燃氣調壓器靜特性影響因素分析及補償設計

周士鈞， 王 杰， 羊 成， 狄 鵬， 陸從杭

(上海飛奧燃氣設備有限公司，上海 201201)

1 概述

燃氣調壓器是燃氣輸配系統中的關鍵設備，適用于燃氣需要調壓、穩壓的場合。燃氣調壓器的性能直接影響到燃氣輸配系統中管路設備的安全穩定和用戶的用氣安全。燃氣調壓器按照工作原理分為直接作用式調壓器和間接作用式調壓器，直接作用式調壓器具有反應速度快、經濟實用等優點，在輸配系統中被廣泛應用在居民用戶、工商業用戶場合。本文主要針對直接作用式調壓器(以下簡稱調壓器)進行研究分析。

調壓器作為城鎮輸配系統最常用的壓力調節裝置，主要作用是自動調節燃氣出口壓力，使其穩定在某一特定的壓力范圍，來滿足客戶的使用需求。當輸配系統進口壓力和下游流量發生變化時，調壓器能夠確保其實際出口壓力和設定值的偏差在允許范圍內。調壓器的性能主要通過調壓器的靜特性來體現。

文獻[1]針對內取壓調壓器，通過實驗研究了出口壓力和取壓偏差隨氣體流量的變化關系，為內取壓調壓器的取壓改進提供參考依據；文獻[2]通過實驗研究了信號管的設置形式對直接作用式調壓器的靜特性的影響。文獻[1-2]針對取壓方式采用實驗驗證的方式對靜特性進行了分析。本文根據調壓器的工作原理，主要在設計層面對調壓器調壓靜特性的影響因素進行分析，并提出了補償設計，旨在幫助調壓器設計者和生產者解決調壓器調壓靜特性不理想問題。

2 調壓靜特性的影響因素

2.1 調壓器工作原理與力平衡方程

2.1.1 調壓器工作原理

調壓器的工作原理見圖1。調壓器出口壓力由信號管引入作用在主膜片上，此力與主膜片另一側的彈簧力相平衡。平衡位置決定了閥口的開度，從而限制了流量。運行中如流量需求增加或進口壓力下降，調壓器出口壓力就會隨之有所降低，主膜片上所受燃氣壓力作用的力減小，閥桿以及與其相連的閥芯在彈簧的作用下向下移動將閥口開大，促使流量增加進而使出口壓力恢復；反之，如流量需求減小，或進口壓力增大，閥口會自動關小，從而維持出口壓力不變。

圖1 調壓器工作原理1.彈簧 2.平衡膜片 3.主膜片 4.信號管 5.閥桿 6.閥座 7.閥芯 8.閥口 9. 膜片壓盤

2.1.2 調壓器力平衡方程

調壓器內部機械系統主要由主彈簧、膜片壓盤、平衡膜片組件、閥桿、閥座和閥芯組成。將這種與平衡膜片配合工作的閥芯稱為平衡閥芯。調壓器在工作過程中主要是閥桿帶動閥芯上下移動，從而控制閥口的開度來進行調壓和穩壓。下面從閥桿的受力情況來分析機械系統的力平衡方程，受力分析見圖2。

圖2 調壓器受力分析

閥桿受力平衡關系式為：

G+Fk+F21+F12=F2+F11+F22

(1)

即：

G+kl+p2A1+p1A2=p2A+p1A1+p2A2

(2)

式中G——運動組件重力，N

Fk——彈簧力，N

F21——出口壓力對平衡膜片的作用力，N

F12——進口壓力對閥芯的作用力，N

F2——出口壓力對主膜片的作用力，N

F11——進口壓力對平衡膜片的作用力，N

F22——出口壓力對閥芯的作用力，N

k——彈簧剛度系數，N/mm

l——彈簧壓縮量，mm

p2——調壓器出口壓力，Pa

A1——平衡膜片有效面積，m2

p1——調壓器進口壓力，Pa

A2——閥芯有效面積，m2

A——主膜片有效面積，m2

由式(2)得：

(3)

2.2 調壓器靜特性

調壓器的靜特性是指調壓器實際出口壓力隨進口壓力和流量變化的特性[2]。調壓器的合格與否是根據靜特性曲線來判定穩壓精度等級(AC)、關閉壓力精度等級(SG)、每條靜特性曲線的關閉壓力區等級(SZ)和靜特性線族關閉壓力區等級(SZp2)等指標是否在聲稱范圍內。

理想的流量特性曲線是一條水平線，即在調壓器最大通過流量范圍內均能保持出口壓力為常量，出口壓力不隨流量變化而變化。但是，實際流量特性曲線是一條先平緩后逐漸下降的曲線。調壓器流量特性見圖3。

圖3 調壓器流量特性

2.3 影響調壓器靜特性的3個效應

2.3.1 膜片效應

衡量膜片性能的最重要因素之一是壓力作用于膜片的有效面積大小[3]。要確定膜片的有效面積大小，首先要分析膜片的受力情況。膜片有效面積見圖4。

圖4 膜片有效面積

圖中De1——膜片初始位置的有效直徑，m

De2——膜片最終位置的有效直徑，m

(4)

(5)

隨著調壓器流量的增加，膜片有效面積增加，會導致出口壓力降低。

2.3.2 彈簧效應

隨著調壓器開度的增加，閥桿帶動膜片向下移動，彈簧的壓縮量將減小。彈簧壓縮量變化見圖5。

圖5 彈簧壓縮量變化

(6)

式中l1——彈簧初始位置壓縮量，mm

(7)

式中l2——彈簧最終位置壓縮量，mm

隨著調壓器流量的增加，彈簧壓縮量減小，會導致出口壓力降低。

2.3.3 結構效應

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(閥芯和閥座圍成的通道)，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。當流量高速流過節流孔后，在下游的流道中將減速，由于摩擦力的存在產生了壓力損失；另外，由于通過調壓器節流孔的流體為阻塞流，流體很容易發生湍流，還將產生熱能或噪聲的附加動能損失。由于結構效應的存在，流量越大壓力損失越大[3]。為了減小調壓器出口壓力損失，一般對下游流道作擴徑處理，使流速盡可能小。

調壓器靜特性受3個效應(彈簧效應、膜片效應和結構效應)的影響趨勢見圖6。由圖6可知：隨著流量的增加，調壓器3個效應皆使其靜特性出口壓力下降，影響調壓器的選型和使用。

圖6 3個效應作用下的調壓特性曲線

3 調壓器靜特性優化設計

上述對調壓器3個效應對其單條靜特性曲線(某一進口壓力下)的影響進行了分析，但調壓器實際運行過程中，進口壓力波動也會對其靜特性線族產生不利影響。

3.1 設置平衡膜片的必要性

如果將平衡膜片變為剛體，則根據調壓器力平衡方程，可得單閥芯結構調壓器出口壓力p2計算公式為：

(8)

由式(8)可知，隨著進口壓力的變化，調壓器出口壓力隨之變化，不同進口壓力下的靜特性比較離散，見圖7。圖7為3種不同進口壓力下的靜特性曲線組成的靜特性線族。第1條曲線表示最大進口壓力p1max下的狀態，第2條曲線表示中間進口壓力0.5(p1max+p1min)下的狀態，第3條曲線表示最小進口壓力p1min下的狀態。3種不同進口壓力下，調壓器靜特性曲線之間的距離比較大，而且出口壓力超出上限p2max和下限p2min。

圖7 進口壓力對靜特性的影響

3.2 平衡閥芯結構補償設計

雖然平衡閥芯結構設計可以消除進口壓力對靜特性的影響，但是由于調壓器3個效應的存在，隨著流量的增加，調壓器出口壓力隨之降低的幅度較大，從而造成調壓器聲稱穩壓精度等級下的實際流量不足現象。大量調壓器實際運行數據表明：同一臺調壓器在同一出口壓力下，前后壓差越小，在聲稱的穩壓精度等級范圍內的流量越小。

中間進口壓力記為p1av，最大進口壓力記為p1max,最小進口壓力記為p1min,三者的單位均為Pa。由調壓器力平衡方程可知：

① 當調壓器進口壓力為中間進口壓力plav=0.5(p1max+p1min)時，初始設定出口壓力p20(單位為Pa)為：

(9)

② 當調壓器進口壓力調為最大進口壓力p1max時，出口壓力p21為：

(10)

③ 當調壓器進口壓力調為最小進口壓力p1min時，出口壓力p22為：

(11)

如果將平衡膜片的面積調大，即A1>A2。分別將式(10)和式(11)減去式(9)，得最大進口壓力p1max狀態與中間進口壓力p1av狀態的出口壓力差值Δp21<0，最小進口壓力p1min狀態與中間進口壓力p1av狀態的出口壓力差值Δp22>0。

若設橫坐標為流量，縱坐標為出口壓力，則不同進口壓力下對應的出口壓力坐標關系見圖8。

圖8 平衡閥芯結構補償設計后靜特性曲線

由此可知，從設計層面來講，通過合理調整平衡膜片和閥芯的有效面積，可將低進口壓力下的靜特性曲線上移，提高了穩壓精度等級下的標稱流量；盡管高進口壓力下的靜特性曲線下移，但是調壓器進出口壓差較大，也能滿足穩壓精度下標稱流量要求。因此，從理論上來講，平衡閥芯結構補償設計在一定程度上補償了3個效應對調壓靜特性的影響，使其具有更好的調壓特性。

4 結論

通過對直接作用式調壓器工作原理的分析，建立調壓器力平衡方程。從理論上分析了調壓器3個效應(膜片效應、彈簧效應和結構效應)對調壓器靜特性的影響。隨著流量的增加，調壓器3個效應皆使靜特性出口壓力下降，影響調壓器的選型和使用。分析設置平衡膜片的必要性。通過合理調整平衡膜片和閥芯的有效面積，可以在一定程度上補償3個效應對調壓靜特性的影響，使其具有更好的調壓特性。