探究燃?xì)夤艿勒{(diào)壓器工作性能影響因素及解決措施

嚴(yán)幫銀

（江蘇省沭陽(yáng)華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰荆K 沭陽(yáng) 223600）

燃?xì)夤艿勒{(diào)壓器是城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉溥^程中不可或缺的重要設(shè)備，主要負(fù)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?xì)廨斔椭薪橘|(zhì)存在雜質(zhì)、工礦參數(shù)及設(shè)備自身失效等因素，對(duì)調(diào)壓器穩(wěn)定工作帶來巨大影響，嚴(yán)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?xì)夤艿勒{(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(jī)構(gòu)、閥門等部分組成（詳見下圖1）。按照?qǐng)D1 序號(hào)，依次代表設(shè)定元件、驅(qū)動(dòng)器、膜片、信號(hào)管、閥口、調(diào)壓器殼體、調(diào)節(jié)元件、驅(qū)動(dòng)器殼體。其中P1 與P2 分別代表調(diào)壓器的進(jìn)口與出口壓力。

進(jìn)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(jìn)入“3”的下方，此時(shí)“1”的彈簧壓力向下，P2對(duì)“3”的壓力朝上，二者達(dá)到相對(duì)的平衡，此刻出口壓力保持穩(wěn)定狀態(tài)。

二、燃?xì)夤艿勒{(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?xì)饬鹘?jīng)管道調(diào)壓器節(jié)流部件時(shí)，易產(chǎn)生節(jié)流膨脹與焦耳——湯姆遜效應(yīng)，促使燃?xì)鉁囟冉档?，?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(duì)燃?xì)膺M(jìn)口溫度產(chǎn)生負(fù)面影響。經(jīng)測(cè)算，燃?xì)庹{(diào)壓器溫度可用式（1）進(jìn)行計(jì)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?xì)鉁囟?；a 代表修正系數(shù)，取值為0.8-0.9；P1、P2分別代表進(jìn)出口壓力；K 代表絕熱指數(shù)，輸送燃?xì)鈺r(shí)取值為1.2-1.4。常規(guī)條件下，壓力每降低0.1MPa，燃?xì)鉁囟冉档?.4℃左右。

2.節(jié)流效應(yīng)對(duì)調(diào)壓器工作性能的影響

如果燃?xì)鉁囟冉抵谅饵c(diǎn)溫度以下，將導(dǎo)致管路及調(diào)壓器外表結(jié)露，嚴(yán)重者結(jié)霜。此環(huán)境下，燃?xì)庵幸桩a(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(shí)，如果長(zhǎng)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(duì)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?xì)廨斔惋L(fēng)險(xiǎn)。

（二）設(shè)備振動(dòng)與噪聲的影響

調(diào)壓器工作過程中，易引發(fā)振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。常規(guī)條件下，噪聲可分為機(jī)械振動(dòng)噪聲、流體力學(xué)噪聲及空氣動(dòng)力學(xué)噪聲，此類噪聲對(duì)設(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生巨大負(fù)面影響。機(jī)械振動(dòng)噪聲主要由于設(shè)備振動(dòng)、閥芯震蕩性位移的波動(dòng)、固有頻率振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，即“喘動(dòng)”噪聲。調(diào)壓器振動(dòng)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?xì)饬鹘?jīng)調(diào)壓器閥門及管徑變化段時(shí)，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(shí)，調(diào)壓器閥門口徑部位易形成漩渦，導(dǎo)致部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為空氣動(dòng)力學(xué)噪聲，進(jìn)一步加劇噪聲產(chǎn)生。

（三）工況條件及各項(xiàng)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(shí)，導(dǎo)致燃?xì)庠陂y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?zèng)_刷閥芯與閥座，影響閥芯及閥座閉合性能。由于燃?xì)廨斔痛嬖诟叩凸葧r(shí)段，當(dāng)氣量較低或不用氣的情況出現(xiàn)時(shí)，調(diào)壓器無法完全關(guān)閉，有可能會(huì)導(dǎo)致調(diào)壓器超壓切斷。

此外，當(dāng)燃?xì)夤艿勒{(diào)壓器處于多路聯(lián)合運(yùn)作時(shí)，不同出口設(shè)定值具有控制調(diào)壓器運(yùn)行路及備用路的功能。考慮到系統(tǒng)壓力限制問題，當(dāng)出口壓力設(shè)定值過高時(shí)將影響安全保護(hù)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?xì)饬髁坎▌?dòng)大，將導(dǎo)致切斷閥非正常運(yùn)作。

2.下游燃?xì)饬髁繂栴}

當(dāng)燃?xì)夤艿懒髁堪l(fā)生變化時(shí)，其流速順應(yīng)改變，在附加動(dòng)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?xì)夤艿勒{(diào)壓器工作性能的措施

（一）應(yīng)對(duì)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(shí)在管道外部纏繞保溫材料?；诖?，可緩解調(diào)壓器“凍堵”問題。設(shè)置電加熱泵與電伴熱帶時(shí)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(shì)是可運(yùn)用燃?xì)馊剂希瑢⑺訜岷?，通過燃?xì)夤艿琅c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(dá)到換熱的目的。水浴式換熱器或電加熱器都可自動(dòng)調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，控制燃?xì)饨橘|(zhì)溫度。該方法可徹底解決燃?xì)饨橘|(zhì)降溫的問題，但缺點(diǎn)是投入過大，同時(shí)受電負(fù)荷影響，對(duì)場(chǎng)地要求較高。

（二）合理控制設(shè)備的振動(dòng)噪聲

調(diào)壓器設(shè)備運(yùn)行過程中易產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，防止或減弱振動(dòng)噪聲需從物理學(xué)視角分析。首先，燃?xì)饬鲃?dòng)時(shí)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(dòng)。由于空氣動(dòng)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?xì)饬鹘?jīng)調(diào)壓器時(shí)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(dòng)力噪聲進(jìn)行降噪。運(yùn)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(jí)節(jié)流降噪及小孔降噪相結(jié)合的方式進(jìn)行消音降噪處理。

針對(duì)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(dòng)相關(guān)，噪聲等級(jí)較低，但氣流形成漩渦與流勢(shì)和管道內(nèi)壁作用形成漩渦振動(dòng)，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?xì)夤艿婪€(wěn)定運(yùn)行，可在管道尾部設(shè)置消聲設(shè)備，達(dá)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(jì)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(yùn)行最惡劣的工作情況，即調(diào)壓器進(jìn)出口壓力控制在臨界范圍，綜合分析進(jìn)出口壓力變化對(duì)調(diào)壓器通過能力的影響。同時(shí)，核驗(yàn)調(diào)壓器對(duì)進(jìn)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(shí)，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(dòng)。依照管道流量Q 與進(jìn)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(jì)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(fù)荷變化過大或燃?xì)庥昧窟^多，需適當(dāng)加大出口管徑，同時(shí)加長(zhǎng)管道長(zhǎng)度。

亞臨界條件（P1<2P2）時(shí)：

超臨界條件（P1 ≥2P2）時(shí)：

式（2）與式（3）中：Kg 代表流量系數(shù)；Q 代表燃?xì)饬髁?；P1、P2與式（1）同。我國(guó)常用專用選型軟件對(duì)燃?xì)夤艿勒{(diào)壓器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。通過仿真技術(shù)模擬額定流量、進(jìn)出口壓力等各項(xiàng)工況參數(shù)。借助軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)壓器尺寸、噪音值、開度、閥芯與閥座等參數(shù)進(jìn)行模擬測(cè)驗(yàn)，以此優(yōu)化調(diào)壓器選型。

針對(duì)調(diào)壓器系統(tǒng)壓力設(shè)定問題，考慮到燃?xì)庥脩舻膹?fù)雜性與高低谷時(shí)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(jìn)出口壓力及安全切斷壓力。國(guó)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(guó)家 EN12186 標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合燃?xì)夤艿勒{(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(hù)值與進(jìn)出口壓力設(shè)定的優(yōu)先次序。

四、結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)燃?xì)夤艿勒{(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?xì)廨斉涔芫W(wǎng)安全運(yùn)行，需有效應(yīng)對(duì)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(yùn)行維護(hù)管理貫徹始終，保障燃?xì)夤艿勒{(diào)壓器正常工作。