天然氣調(diào)壓器工作性能影響分析

孟祥軍+許宏良+劉宏亮

摘 要：燃?xì)庹{(diào)壓器是各種場(chǎng)站的主要調(diào)壓設(shè)備，調(diào)壓器的正常運(yùn)行工作對(duì)天然氣管網(wǎng)向用戶供氣的能力與安全穩(wěn)定性有著直接關(guān)系，分析調(diào)壓器工作性能的影響因素有其獨(dú)特性。以自力式調(diào)壓器為研究對(duì)象，主要從節(jié)流效應(yīng)、噪音、上下游壓力差等方面分析影響其正常運(yùn)行的原因，產(chǎn)生的影響，并根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行管理提出相應(yīng)改善措施，提高調(diào)壓器安全運(yùn)行可靠度，為天然氣場(chǎng)站工作提供現(xiàn)實(shí)保障。

關(guān)鍵詞：天然氣；調(diào)壓器；影響因素；可靠度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.037

0 前言

燃?xì)庹{(diào)壓器是燃?xì)忾T(mén)站、各種場(chǎng)站的主要核心部件，也是燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配運(yùn)行過(guò)程中的核心調(diào)壓設(shè)備，調(diào)壓器的安全可靠運(yùn)行對(duì)天然氣管網(wǎng)向用戶供氣的能力與安全穩(wěn)定性有著直接關(guān)系[1-2]。但是，流體介質(zhì)的改變、工況參數(shù)多樣化及調(diào)壓器自身結(jié)構(gòu)缺陷，都會(huì)影響調(diào)壓器正常運(yùn)行，嚴(yán)重可致調(diào)壓器故障切斷，對(duì)正常生產(chǎn)、生活造成巨大影響。因此，本文通過(guò)對(duì)常用自力式調(diào)壓器力學(xué)工作原理分析，研究影響調(diào)壓器正常工作的因素，試探分析解決措施，確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 自力式調(diào)壓器工作原理

自力式的調(diào)壓器，是依靠介質(zhì)本身出口壓力變化自動(dòng)完成出口壓力調(diào)節(jié)的調(diào)壓器，也是應(yīng)用較廣的一種調(diào)壓器，根據(jù)有無(wú)指揮器分為直接作用式和間接作用式。出口壓力P2的變化通過(guò)信號(hào)管直接或經(jīng)過(guò)指揮器間接反饋到主調(diào)壓器皮膜上方彈簧上，然后通過(guò)改變彈簧受力自動(dòng)控制主閥的閥口開(kāi)閉擴(kuò)張，以適應(yīng)下游出口壓力P2的變化，來(lái)保證下游工作壓力的穩(wěn)定輸出，為燃?xì)廨斉浒踩\(yùn)行提供有利保障。

2 調(diào)壓器工作影響因素

2.1 節(jié)流效應(yīng)

天然氣經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓后產(chǎn)生的降溫現(xiàn)象即節(jié)流效應(yīng)，也稱焦耳—湯姆遜效應(yīng)，氣體在絕熱過(guò)程中發(fā)生的溫度變化用焦耳—湯姆遜系數(shù)來(lái)表示，其物理意義為單位壓力下降的溫度變化值[4]。一般情況下，壓力每降0.1 MPa，溫度大約降低1℃，即每公斤壓力降對(duì)應(yīng)1℃的溫度降，經(jīng)調(diào)壓器調(diào)節(jié)后的天然氣溫度變化程度可用公式1大約估算，出口溫度（T2）與氣體進(jìn)口溫度（T1）、出入口壓力比值有關(guān)[5]。

其中：α為修正系數(shù)一般取0.8-0.9；K為絕熱指數(shù)，天然氣為1.2-1.4；

調(diào)壓節(jié)流效應(yīng)給調(diào)壓器正常運(yùn)行帶來(lái)的負(fù)面影響主要為“冰堵”或結(jié)露。如果溫度T2低于天然氣露點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)使管路、調(diào)壓器等外表面產(chǎn)生結(jié)露甚至結(jié)霜。由于天然氣中的含有水分會(huì)在管路中會(huì)形成水化物，導(dǎo)致結(jié)冰現(xiàn)象，常發(fā)生在閥口或指揮器導(dǎo)壓管處，嚴(yán)重時(shí)造成調(diào)壓器故障，難以正常運(yùn)行，特別是北方寒冷地區(qū)，更要防止“冰堵”的發(fā)生。李偉、李銳[5]等在冰堵這方面有所研究報(bào)道。另外，節(jié)流效應(yīng)帶來(lái)的長(zhǎng)期溫降也會(huì)對(duì)調(diào)壓器內(nèi)部的橡膠部件壽命使用也有一定影響，影響其工作可靠性；在輸配運(yùn)行中，調(diào)壓器后管路系統(tǒng)中，由于管道介質(zhì)的溫度降低，埋地管道局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致管道產(chǎn)生變形，帶來(lái)巨大安全隱患。針對(duì)上述影響因素，目前實(shí)際操作中，常用電加熱泵與電伴熱帶等保溫加熱措施來(lái)保證調(diào)壓器的正常運(yùn)行。

2.2 振動(dòng)與噪聲影響

調(diào)壓器設(shè)備在壓力調(diào)節(jié)與流量控制運(yùn)行過(guò)程中，引發(fā)振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，一般情況下根據(jù)原理的不同，噪聲可以分為機(jī)械振動(dòng)噪聲、空氣動(dòng)力學(xué)噪聲、流體力學(xué)噪聲，這些噪聲都會(huì)對(duì)調(diào)壓器的正常運(yùn)行造成影響。機(jī)械振動(dòng)噪聲是機(jī)械類(lèi)振動(dòng)、固有頻率振動(dòng)和閥芯震蕩性位移引起的壓力波動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲，上述的“喘動(dòng)”就屬于這種噪聲，產(chǎn)生的原因常與調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件材料的選擇、設(shè)備的加工裝配工藝有關(guān)。實(shí)際操作過(guò)程中，要防止天然氣流動(dòng)過(guò)程中與設(shè)備和管道產(chǎn)生的噪聲頻率和調(diào)壓器固有頻率相同而發(fā)生共振，關(guān)鍵途徑就是合理選擇調(diào)壓范圍工作，防止上下游壓力頻繁波動(dòng)。

天然氣流經(jīng)調(diào)壓器閥口或管徑變化段時(shí)，由于節(jié)流效應(yīng)，氣體壓力與流速發(fā)生變化，尤其是流速突然變大沖刷閥芯在閥口擴(kuò)徑部位形成湍流旋渦，使得部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為空氣動(dòng)力學(xué)噪聲，加劇噪聲的產(chǎn)生，一般空氣動(dòng)力學(xué)噪聲不可以消除，但可以采取措施減弱。高壓天然氣通過(guò)調(diào)壓器時(shí)的規(guī)律符合高壓阻塞噴注的湍流噪聲，根據(jù)馬大猷研究噴注噪聲的規(guī)律和小孔消音器作用的關(guān)系[6]，可以采用小孔消聲的原理對(duì)調(diào)壓器內(nèi)產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)噪聲進(jìn)行降噪。特瑞斯能源裝備有限公司的PL SIL II型消音設(shè)備如圖[1]所示，利用多級(jí)節(jié)流降噪和小孔降噪相結(jié)合的原理進(jìn)行降噪消音。

流體力學(xué)噪聲是流體在流經(jīng)調(diào)壓器、閥門(mén)閥口及管道內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦而引發(fā)的噪聲，是伴隨氣體流動(dòng)產(chǎn)生，一般不大，但是若氣流形成漩渦與勢(shì)流和管道內(nèi)壁相互作用形成漩渦振動(dòng)，并產(chǎn)生劇烈噪聲，所以也稱之為管道噪聲。管道噪聲的控制也是維護(hù)調(diào)壓器與管路正常運(yùn)行的重要途徑，一般在管道外部安裝吸聲、消聲裝備以降低噪聲。

2.3 工況參數(shù)影響

調(diào)壓器出口壓力P2設(shè)定、進(jìn)口壓力的大小、上下游壓差是影響調(diào)壓器運(yùn)行的重要工況參數(shù)。出口壓力P2設(shè)定過(guò)低，天然氣在閥芯與閥座閉合處的壓差增大，如果氣體中含有雜質(zhì)過(guò)多時(shí)，氣流會(huì)加速?zèng)_刷閥芯和閥座，嚴(yán)重影響閥芯和閥座的密封性，降低其關(guān)閉性能影響調(diào)壓器正常運(yùn)行。出口壓力設(shè)定過(guò)高時(shí)，對(duì)于單一調(diào)壓器而言，根據(jù)工作原理可知，指揮器與主調(diào)壓器皮膜做出相應(yīng)動(dòng)作，閥芯與閥座閉合，上游產(chǎn)生憋壓，下游壓力下降又促使皮膜移動(dòng)以致達(dá)到平衡位置，在整個(gè)平衡過(guò)程中，閥芯的頻繁動(dòng)作，增加了氣流對(duì)閥芯與閥座的沖刷頻率，降低其密封精度與可靠性。對(duì)于多路調(diào)壓系統(tǒng)而言，P2設(shè)定過(guò)高時(shí)，會(huì)對(duì)安全切斷閥設(shè)定壓力有一定影響，在調(diào)節(jié)壓力精度不高或流量波動(dòng)較大情況下，切斷閥會(huì)造成非正常切斷故障。

另外，控制上下游壓差的合理范圍也是保證調(diào)壓器正常運(yùn)行工作的要求之一，壓差不大情況下（3 Mpa以內(nèi)），氣流平穩(wěn)，氣體流動(dòng)聲音平緩，在天然氣分輸站調(diào)壓器正常調(diào)壓范圍內(nèi)可以保證氣流平緩供應(yīng)；壓差較大時(shí)（5 Mpa左右）氣流擾動(dòng)比較大，下游管道閥門(mén)發(fā)生抖動(dòng)噪聲嚴(yán)重，這是由于氣體高速流過(guò)障礙物（閥芯）時(shí)產(chǎn)生氣體分界層[7]，在閥芯產(chǎn)生漩渦，撞擊閥芯與管壁所致。長(zhǎng)期上下游壓差較大或間斷供氣，會(huì)導(dǎo)致閥芯與閥門(mén)關(guān)閉不緊，指揮器無(wú)法進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，降低調(diào)壓精度，甚至出現(xiàn)安全事故。因此，保證上下游壓差在

合理范圍內(nèi)、優(yōu)化閥芯與閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是維護(hù)調(diào)壓器正常工作的基本要求之一。

3 結(jié)論

（1）節(jié)流降溫嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致調(diào)壓器“冰堵”和輸配管路應(yīng)變變形，并對(duì)內(nèi)部橡膠零件使用壽命造成影響，實(shí)際工程中，常用電加熱泵與電伴熱帶等保溫加熱措施手段減少節(jié)流效應(yīng)影響。

（2）調(diào)壓器噪聲產(chǎn)生根據(jù)原理不同可以分為：機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力學(xué)噪聲、流體力學(xué)噪聲。產(chǎn)生噪聲的主要原因是氣體波動(dòng)流經(jīng)閥體或管道與之碰撞而產(chǎn)生，因此防止上下游壓差頻繁波動(dòng)、加裝吸音消音設(shè)備是有效控制噪聲的主要途徑。

（3）調(diào)壓器出口壓力P2設(shè)定、上下游壓差是影響調(diào)壓器運(yùn)行的重要工況參數(shù)，控制上下游壓差在合理的范圍內(nèi)，是保證調(diào)壓器長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵保障。

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作者簡(jiǎn)介：孟祥軍（1987-），男，碩士，從事城市燃?xì)夤こ碳夹g(shù)教育。endprint