輸配場站調壓器運行質量分析與評價

付國強

新疆燃氣集團有限公司天然氣輸配分公司?。ㄐ陆豸斈君R　830013）

天然氣場站是連接城市各級燃氣管網的重要紐帶，城市門站負責接收氣源，經過過濾、計量、加臭等工藝后，再進行調壓輸送到下一級管網的連接點即城市區域調壓站。而城市調壓站接收氣源，再進一步過濾、計量，調壓輸送到中壓管網中，最后再進一步降壓通過低壓管網輸送至各類用戶。因此，調壓器在整個輸送過程中顯得尤為重要。調壓器的基本功能是在將系統壓力維持在某一可接受范圍內的同時還必須滿足下游的流量要求。當流速較低時，調壓器閥瓣靠近閥座縮小通道以限制流量。當需求流量增加時閥瓣遠離閥座增加其打開程度以增大流量。在理想狀態下調壓器應能夠在輸送所需流量的同時，提供恒定的下游所需壓力。

從流體力學的觀點看，調壓器是一個局部阻力可以變化的節流元件即通過改變節流面積使流速及流體的動能改變造成不同的壓力損失從而達到減壓的目的。最主要的功能是保證天然氣在使用時具有穩定的壓力，從而保證燃氣用具能夠得到穩定的燃氣與空氣比例。當調壓器發生故障時能夠限制下游壓力在安全范圍內，最終目的是在燃氣供應系統中能夠將氣體壓力降低并穩定在一個使氣體得到安全、經濟、高效利用的使用狀態。

從工況參數、節流效應、氣質組分中的雜質等因素綜合考慮并分析了與運行質量之間的相互關系，進而探索建立故障預警機制。從而為提高運行質量和降低運行風險提供控制方法。隨著電子信息技術的快速發展，調壓器技術已從傳統化向智能化方向發展，極大地提高了調壓器運行質量和效率。

1　場站調壓器的種類、基本組成、結構及工作原理

根據操作原理將調壓器可分為直接作用（自力）式和間接作用（指揮器操縱）式兩大類。調壓器主要是由敏感元件、控制元件、執行元件、信號元件和閥門組成的調壓裝置。直接作用（自力）式調壓器的基本原理是執行機構動作所使用的全部能量是直接通過敏感元件經由被調介質提供。間接作用（指揮器操縱）式的基本原理是將敏感元件的輸出信號加以放大使執行機構動作，而傳感器放大輸出信號的能量源于被調介質或外供介質。將輸配部分場站使用的調壓設備列舉如下（表1）。

2　輸配場站調壓器的性能對比

調壓器的技術特性主要包括流量（阻力）特性和靜特性。調壓器通過氣體的流通能力，通常用流量系數Cg來反映其流量（阻力）特性，當進口溫度不變時，調壓器的流量特性處在臨界狀態，體積流量僅與進口絕對壓力成正比；當調壓器的流量特性處在亞臨界狀態，體積流量取決于進口和出口的絕對壓力[1]。在實際工程應用中調壓器的通過能力及其調節特性很難用理論方法確定，因此一般按標準狀態（0.101 MPa，273.16 K）對調壓器進行靜特性試驗，從而得到出口壓力P2隨進口壓力P1和流量q之間變化的關系曲線圖[1]，如圖1所示。

表1　輸配部分場站使用的調壓器統計表

圖1　調壓器靜特性曲線

根據GB 27790—2011《城鎮燃氣調壓器》中規定的方法進行分析，得到了調壓器的靜特性指標為：穩壓精度（A）、穩壓精度等級（Ac）、關閉壓力（Pb）、關閉壓力等級（SG）、關閉壓力區，關閉壓力區等級（Sz）[2]。

根據輸配場站目前使用的不同種類調壓器，對調壓器結構材質及適用范圍進行對比（表2）。

由以上對比可知：

1）Reval182、Reflux819、Aperflux851 三種不同型號的調壓器結構材質、功能特點也基本一致，只是工作原理和適用范圍不同。該系列產品具有流通能力大、調壓精度高，壓力設定范圍寬等優點，也存在受節流效應影響大、指揮器易堵塞等缺點。因此在實際使用中應注意：①流經調壓器進口處的氣體必須是經過濾后除去雜質的氣體；②在調壓器預調器進口處需安裝冷凝物收集和排污系統；③為了確保壓力信號的采集，必須在調壓器出口和下游的取壓點之間，要有一段大于等于4倍出口管徑的直管段，取壓點之后要有一段大于等于2倍出口管徑的直管段。

2）PL200系列調壓器具有結構優勢，如位移傳感器可將閥位的開度進行遠傳至站控系統；指揮器電加熱器防止指揮器閥口處結冰而導致調壓性能失效。具有調壓精度高，壓力調節范圍寬，流通能力大，指揮器不易被凍堵等優點，缺點是響應速度慢，維護成本高。在實際使用中應注意：①流經調壓器進口處的氣體必須是經過濾后除去雜質的氣體；②高于調壓器壓力設定的下游壓力可能會損壞皮膜等密封件及其他內部組件。

3）EZR和FL兩種不同系列的調壓器工作原理不同，基本組成結構也不相同。EZR型調壓器屬于曲流式結構，精度高，抗碎屑能力強，易維修等優點。缺點是切斷閥須單獨配置，增加成本。FL型調壓器屬軸流式結構，具有更大的流通能力，低差壓，高強度的調壓主膜片技術承受更高差壓等優點；缺點是切斷閥需單獨配置，增加成本，易發生凍堵。在使用中應注意：①控制好上下游壓差，減小壓力波動的沖擊造成內部組件的損傷；②定期維護保養。

表2　調壓器性能對比

3　調壓器故障與運行質量的關系

調壓器會因工況參數、節流效應、氣體雜質、噪聲、調壓器本身的特性等因素的影響而發生故障，根據對以上因素的分析討論，結合輸配場站運行實際及歷年調壓器故障維修數量統計，進一步分析調壓器故障與運行質量的預警控制方法。列舉了2014—2016年間冬季主要場站故障數量對比（表3），從而為建立有效的故障預警提供依據。

通過工況參數、節流效應、氣體雜質、噪聲及調壓器本身性能對調壓器運行質量的影響評估，結合表中對主要場站故障的描述，每一個場站的故障因素都可通過從這幾個因素進行分析。如配氣站、新醫路、金沙江等場站受到氣體雜質的影響因素較多，儲配站的調壓器受流速沖擊、雜質、設備本身部件性能的影響而發生故障。因此針對場站不同的調壓器故障類型制定針對性的故障預警很有必要。如從調壓器的性能入手，通過在低溫條件下的運行，分析調壓器內部零件的使用條件，故障發生的周期和時段；從上下游壓差的變化，分析調壓器發生故障的周期。

表3　2014—2016年冬季主要場站調壓器故障統計

4　調壓器本身性能等與運行質量的關系

以工況參數、節流效應、氣體雜質、調壓器特性為參考因素，作為變量因子，運行質量作為目標函數。分別用x、y、z、u表示工況參數，節流效應、氣體雜質、調壓器特性，用F表示運行質量。通過建立函數關系來進行評價運行質量。則定義 F=(x、y、z、u)，而工況參數、節流效應、氣體雜質、調壓器特性對運行質量的影響定義為差異化影響變化因子，即用分別表示工況參數、節流效應、氣體雜質、調壓器特性對運行質量的差異化影響的變化因子。

4.1　工況參數的影響及評價

4.1.1工況參數的影響

工況參數主要從壓力設定及氣體流量兩個因素考慮：①當出口壓力設定過低時，天然氣在閥芯與閥座閉合處的差壓增大。當氣體中含有雜質時，會加速沖擊閥芯和閥座，降低閥芯和閥座的關閉性能[3-4]。當用氣量較低時或不用氣時，調壓器不能完全關閉，易造成調壓器超壓切斷。②當出口壓力設定較高時，使得調壓器出口壓力設定值過于接近安全保護的切斷壓力，當調壓器調壓精度不高或流量波動較大時，出現切斷閥切斷故障。③當流量突然發生變化時，流速也發生變化。由于受到附加壓力的沖擊，調壓器切斷閥膜片處產生附加作用力和沖擊，很容易使切斷閥切斷，甚至使切斷閥拉桿因彎曲變形而發生斷裂。流速增大，使管道振動頻率增加，也極易造成切斷閥因脫扣而非超壓切斷。此種情況在獨立管網供應系統或直供用戶經常出現。

4.1.2工況參數對運行質量影響的評價

用p、q表示壓力及流量，而工況參數暫定義為壓力和流量的函數，即可表示為x=（p、q），對工況參數的影響因子分別表示為。則此時不考慮節流效應、氣體雜質、調壓器特性差異化影響的因素，只考慮調壓器運行質量受工況參數的影響，則有F=x（p、q），于是對運行質量的影響用式（1）[5]表示。

4.2　節流效應的影響及評價

4.2.1天然氣進調壓器后的出口溫度的計算

天然氣經過調壓器時，會產生焦耳-湯姆遜節流效應，導致天然氣溫度降低。調壓器后的低溫程度與調壓器前后壓降及調壓器前端天然氣的進口溫度有關。天然氣經過調壓器后的溫度可以用（2）式進行估算[3]。一般壓力每降低0.1 MPa，溫度降低0.4～0.5℃。

式中：T1、T2為調壓器前后的溫度，K；α 為修正系數，一般取 0.8～0.9；P1為調壓器進口壓力，MPa；P2為調壓器出口壓力，MPa；K為絕熱指數，一般天然氣取 1.2～1.4。

4.2.2天然氣的絕熱節流系數的計算

絕熱節流的溫度效應與氣體性質有關，也與氣體所處的狀態有關。絕熱節流效應常用溫度下降的數值與壓力下降的數值的比值表示。用

式中：μj-t為節流系數，K/Pa；T1為天然氣初始溫度，K；T2為節流后的溫度，K；P1為天然氣初始壓力，MPa；P2為節流后的壓力，MPa。

天然氣節流后，壓力降低，溫度降低，節流系數為正值，節流效應為冷效應。實際運行中節流效應對設備運行有很多影響：①如果溫度降低過多時，當溫度低于天然氣的露點溫度時，會使管路、調壓器外表面結霜，如天然氣中含水量高時，易形成天然氣水合物，導致在調壓器閥口處或指揮器的導壓管處發生冰堵現象，造成調壓器故障發生，從而運行受阻，影響供氣。②若調壓器長期在低溫下運行，容易造成調壓器橡膠密封件受損，縮短使用壽命。③若調壓器后的埋地管道土壤含水率較高，管道溫度較低時，極易造成埋地管道局部應力集中，導致管道發生變形或漲裂管道，從而引發管道安全事故。表示為節流系數，其物理意義為下降單位壓力時溫度的變化值，它隨溫度、壓力的變化而變化。當μj-t＜0時，產生熱效應；μj-t＞0 時，產生冷效應；當 μj-t=0 時，產生零效應[5]。而實際應用中天然氣的平均節流系數可采用查圖計算法和數學函數公式計算法兩種方法進行計算。公式（3）為查圖計算法的公式[6]。

4.2.3節流效應對運行質量影響的評價

根據以上分析，節流效應(記作y）受天然氣進口溫度T1，調壓器進出口壓力降的影響。為了分析方便，將進出口壓力比值記作M，進口溫度用t代替。定義運行質量只受節流效應的影響，則有F=y（M，t），其中 M=（4），當 M 值越大，則壓降越大，而當進口溫度取一定值時，y值越小，出口溫度越低，節流效應越顯著。當天然氣進口溫度t一定時，進出口壓降比越大時，則易出現凍堵，導致調壓器發生故障，運行受阻，因而運行質量降低。若要確保調壓器的運行質量，則必須提高天然氣進口溫度及控制好進出口壓力比。隨機抽取配氣站2016年12月中4天的運行工況數據為例進行說明（表4）。

從表4數據可知：1#撬、2#撬進口平均溫度均較低且基本在零度以下，而出口溫度均較高，調壓器前后溫度降ΔT的值小于零，則說明氣體的出口溫度是經過加熱后的氣體溫度。3#撬的前后壓降基本穩定，而溫度降ΔT的值大于零，則說明調壓器前段氣體的進口溫度是未經加熱后的溫度。

根據焦耳-湯姆遜公式，在相同的壓力下，節流系數隨溫度降低而升高，說明氣體溫度越低，節流后溫度降低越大[6]。因此為了確保不形成天然氣水化物造成凍堵，在調壓器進口段設置換熱裝置是有必要的。根據表4數據，利用（4）式計算配氣站1#～3#撬進出口壓力比M，再利用（2）式分別計算驗證進、出口絕對溫度 T1，T2，接著利用（3）式進行計算節流系數μj-t，計算結果驗證見表5。

表4　2016年12月中4天的配氣站運行工況參數

從表5可知：1#～3#撬出口溫度基本符合焦耳-湯姆遜公式，隨著溫度降低，計算得出的節流系數是升高的。1#、2#撬節流系數值小于零，將產生熱效應，恰好驗證了1#、2#撬調壓器進口端的氣體是經過加熱的，從而提高了調壓器進口端天然氣的溫度，而3#撬節流系數值大于零，說明節流效應將產生冷效應，也正好驗證了實際運行情況，即通過3#撬調壓器的氣體是沒有經過加熱的。根據2016年12月檢測的天然氣水露點值（-42.93℃）進行判斷不會發生凍堵現象。

表5　變量參數計算驗證結果

4.3　氣體雜質的影響及評價

4.3.1氣體雜質的影響

天然氣中雜質嚴重影響著調壓器的關閉性能，容易造成調壓器的指揮器堵塞，也會造成調壓器閥口和閥口墊處因細顆粒物的影響致使調壓器關閉性能變差，皮膜及密封件受損。調壓器故障發生、運行受阻、運行質量降低。

圖2　配氣站EZR型調壓器故障照片

4.3.2氣體雜質對運行質量影響的評價

將其他影響因素均不作為影響因子，只考慮管道氣體中所夾帶雜質的影響來進行評價運行質量的。氣體中夾帶的顆粒物等雜質在高流速沖擊下會造成皮膜破裂，密封圈損傷，嚴重的造成調壓器閥籠斷裂，調壓器故障發生，運行質量得不到有效保障。以配氣站所使用的EZR型調壓器（圖2），紅雁南門站所使用的Aperflux851型調壓器發生的故障照片（圖3）為例進行說明。

在實際運行中，配氣站調壓器的雜質主要為濾芯碎鐵屑、由于過濾器濾芯受到高速流體的沖擊，材質本身性能影響，在長時間的運行下易磨損老化被氣流撕裂成碎屑，從而造成下游調壓設備部件（如皮膜，閥籠）損傷發生故障。因此，對于濾芯的更換清理，調壓器的清理維護需根據運行工況變化而及時進行，確保調壓器運行質量不受影響。

圖3　紅雁南門站Aperflux851型調壓器皮膜及壓板破損故障照片

紅雁南門站3#撬調壓器皮膜因壓板破碎在高流速沖擊下撕裂皮膜，導致故障發生。經與供貨商廠家協商對皮膜壓板進行專項技術鑒定，確定系材質本身存在質量缺陷造成皮膜損傷。

4.4　噪聲的影響及評價

4.4.1噪聲的影響因素

調壓器在工作中會產生噪聲，一般根據原理不同，主要分為機械噪聲、空氣動力學噪聲、管道氣流噪聲。這些噪聲對調壓器產生不同的影響，主要表現為：①機械振動噪聲是機械類振動、固有頻率振動和由閥芯振蕩性位移引起流體的壓力波而產生的噪聲。這類噪聲產生的原因與調壓器的設計、零部件材料、管道材料、設備加工工藝、裝備質量有關。②天然氣通過調壓器的減壓部位時，調壓器的出口管徑變粗，天然氣的壓力下降，同時天然氣部分機械能轉化為動力學噪聲。這種噪聲主要是由于天然氣經過調壓器后流速突然急劇加速，沖刷調壓器的閥芯和調壓器出口擴徑部分形成的大量湍流漩渦。在調壓器噪聲中占的比例很高。這類噪聲的頻率一般在1 000～8 000Hz，一般沒有特別陡的峰值頻率。③管道氣流噪聲是天然氣經過調壓器后形成大量湍流運動，出現了流體逆流運動的趨勢使部分流體在經過調壓器擴口段后仍做不停的、劇烈的漩渦運動。這些漩渦與湍流、管壁以及漩渦自身之間的相互作用造成漩渦振動并產生激烈的噪聲。

4.4.2噪聲對運行質量影響的評價

從噪聲產生的來源及原理，可通過技術手段進行降噪處置，在實際生產運行中，機械噪聲、空氣動力學噪聲、管道噪聲目前無法得到有效的根治。而機械噪聲在實際作業過程中要防止天然氣通過調壓器和下游管道產生的噪聲頻率和調壓器固有的頻率相同而發生共振，防止共振發生的一個重要途徑就要使調壓器在合理的調壓范圍工作，防止上下游壓力頻繁波動?？諝鈩恿W噪聲不能完全被消除，但是可以采取一定的技術措施降低。針對調壓器下游管道中漩渦產生的噪聲可從降低管路系統工作雷諾數方面出發，增加調壓器下游管道的管徑，降低流速從而實現降低下游管路雷諾數的目的；在調壓器下游加彈性材料吸收湍流脈動噪聲和沖擊管壁噪聲產生能量損失，實現降噪。在調壓器下游安裝盤裝篩網使大漩渦分化，弱化大漩渦能量實現降噪的目的。而空氣動力學噪聲調壓器生產廠家已通過技術手段進行處置得到有效的控制。而機械噪聲在實際運行中只有通過對調壓器工況參數的合理調節進行控制，管道噪聲目前通過技術改造可得到控制，但通過增加下游管徑運行成本將增加，在實際運行中很難做到。因此，噪音對調壓器的運行質量的影響并不能完全消除，是制約調壓器運行質量的不可抗拒的因素。

4.5　調壓器本身性能的影響及評價

4.5.1調壓器本身性能的影響

調壓器在運行過程中可能會出現調壓器皮膜受損或破裂，閥口墊漲裂，閥墊摩擦受損；調壓或切斷彈簧疲勞失效，閥桿動作不靈活、卡阻，信號管堵塞，切斷脫扣機構摩擦力過大等。這些因素都會導致調壓器穩壓精度降低，調壓器工作不穩定，甚至調壓器切斷發生故障。

4.5.2調壓器性能對運行質量影響的評價

調壓器的整體性能取決于閥系數、流量系數、閥尺寸，各部件的材質成分。當選型時對閥尺寸、流量系數、氣體流速等調壓器性能參數沒有合理的選定計算，當調壓器在實際運行后易出現工作故障。調壓器組成部件的材質不符合質量要求時，同樣會導致調壓器發生故障。因此，在實際使用中應根據工藝要求正確選型顯得很重要，在設備投入運行后，要加強設備的日常維護，如定期測試設定壓力，關閉壓力，更換密封件，清洗閥口。

5　結論與建議

調壓器的工作質量不僅取決于設備本身的性能，還與運行的上下游工況參數、節流效應、管道氣體的清潔度、噪聲等因素有關。因此從設計選型、安裝調試、運行維護等各環節整體優化管理，才能確保調壓器正常穩定運行。調壓器發生故障的因素除噪聲外，應從工況參數的有效控制，節流效應的科學管控，氣體雜質的及時清除等方面綜合考慮，制定針對性的解決措施從而降低故障發生概率。此外，還應積極探索調壓器發生故障的周期，從而為建立運行質量的預警分級提供依據。通過上述分析評價，對于提高調壓器的運行質量的結論建議如下。

1）從運行操作的角度來看上下游壓差是影響調壓器使用壽命的關鍵因素之一，其他影響因素如噪聲、節流效應都和上下游壓差有直接的關系，控制上下游壓差在合理范圍內是保證調壓器長時期穩定運行的關鍵。管道中氣體雜質是影響調壓器工作質量的重要因素，當氣體中雜質較多，尤其是顆粒物對調壓器的沖擊損傷較大，造成調壓器皮膜損傷、閥口卡阻等，增加了調壓器的維修運行成本。因此，從設備選型角度要根據工藝要求選用適合工況運行的調壓器，同時從運行操作的角度還應對管道在投產運行一定的周期后，有必要進行清管作業。過濾分離器在實際運行中過濾分離效果不佳的情形時有發生，對于顆粒物的過濾效果達不到最佳狀態，應在上游采用適于過濾分離顆粒物的過濾設備。

2）從工藝設計來看應根據當地環境氣溫和調壓器的工作條件，計算調壓器在調壓過程中出現的最大節流系數，以此作為判斷出現最大溫度降的依據。從而為是否在場站設置加熱爐及換熱設備提供依據。

3）從產品設計的角度來看，調壓器的流量系數、閥系數是通過理論公式計算得出的，而調壓器在運行一定時間后流量系數、閥系數是否會發生變化有待進一步進行研究確定。

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