探究燃氣管道調(diào)壓器工作性能影響因素及解決措施

嚴幫銀

（江蘇省沭陽華潤燃氣有限公司，江蘇 沭陽 223600）

燃氣管道調(diào)壓器是城鎮(zhèn)燃氣輸配過程中不可或缺的重要設(shè)備，主要負責(zé)處理下游壓力問題，將上游高壓力調(diào)節(jié)至下游可承受或需要的低壓力，將出口壓力保持在恒定數(shù)值。調(diào)壓器是一種高可靠性的裝置，但因燃氣輸送中介質(zhì)存在雜質(zhì)、工礦參數(shù)及設(shè)備自身失效等因素，對調(diào)壓器穩(wěn)定工作帶來巨大影響，嚴重者導(dǎo)致調(diào)壓器切斷，造成供氣中斷，影響民眾正常生活。本文根植于此，探究確保燃氣管道調(diào)壓器正常工作的措施。

一、調(diào)壓器工作原理

調(diào)壓器分為直接作用式調(diào)壓器與間接作用式調(diào)壓力，本文以直接作用式調(diào)壓器為例，分析其工作原理。調(diào)壓器主要由控制元件、敏感元件、執(zhí)行機構(gòu)、閥門等部分組成（詳見下圖1）。按照圖1 序號，依次代表設(shè)定元件、驅(qū)動器、膜片、信號管、閥口、調(diào)壓器殼體、調(diào)節(jié)元件、驅(qū)動器殼體。其中P1 與P2 分別代表調(diào)壓器的進口與出口壓力。

進口壓力P1 經(jīng)調(diào)壓器減壓后，出口得到降低后的壓力P2。出口壓力可通過“1”設(shè)置，壓力通過“4”進入“3”的下方，此時“1”的彈簧壓力向下，P2對“3”的壓力朝上，二者達到相對的平衡，此刻出口壓力保持穩(wěn)定狀態(tài)。

二、燃氣管道調(diào)壓器工作影響因素

（一）節(jié)流效應(yīng)產(chǎn)生的影響

1.節(jié)流膨脹與焦耳——湯姆遜效應(yīng)

燃氣流經(jīng)管道調(diào)壓器節(jié)流部件時，易產(chǎn)生節(jié)流膨脹與焦耳——湯姆遜效應(yīng)，促使燃氣溫度降低，經(jīng)過調(diào)壓器后呈現(xiàn)出低溫狀態(tài)，導(dǎo)致調(diào)壓器前后壓力變化，對燃氣進口溫度產(chǎn)生負面影響。經(jīng)測算，燃氣調(diào)壓器溫度可用式（1）進行計算，概算溫度與壓降的關(guān)系。式中T1、T2代表調(diào)壓器前后的燃氣溫度；a 代表修正系數(shù)，取值為0.8-0.9；P1、P2分別代表進出口壓力；K 代表絕熱指數(shù)，輸送燃氣時取值為1.2-1.4。常規(guī)條件下，壓力每降低0.1MPa，燃氣溫度降低0.4℃左右。

2.節(jié)流效應(yīng)對調(diào)壓器工作性能的影響

如果燃氣溫度降至露點溫度以下，將導(dǎo)致管路及調(diào)壓器外表結(jié)露，嚴重者結(jié)霜。此環(huán)境下，燃氣中易產(chǎn)生水化物，影響調(diào)壓器閥門或指揮器出現(xiàn)凍堵，最終導(dǎo)致調(diào)壓器故障。同時，如果長期在低溫環(huán)境下工作，將大大縮短橡膠密封件使用壽命。此外，節(jié)流效應(yīng)對調(diào)壓器管道系統(tǒng)有明顯影響。由于埋地管道四周土壤含有水分，當(dāng)管道溫度降低后，周邊土壤凝結(jié)成冰。依照土壤凍脹原理，解凍后的土壤擠壓管道，容易導(dǎo)致管道形變，局部壓力過于集中，加大燃氣輸送風(fēng)險。

（二）設(shè)備振動與噪聲的影響

調(diào)壓器工作過程中，易引發(fā)振動，產(chǎn)生噪聲。常規(guī)條件下，噪聲可分為機械振動噪聲、流體力學(xué)噪聲及空氣動力學(xué)噪聲，此類噪聲對設(shè)備運作產(chǎn)生巨大負面影響。機械振動噪聲主要由于設(shè)備振動、閥芯震蕩性位移的波動、固有頻率振動產(chǎn)生的噪聲，即“喘動”噪聲。調(diào)壓器振動噪聲產(chǎn)生的原因與構(gòu)件結(jié)構(gòu)、零件配備、加工工藝及裝配方式等相關(guān)。燃氣流經(jīng)調(diào)壓器閥門及管徑變化段時，受節(jié)流效應(yīng)影響，管道氣壓及流速發(fā)生變化。當(dāng)流速驟變時，調(diào)壓器閥門口徑部位易形成漩渦，導(dǎo)致部分機械能轉(zhuǎn)化為空氣動力學(xué)噪聲，進一步加劇噪聲產(chǎn)生。

（三）工況條件及各項參數(shù)的影響

1.出口壓力設(shè)定問題

當(dāng)調(diào)壓器出口壓力設(shè)置過低時，導(dǎo)致燃氣在閥芯和閥座閉合處的壓力差增大，如果氣體內(nèi)存在雜質(zhì)，將加速沖刷閥芯與閥座，影響閥芯及閥座閉合性能。由于燃氣輸送存在高低谷時段，當(dāng)氣量較低或不用氣的情況出現(xiàn)時，調(diào)壓器無法完全關(guān)閉，有可能會導(dǎo)致調(diào)壓器超壓切斷。

此外，當(dāng)燃氣管道調(diào)壓器處于多路聯(lián)合運作時，不同出口設(shè)定值具有控制調(diào)壓器運行路及備用路的功能?？紤]到系統(tǒng)壓力限制問題，當(dāng)出口壓力設(shè)定值過高時將影響安全保護切斷功能。由于調(diào)壓器出口設(shè)定值過于接近安全切斷值，一旦調(diào)壓器精度下降或管道燃氣流量波動大，將導(dǎo)致切斷閥非正常運作。

2.下游燃氣流量問題

當(dāng)燃氣管道流量發(fā)生變化時，其流速順應(yīng)改變，在附加動壓的影響下，調(diào)壓器切斷閥膜片產(chǎn)生附加作用力及沖擊力，造成調(diào)壓器切斷閥自主切斷，導(dǎo)致切斷閥閥桿處發(fā)生彎曲形變或斷裂等問題。

三、改善燃氣管道調(diào)壓器工作性能的措施

（一）應(yīng)對節(jié)流效應(yīng)的措施

1.優(yōu)化調(diào)壓器及切斷閥導(dǎo)壓管

在導(dǎo)壓管處增設(shè)電加熱泵及電伴熱帶，通過外部輔助的方式限制降溫幅度，同時在管道外部纏繞保溫材料。基于此，可緩解調(diào)壓器“凍堵”問題。設(shè)置電加熱泵與電伴熱帶時需考慮調(diào)壓器后側(cè)管道材質(zhì)，盡可能采用耐低溫材料。

2.應(yīng)用水浴式換熱器或電加熱器

應(yīng)用水浴式換熱器的優(yōu)勢是可運用燃氣燃料，將水加熱后，通過燃氣管道與介質(zhì)間換熱。電加熱器與其原理基本相同，通過加熱內(nèi)部元件達到換熱的目的。水浴式換熱器或電加熱器都可自動調(diào)節(jié)熱負荷，控制燃氣介質(zhì)溫度。該方法可徹底解決燃氣介質(zhì)降溫的問題，但缺點是投入過大，同時受電負荷影響，對場地要求較高。

（二）合理控制設(shè)備的振動噪聲

調(diào)壓器設(shè)備運行過程中易產(chǎn)生振動噪聲，防止或減弱振動噪聲需從物理學(xué)視角分析。首先，燃氣流動時與設(shè)備及管道產(chǎn)生的噪聲頻率與調(diào)壓器固有頻率類似，從而發(fā)生共振現(xiàn)象。解決噪聲的關(guān)鍵因素是合理選擇調(diào)壓范圍，防止上下游壓力多次波動。由于空氣動力學(xué)造成的噪聲無法完全消除，所以可采用減弱措施。高壓燃氣流經(jīng)調(diào)壓器時的規(guī)律符合高壓阻塞噴注的湍流噪聲，借鑒馬大猷院士研究得出的噴注噪聲規(guī)律，應(yīng)用小孔消聲原理控制調(diào)壓器產(chǎn)生空氣動力噪聲進行降噪。運用特瑞斯能源裝備股份有限公司生產(chǎn)的消音設(shè)備，借助多級節(jié)流降噪及小孔降噪相結(jié)合的方式進行消音降噪處理。

針對流體力學(xué)噪聲，根據(jù)流體噪聲產(chǎn)生原理（經(jīng)調(diào)壓器及閥門閥口及管道內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦而引發(fā)的噪聲），其與氣體流動相關(guān)，噪聲等級較低，但氣流形成漩渦與流勢和管道內(nèi)壁作用形成漩渦振動，以此產(chǎn)生劇烈噪聲，即管道噪聲。管道噪聲影響調(diào)壓器及燃氣管道穩(wěn)定運行，可在管道尾部設(shè)置消聲設(shè)備，達到降低噪聲的效果。

（三）改善工況條件與優(yōu)化參數(shù)的措施

設(shè)計階段需合理選擇調(diào)壓器通過能力。擇取調(diào)壓器通過能力的過程中，需參照系統(tǒng)運行最惡劣的工作情況，即調(diào)壓器進出口壓力控制在臨界范圍，綜合分析進出口壓力變化對調(diào)壓器通過能力的影響。同時，核驗調(diào)壓器對進口壓力最小流向的適應(yīng)性：擇取調(diào)壓器過程中，需確保調(diào)壓器最大通過能力Q=1.2 Qj（Qj≈0.3Q）。與此同時，保證調(diào)壓器工作流量不低于Qj,一旦低于臨界值將造成劇烈震動。依照管道流量Q 與進出口壓力P1、P2（見式（1））之間的關(guān)系，用下文的式（2）與式（3）計算流量系數(shù)Kg。需要注意的是，應(yīng)考慮調(diào)壓器出口流速與調(diào)壓器噪聲之間的關(guān)系，即流速過高將導(dǎo)致調(diào)壓器噪聲過大。常規(guī)條件下，流速V 需控制在150 m/s。如果負荷變化過大或燃氣用量過多，需適當(dāng)加大出口管徑，同時加長管道長度。

亞臨界條件（P1<2P2）時：

超臨界條件（P1 ≥2P2）時：

式（2）與式（3）中：Kg 代表流量系數(shù)；Q 代表燃氣流量；P1、P2與式（1）同。我國常用專用選型軟件對燃氣管道調(diào)壓器進行選型設(shè)計。通過仿真技術(shù)模擬額定流量、進出口壓力等各項工況參數(shù)。借助軟件可實現(xiàn)對調(diào)壓器尺寸、噪音值、開度、閥芯與閥座等參數(shù)進行模擬測驗，以此優(yōu)化調(diào)壓器選型。

針對調(diào)壓器系統(tǒng)壓力設(shè)定問題，考慮到燃氣用戶的復(fù)雜性與高低谷時段差距明顯等因素，在滿足供需要求基礎(chǔ)上，需設(shè)定調(diào)壓器進出口壓力及安全切斷壓力。國內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范尚未界定調(diào)壓器設(shè)置原則，可借鑒西方國家 EN12186 標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合燃氣管道調(diào)壓器承壓情況，合理設(shè)定安全切斷壓力。例如，直供用戶或氣量需求大的下游用戶，需考慮壓力保護值與進出口壓力設(shè)定的優(yōu)先次序。

四、結(jié)語

通過對燃氣管道調(diào)壓器的研究，深入了解影響調(diào)壓器正常工作的因素。為了確保燃氣輸配管網(wǎng)安全運行，需有效應(yīng)對節(jié)流效應(yīng)，優(yōu)化上下游工藝參數(shù)，讓管道內(nèi)部保持清潔，將運行維護管理貫徹始終，保障燃氣管道調(diào)壓器正常工作。