探究燃氣管道調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）

燃氣管道調壓器是城鎮燃氣輸配過程中不可或缺的重要設備，主要負責處理下游壓力問題，將上游高壓力調節至下游可承受或需要的低壓力，將出口壓力保持在恒定數值。調壓器是一種高可靠性的裝置，但因燃氣輸送中介質存在雜質、工礦參數及設備自身失效等因素，對調壓器穩定工作帶來巨大影響，嚴重者導致調壓器切斷，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壓器正常工作的措施。

一、調壓器工作原理

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

進口壓力P1 經調壓器減壓后，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定狀態。

二、燃氣管道調壓器工作影響因素

（一）節流效應產生的影響

1.節流膨脹與焦耳——湯姆遜效應

燃氣流經管道調壓器節流部件時，易產生節流膨脹與焦耳——湯姆遜效應，促使燃氣溫度降低，經過調壓器后呈現出低溫狀態，導致調壓器前后壓力變化，對燃氣進口溫度產生負面影響。經測算，燃氣調壓器溫度可用式（1）進行計算，概算溫度與壓降的關系。式中T1、T2代表調壓器前后的燃氣溫度；a 代表修正系數，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，輸送燃氣時取值為1.2-1.4。常規條件下，壓力每降低0.1MPa，燃氣溫度降低0.4℃左右。

2.節流效應對調壓器工作性能的影響

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

（二）設備振動與噪聲的影響

調壓器工作過程中，易引發振動，產生噪聲。常規條件下，噪聲可分為機械振動噪聲、流體力學噪聲及空氣動力學噪聲，此類噪聲對設備運作產生巨大負面影響。機械振動噪聲主要由于設備振動、閥芯震蕩性位移的波動、固有頻率振動產生的噪聲，即“喘動”噪聲。調壓器振動噪聲產生的原因與構件結構、零件配備、加工工藝及裝配方式等相關。燃氣流經調壓器閥門及管徑變化段時，受節流效應影響，管道氣壓及流速發生變化。當流速驟變時，調壓器閥門口徑部位易形成漩渦，導致部分機械能轉化為空氣動力學噪聲，進一步加劇噪聲產生。

（三）工況條件及各項參數的影響

1.出口壓力設定問題

當調壓器出口壓力設置過低時，導致燃氣在閥芯和閥座閉合處的壓力差增大，如果氣體內存在雜質，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，當氣量較低或不用氣的情況出現時，調壓器無法完全關閉，有可能會導致調壓器超壓切斷。

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

2.下游燃氣流量問題

當燃氣管道流量發生變化時，其流速順應改變，在附加動壓的影響下，調壓器切斷閥膜片產生附加作用力及沖擊力，造成調壓器切斷閥自主切斷，導致切斷閥閥桿處發生彎曲形變或斷裂等問題。

三、改善燃氣管道調壓器工作性能的措施

（一）應對節流效應的措施

1.優化調壓器及切斷閥導壓管

在導壓管處增設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，可緩解調壓器“凍堵”問題。設置電加熱泵與電伴熱帶時需考慮調壓器后側管道材質，盡可能采用耐低溫材料。

2.應用水浴式換熱器或電加熱器

應用水浴式換熱器的優勢是可運用燃氣燃料，將水加熱后，通過燃氣管道與介質間換熱。電加熱器與其原理基本相同，通過加熱內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節熱負荷，控制燃氣介質溫度。該方法可徹底解決燃氣介質降溫的問題，但缺點是投入過大，同時受電負荷影響，對場地要求較高。

（二）合理控制設備的振動噪聲

調壓器設備運行過程中易產生振動噪聲，防止或減弱振動噪聲需從物理學視角分析。首先，燃氣流動時與設備及管道產生的噪聲頻率與調壓器固有頻率類似，從而發生共振現象。解決噪聲的關鍵因素是合理選擇調壓范圍，防止上下游壓力多次波動。由于空氣動力學造成的噪聲無法完全消除，所以可采用減弱措施。高壓燃氣流經調壓器時的規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律，應用小孔消聲原理控制調壓器產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的消音設備，借助多級節流降噪及小孔降噪相結合的方式進行消音降噪處理。

針對流體力學噪聲，根據流體噪聲產生原理（經調壓器及閥門閥口及管道內壁產生的摩擦而引發的噪聲），其與氣體流動相關，噪聲等級較低，但氣流形成漩渦與流勢和管道內壁作用形成漩渦振動，以此產生劇烈噪聲，即管道噪聲。管道噪聲影響調壓器及燃氣管道穩定運行，可在管道尾部設置消聲設備，達到降低噪聲的效果。

（三）改善工況條件與優化參數的措施

設計階段需合理選擇調壓器通過能力。擇取調壓器通過能力的過程中，需參照系統運行最惡劣的工作情況，即調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壓器通過能力的影響。同時，核驗調壓器對進口壓力最小流向的適應性：擇取調壓器過程中，需確保調壓器最大通過能力Q=1.2 Qj（Qj≈0.3Q）。與此同時，保證調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））之間的關系，用下文的式（2）與式（3）計算流量系數Kg。需要注意的是，應考慮調壓器出口流速與調壓器噪聲之間的關系，即流速過高將導致調壓器噪聲過大。常規條件下，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；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壓器進行選型設計。通過仿真技術模擬額定流量、進出口壓力等各項工況參數。借助軟件可實現對調壓器尺寸、噪音值、開度、閥芯與閥座等參數進行模擬測驗，以此優化調壓器選型。

針對調壓器系統壓力設定問題，考慮到燃氣用戶的復雜性與高低谷時段差距明顯等因素，在滿足供需要求基礎上，需設定調壓器進出口壓力及安全切斷壓力。國內現有規范尚未界定調壓器設置原則，可借鑒西方國家 EN12186 標準，結合燃氣管道調壓器承壓情況，合理設定安全切斷壓力。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定的優先次序。

四、結語

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