭連接，將排污口延伸至操作箱內，便于在上部統一檢修、監測等操作。每個分體模塊上部需操作的部件均設置在獨立的小操作箱內，在地面上均可觸手可及。

1.2 防護部件設計

用于防護的操作箱直接影響整體設備的操作、維護及整體使用壽命，因此防護部件也是直埋式地下調壓站中的關鍵設備。英國燃氣專業學會IGEM行業規范推薦操作箱容積低于0.5 m3，箱體上可不設置通風設施，并不應使用減少自由體積的可拆卸方式[2]。此設計的優勢，一是可取消傳統埋地式調壓箱設置對流通風管，二是可減少各功能模塊操作箱的受力。每個功能模塊上部獨立設置的操作箱容積均小于0.5 m3，由鋼材制作的操作箱體下部與設備整體均采用焊接式連接，頂部開蓋。

為提高整體設備的使用壽命，操作箱需具備一定的防水、防腐能力，從而保證裝置的安全運行。對操作箱的箱體平面密封結構方式進行了以下兩種結構設計研究，見圖2。

圖2 箱體平面密封結構

第一種設計：密封件下方安裝固定在操作箱箱體平面處，如圖2a)所示。箱體采用雙重密封防護措施，第一層是靠箱蓋與密封墊壓緊所起到的防護；第二層防護來源于采用箱體向上折邊的結構，當水位低于折邊高度可有效避免外部水進入操作箱內。為應對上述安裝方式和便于密封墊的安裝，并考慮整體尺寸及折邊不易過寬的要求，箱體四角處的密封件需采用拼接形式，并采用條形狀可彎曲的多孔型材料進行安裝。最后將此安裝完成后的操作箱體整體浸沒在水池中，在閉水試驗中出現了滲水現象。該結果表明此設計方案的結構無法保證密封墊的環形密封。

第二種設計：密封件采用硬度HB40-70 的多硅膠材料，嵌在箱蓋內平面的環槽內，密封墊整體成型形成“O”型密封，如圖2b)所示。此密封結構同樣具有雙重密封結構，第一層是箱體的折邊(可有效限制低水位進入箱體內)，第二層是整體成型的密封墊。經過60 h 閉水試驗，能有效阻止外部水的滲入。該結果表明此結構可有效地防止一定時間段內雨水的滲入。

上述2 種防護部件的設計有以下兩個優點：

(1)傳統地下調壓箱中的自然通風管，通風效果有限，尺寸較大，不利于周邊環境的美化。獨立操作箱體方式可避免傳統地下調壓箱通風管的設置問題，有效改善對周邊環境的影響。

(2)操作箱由鋼材制作，鋼材的抗彎能力取決于形狀、屈服強度、化學成分等因素?？箯潖姸鹊挠嬎阋娛?1)：

式中：f——抗彎強度，MPa；

F——外載荷力，N；

L——測試臺支撐鋼板間距，mm；

b——鋼板寬度，mm；

h——鋼板厚度，mm。

獨立操作箱體的截面積和寬度b變小，b變小后會導致f變大，即抗彎能力得到大大的提升。

1.3 智能化部件設計

埋地式調壓站通常布置在地下或半地下，不便直面觀察，因此智能化的設計尤為重要。調壓站內的智能部件設計體現在整站壓力的遠程監測、切斷狀態的監測、壓力的遠程調節。

壓力的遠程監控可采用在地下調壓站的各路進口及調壓出口處、過濾器進出口處設置取樣口，連接至裝置旁的小型多通道智能控制器方式來實現?？刂破鞑捎脭底謧鞲衅?、嵌入式系統和物聯網通信技術，對進出口壓力、溫度等數據進行自動采集、自動上傳和自動報警。當壓力、差壓或溫度數據超限時，或切斷閥狀態開關量狀態變化時，智能控制器會實時上傳并發送報警短信至調壓站操作人員手機上，能幫助燃氣公司監測地下調壓站壓力，有效解決突發性壓力異常等問題，降低風險，減少損失。

另外可通過對調壓器加裝某品牌的PAX 系列執行機構，通過接收控制信號來執行壓力的遠程調節。PAX 系列執行機構有一個旋轉的線性輸出桿可控制彈簧，調節調壓器的設定壓力，從而可遠程改變調壓站的出口壓力。

1.4 防腐設計

埋地式調壓站中，防腐設計的選擇也很關鍵。目前國內埋地防腐材料技術已有了很大的提高，不再是采用傳統石油瀝青或環氧煤瀝青結構的“四油三布”防腐方式，而是采用一種100%固含量、雙組份、可快速固化、現場噴涂成型的高性能材料。此材料一般有較高的交聯密度和硬度，具有30%以上的斷裂伸長率，涂膜結構致密、吸水率低、彈性高、輕微磕碰無損傷。材料強度高，施工比較快捷，適用于金屬結構的埋地防腐。此材料可滿足在對連接密封部位實施保護后，對不規則裝置的整體噴涂，可大大方便防腐的施工及埋地裝置使用壽命的提高。

2 整體性能測試及應用實效

完成某項目直埋式地下燃氣調壓站整體設計后，對其進行整體性能測試。

2.1 整體性能測試

直埋式調壓站的整體性能主要體現在調壓性能上。某項目需求標準流量1 000 m3/h，中壓進口，低壓出口。按表1 中的檢測參數進行檢測，以驗證直埋式調壓站內關鍵設備(調壓器)的穩壓精度等級、關閉壓力等級、流量系數值是否滿足預定的參數及GB 27790－2020《城鎮燃氣調壓器》(以下簡稱調壓器標準)的要求。

表1 檢測參數

按照調壓器標準要求進行相關測試，由此得到某項目直埋式地下燃氣調壓站的性能曲線Q-p2，如圖4所示。實測數據結果記錄如下：設定出口壓力p2為12 kPa；實測流量范圍為(0～1 300)m3/h；穩壓精度等級AC 為5.0；關閉壓力等級SG 為10.0；出口壓力上限=p2×(1+AC/100)，為12.6 kPa；出口壓力下限=p2×(1－AC/100)，為11.4 kPa；關閉壓力上限=p2×(1+SG/100)，為13.2 kPa。

圖4 某項目直埋式地下燃氣調壓站Q-p2 性能曲線

從圖4 及實測的數據結果，對比調壓器標準及表1 可以看出，最終的直埋式地下燃氣調壓站實際測試結果數據值均優于預定的驗證參數值。同時，對照有關標準，滿足調壓器標準中6.5.2 條：穩壓精度等級AC應符合調壓器標準中表12的穩壓精度等級AC5(最大允許相對正、負偏差5%)的要求；也滿足調壓器標準中6.5.4 條：調壓器關閉壓力等級SG 應符合表13 中關閉壓力等級SG10(最大允許相對增量10%)的要求。

2.2 應用實效

某項目直埋式地下燃氣調壓站施工完成后，進行土壤回填、草坪綠化，留出檢修操作口，操作箱頂部覆蓋綠色裝飾。該地下調壓站對周邊的環境影響小，加上土壤對噪聲有一定的阻隔作用，有效避免了調壓站噪聲對周邊居民的影響。

3 結語

綜合上述，本文針對目前埋地式燃氣調壓站存在的通用問題，從直埋式燃氣調壓站的整體分體式結構設計上來解決目前埋地式調壓站結構復雜性的問題，同時提高了埋地式燃氣調壓站維護的便利性；從防護部件容積的選擇上來解決通風管的設置問題；從防護部件密封方案的選擇上來解決埋地式燃氣調壓站處于地下環境的密封性問題；從智能化設計上來解決埋地式燃氣調壓站的不便觀察性問題，并增加其遠程控制性；從防腐材料選擇上來解決防腐施工便利性的問題，以增加埋地式燃氣調壓站的使用壽命。直埋式燃氣調壓站這些新的設計思路，使其在操作、維護、使用壽命等方面都得到了提升，擴展了其應用的廣泛性，能有效解決未來日益緊張的土地資源問題。