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自力式燃?xì)庹{(diào)壓器計(jì)算開度應(yīng)用于輸配管理的實(shí)驗(yàn)研究

來源：恒星燃?xì)庹{(diào)壓器有限公司　時(shí)間：2010年11月5日　點(diǎn)擊：9058

自力式調(diào)壓器不需外來能源，利用被調(diào)介質(zhì)自身壓力的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)壓器閥口開度，即改變了調(diào)壓器的流通面積，使出口壓力保持穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)方便，調(diào)節(jié)精度高。因此在燃?xì)廨斉渲械玫搅藦V泛的應(yīng)用。目前管網(wǎng)輸配調(diào)度大多以通過流量為依據(jù)，不能準(zhǔn)確反映調(diào)壓器的工作狀態(tài)。

調(diào)壓器閥口開度總是隨著調(diào)壓器進(jìn)、出口壓力發(fā)生變化或下游用戶流量提取產(chǎn)生波動(dòng)而增大或減小，當(dāng)開度很小時(shí)由于閥口頻繁的與閥體接觸將損害調(diào)壓器的密封性能，進(jìn)而可能在用氣低谷時(shí)造成出口壓力過高而使安全閥動(dòng)作關(guān)閉。因此，調(diào)壓器閥口開度直接反映了調(diào)壓器具體的工作狀態(tài)。

但由于調(diào)壓器本身結(jié)構(gòu)的限制，有的調(diào)壓器可以直接觀察到閥口的開度，而大部分自力式調(diào)壓器由于本身封閉的結(jié)構(gòu)不能直接觀察到也無法安裝可測量閥口開度的傳感器。

對于同一種結(jié)構(gòu)的調(diào)壓器，閥口開度與流量總是存在固定的關(guān)系，即閥口開度與閥系數(shù)(Cg)或流量系數(shù)(Kg)對應(yīng)的特性曲線。選取城市燃?xì)庵袕V泛應(yīng)用的REFLUX819和APERFLUX851(以下簡稱819和851)在調(diào)壓器實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)。前者可直接測量閥口開度，后者因結(jié)構(gòu)限制不能直接測量閥口開度。

1 調(diào)壓器閥口開度變化原理

819和851都是指揮器控制式自力式調(diào)壓器，819調(diào)壓器設(shè)計(jì)壓力最高可達(dá)10MPa，進(jìn)口壓力范圍0.05MPa～8.5MPa，精度最高達(dá)到1級；851調(diào)壓器的設(shè)計(jì)壓力也可以達(dá)10MPa，進(jìn)口壓力范圍0.1MPa～8MPa，精度最高達(dá)到1.5級。

851調(diào)壓器的膜片同時(shí)又是閥瓣，膜片位置(即調(diào)壓器閥口開度)由膜片上所受的彈簧力、指揮器前壓力、調(diào)壓器進(jìn)、出口壓力間的平衡決定。引自調(diào)壓器進(jìn)口腔的燃?xì)�、�?jīng)節(jié)流閥降壓后通過指揮器流到調(diào)壓器出口。節(jié)流閥已經(jīng)事先調(diào)整好，其開度不變。指揮器的開度就決定了指揮器前的壓力，而指揮器開度則由膜片上所受的彈簧力與調(diào)壓器出口壓力間的平衡決定。如流量需求增加或進(jìn)口壓力下降，則調(diào)壓器出口壓力降低，指揮器膜片因而移動(dòng)使指揮器開大。于是指揮器前壓力下降調(diào)壓器膜片上抬，通過流量隨著增加而使調(diào)壓器出口壓力回復(fù)至原來設(shè)置的值。

819和851的工作原理類似，調(diào)壓器的膜片同時(shí)又是閥瓣，但又與851有所不同。膜片的位置即調(diào)壓器開度是由膜片上所受的彈簧力、膜片上下腔壓力間的平衡決定的。膜片上腔壓力即調(diào)壓器的出口壓力，膜片下腔壓力為指揮器的出口壓力。而指揮器的出口壓力則由指揮器膜片上所受的彈簧力、調(diào)壓器進(jìn)口出口壓力間的平衡決定，進(jìn)口壓力事先經(jīng)過預(yù)調(diào)器調(diào)整不會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)流量需求增加、或進(jìn)口壓力下降，則調(diào)壓器出口壓力降低，指揮器膜片因而移動(dòng)使指揮器開大。于是指揮器出口壓力下降，調(diào)壓器膜片上抬，通過調(diào)壓器流量隨著增加而使調(diào)壓器出口壓力回復(fù)至原來設(shè)置的值。

由此可見，851和819調(diào)壓器的膜片都同時(shí)又是閥瓣。但819膜片下腔所受壓力經(jīng)過預(yù)先調(diào)整，而851膜片下腔燃?xì)饧慈肟趬毫Γ苯邮艿竭M(jìn)口壓力波動(dòng)的影響，因此使得819的調(diào)節(jié)精度較851要高。但閥門的開度即閥瓣的上下移動(dòng)的工作原理則完全相同，即閥瓣的移動(dòng)都是由進(jìn)口壓力、出口壓力及流量需求而決定，膜片跟蹤這些變化，閥瓣隨膜片下的移動(dòng)跟蹤這些變化。從而使調(diào)壓器出口壓力保持穩(wěn)定。

2 調(diào)壓器流量特性

雖然851和819閥口移動(dòng)的工作原理相似，但由于閥體結(jié)構(gòu)的不同，流量特性卻有較大的區(qū)別，分別見圖3和圖4。

若以P₁、P₂和Q分別表示調(diào)壓器的進(jìn)出15壓力和流量，當(dāng)P₁＜2×P₂時(shí)(亞臨界條件)：

當(dāng)P₁≥2×P₂時(shí)(臨界條件)：

Q=Kg×P₁/2 (851) (公式2)

Q=Kg×P₁ (819) (公式3)

由于調(diào)壓器的進(jìn)出口壓力P₁、P2和通過的流量Q均可實(shí)際測量出來，此時(shí)的流量系數(shù)Kg可以通過計(jì)算獲得。通過查流量特性曲線，那么此時(shí)的閥口開度則可以得出。因流量特性是某一結(jié)構(gòu)型式閥的固有特性，為驗(yàn)證隨機(jī)提供的流量特性曲線與實(shí)際的符合程度，隨機(jī)抽取一臺DN80、150psi的819進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 調(diào)壓器819開度實(shí)驗(yàn)

在調(diào)壓實(shí)驗(yàn)臺中，壓縮空氣系統(tǒng)預(yù)先將3個(gè)高壓儲罐的壓力達(dá)到20MPa，實(shí)驗(yàn)最小瞬時(shí)流量可以達(dá)到3Nm³/h，最大瞬時(shí)流量可以達(dá)到6500Nm³/h。為測試819在不同進(jìn)口壓力、出口壓力以及在流量大小不同條件下調(diào)壓器的開度，在被測819進(jìn)出口各設(shè)置一臺高精度壓力變送器，入口端設(shè)置一臺調(diào)壓器，一臺調(diào)節(jié)閥門，按圖5構(gòu)建實(shí)驗(yàn)流程。由于流量變化范圍較大，調(diào)壓實(shí)驗(yàn)臺本身具有大小流量自動(dòng)切換裝置，以確保流量計(jì)量的準(zhǔn)確性，但流程圖中有所簡化。

對于819調(diào)壓器，連接在腔體內(nèi)膜片即閥瓣上的閥口位置指示桿可以準(zhǔn)確反映調(diào)壓器閥瓣的實(shí)際開度，實(shí)驗(yàn)中采用激光測距儀，可精確測量出0.01mm的閥口位置變化。實(shí)驗(yàn)前先記錄了819全開和全關(guān)時(shí)的激光測距儀度數(shù)：閥位全開時(shí)測距儀讀數(shù)為57.5mm，閥位全關(guān)時(shí)70.3mm，閥口開度上下總行程為12.8mm。為保證數(shù)據(jù)采樣的正確性，在調(diào)壓器工作狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)才進(jìn)行采樣，采樣時(shí)計(jì)算機(jī)可同時(shí)自動(dòng)保存進(jìn)口壓力P₁、出口壓力P₂、出口溫度T、瞬時(shí)流量Q和實(shí)測開度K_c，計(jì)算開度K₂可根據(jù)調(diào)壓器流量特性及溫度補(bǔ)償計(jì)算出來。

調(diào)壓實(shí)驗(yàn)臺瞬時(shí)流量最大時(shí)只能連續(xù)供氣約10min。根據(jù)儲氣能力和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，實(shí)驗(yàn)時(shí)分別設(shè)為1.3MPa和3.8MPa兩種入口壓力。在入口壓力為1.3MPa時(shí)，出口壓力分別設(shè)為0.3MPa、0.6MPa，0.8MPa，在入口壓力為3.8MPa時(shí)，出口壓力設(shè)置為0.2MPa。對調(diào)壓器在臨界和亞臨界狀態(tài)、大開度和小開度狀態(tài)進(jìn)行充分實(shí)驗(yàn)，819進(jìn)出口需要適時(shí)更換壓力變送器以適應(yīng)最佳量程。

實(shí)驗(yàn)在兩天內(nèi)共進(jìn)行了5次，消耗壓縮空氣近5000Nm³，采集數(shù)據(jù)51組，最大瞬時(shí)流量達(dá)到4352.85Nm³/h，調(diào)壓器最大開度達(dá)到98.125%。計(jì)算開度誤差分布見圖6，圖中第一個(gè)數(shù)為誤差，第二個(gè)數(shù)為占所有采樣數(shù)據(jù)的比例。計(jì)算出的開度與實(shí)測開度誤差大于25%的有兩組采樣僅占1%，小于20%的有50組占98.04%，小于15%的有46組占90.2%，小于5%的占41%。

鑒于記錄數(shù)據(jù)的時(shí)刻為人工采樣，且為了減少高壓氣體資源的浪費(fèi)，工況改變頻繁，穩(wěn)定時(shí)間很短，因此不排除由于運(yùn)行工況時(shí)尚未平穩(wěn)時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)，可判為粗大誤差而予以排除。限于篇幅僅列出第4次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)(入口壓力設(shè)定為1.3MPa，出口壓力設(shè)定為0.6MPa)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 第4次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

	1	2	3	4	5	6	7	8	9
進(jìn)口壓力P₁(MPa)	1.17	1.158	1.102	0.8	0.51	0.973	1.098	1.158	1.191
出口壓力P₂(MPa)	0.506	0.505	0.505	0.505	0.47	0.505	0.51	0.511	0.511
瞬時(shí)流量Q(Nm³/h)	0	302.57	818.87	1899.44	2469.69	1421.47	858.02	331.18	0
實(shí)測開度K_c(mm)	70.07	69.95	69.69	68.77	62.2	69.2	69.51	69.85	70.19
實(shí)測開度K₁(%)	1.8%	2.7%	4.8%	12.0%	63.3%	8.6%	6.2%	3.5%	0.9%
計(jì)算開度K₂(%)	2.5%	3.1%	5.9%	14.2%	63.1%	9.2%	6.1%	3.2%	2.5%
開度誤差(%)	0.7%	0.4%	1.1%	2.2%	-0.2%	0.7%	-0.1%	-0.4%	1.7%

將上述P₁、P₂、Q和實(shí)測開度K₁、計(jì)算開度K₂實(shí)驗(yàn)記錄和計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更直觀的圖表，見圖7。為便于查看。其中瞬時(shí)流量的數(shù)值經(jīng)過折算。

從數(shù)據(jù)和圖表可以看出，在流量逐漸提高時(shí)，盡管試驗(yàn)臺上在被測調(diào)壓器前設(shè)置了1臺調(diào)壓器，但入口壓力仍然不能保持，而出口壓力基本保持穩(wěn)定。從開度看，實(shí)測開度和計(jì)算開度的吻合度很高，計(jì)算開度和實(shí)測開度兩條曲線幾乎重合，開度誤差遠(yuǎn)低于管網(wǎng)輸配調(diào)度的需要。

4 計(jì)算開度對輸配調(diào)度調(diào)壓器的參考意義

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖表對比分析表明，根據(jù)公式1～3和調(diào)壓器進(jìn)出口壓力、流量計(jì)算出的閥位開度與實(shí)際測量的開度具有高度的重合性，驗(yàn)證了調(diào)壓器閥口開度理論計(jì)算結(jié)果與直接測量的一致性，即819隨機(jī)提供的性能參數(shù)值得信賴。

對于不能直接測量閥口開度的851調(diào)壓器，從公式1～3可以看出，流量的計(jì)算公式在亞臨界時(shí)與819完全相同，在臨界流時(shí)851只有819的一半，對通過流量的影響除了進(jìn)口、出口壓力外，還有流量系數(shù)Kg，而Kg與閥口開度具有固定的對應(yīng)關(guān)系。因此，依據(jù)可測量的進(jìn)出口和流量參數(shù)，根據(jù)公式1～2即可計(jì)算出Kg，進(jìn)而根據(jù)851固有的Kg與開度的對應(yīng)特性得到當(dāng)前851的計(jì)算開度。

由于在輸配調(diào)度時(shí)，瞬時(shí)流量受到經(jīng)常波動(dòng)的進(jìn)出口壓力變化的影響，難以準(zhǔn)確判斷調(diào)壓器的工作狀態(tài)，而閥口開度則直觀得多，而且輸配調(diào)度和貿(mào)易計(jì)量的性質(zhì)不同，閥口開度只要接近真實(shí)的閥口開度即可。因此為了獲取閥口開度。819可以直接安裝測量儀表，而851理論計(jì)算出的閥口開度對于輸配調(diào)度管理人員同樣具有直觀而有效的參考價(jià)值。而對于多路并聯(lián)運(yùn)行的調(diào)壓器，只要測量該路調(diào)壓器進(jìn)出口壓力和流量，并不受多路并聯(lián)運(yùn)行的影響。

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