衡量燃气调压器最小进口压力理论研究

安龙

北京市燃气集团有限责任公司第二分公司 100028

内容提要：

本文主要研究衡量燃气调压器的最小进口压力理论计算方法。介绍了燃气行业的发展现状及泄漏抢修的控压过程，并阐述了间接作用式调压器（衡量调压器）的工作原理。随后重点对衡量燃气调压器最小进口压力的理论方法进行论证，得出最小进口压力的计算公式。最后，将理论计算结果与实验测试数据进行对比，验证了理论计算得可靠性；并且得出结论：中压管道漏气影响区域只涉及衡量调压器时，北京燃气集团现有最小进口压力规定（30 KPa）可适当放宽，本文衡量燃气调压器最小进口压力值的理论值与实验值均小于5 KPa。

关键词：

衡量燃气调压器，最小进口压力，理论计算

1. 引言

（一）天然气发展现状

随着人类社会的快速发展，经济行为的不断增强，能源紧张和环境污染问题日益显著。传统的煤炭和石油能源，在人类历史变迁中扮演着重要角色，但随着用量的不断增加，能源逐渐开始紧张，同时也带来了环境污染问题。因此，开发煤炭和石油的后继能源，保护生态环境，应对全球气候变化已成为全世界共同的课题。在这样的大形势下，发展以天然气为主要气种的燃气事业的重要地位越来越突出^[1-5]。

我国已将天然气的开发和利用作为21世纪初能源结构优化和石油工业产业升级的重点，天然气的年生产量持续快速增长。天然气有着无污染，热值高的优点，但同时天然气也是一种易燃易爆气体，全国范围内天然气相关生产安全事故时有发生，如何安全使用天然气，成为了天然气行业的研究重点。

（二）天然气中压管网漏气抢修过程

随着城市发展，新建小区公共设施面积不断扩大，天然气管网规模的不断扩大，燃气漏气事件发生数量也不断上涨。目前，管道腐蚀和外力破坏是造成埋地管道漏气的主要原因。尤其是发生中压管道发生外力破坏后，泄漏量大，影响范围也大，如处理不当极易发生事故。

中压管道修复过程中，因漏气量较大，且补焊条件限制，往往需要降低管道压力；管道压力降低后，燃气调压器可能无法正常供气，为防止下游用户倒空，当管道压力低于某个临界值时，需要调压人员在调压站箱值守，并操作调压设备，保证下游用户压力为正压。北京市燃气集团有限责任公司的规定，30Kpa是在民用调压站箱值守的临界值。

管道压力为30Kpa时，管道泄漏量仍较大，且一些情况下漏气补焊仍无法进行，因此在保证所有影响站箱有人值守后，方可继续降低管道压力，这样便拉长了应急处置时间。

（三）研究目的与意义

随着燃气调压设备的不断发展，根据历次降压作业数据统计，部分调压器在30Kpa以下仍可以保持正常过气。因此，为了尽可能缩短应急处置时间，放宽调压站箱值守要求，探索新规定具有一定研究意义。

衡量调压器是北京市天然气中低压调压器最常见的类型，本文通过衡量调压器极限启动过程进行分析，旨在推导出衡量调压器最小进口压力的计算公式，并对某厂家衡量调压器进行测试，来计算验证计算公式的可靠性。

2. 间接作用式调压器（衡量调压器）工作原理

（一）燃气输配实施介绍

燃气输配系统起着连接着气源和用户的作用，构成整个燃气系统的主要技术框架。燃气输配系统一般由储配站、各级管网及调压站等部分组成。无论采用哪种形式的燃气系统，保证供气压力稳定都是安全供应燃气最重要的指标之一，压力变化不得越出允许的压力波动范围。燃气系统需要一种设备来连接不同压力级制的管网，以及稳定燃气管网压力工况。这种装置就是燃气压力调节器，简称燃气调压器，或调压器。它是燃气输配系统的重要设备之一，它与所连接的管网一起构成自调系统，保证整个系统的压力正常。

（二）衡量调压器工作原理

燃气调压器主要分为直接作用式调压器与间接作用式调压器。两者相比，间接作用式调压器由于在精度、流通能力、关闭压力方面的性能更加优越，因此间接作用式调压器的应用更加广泛。其中，衡量调压器是间接作用式调压器的一种，它控制P₂压力的过程如下：

P₁（进口压力）经过指挥器阀口后成为P₃（负载压力），作用在主调压器皮膜下侧，同时P₂（出口压力）也作用在调压器腔皮膜上侧，P₂、P₃、阀杆弹簧综合作用来控制阀头开启度，进而控制出口压力。

当用户流量增加，出口压力P₂下降，P₂作用于指挥器上皮膜，促使指挥器阀口开度增大，由于P₃通过排气孔或限流孔排向下游的阀门开度不变，所以P₃升高，这样，P₃的作用力就大于P₂和阀杆弹簧的作用力，在大皮膜的推动下主阀口开度变大，使出口流量增大，从而使P₂上升，恢复到设定值。

当用户流量减小，出口压力P₂升高，P₂作用于指挥器上皮膜，促使指挥器阀口开度减小，由于P₃通过排气孔或限流孔排向下游的阀门开度不变，所以P₃下降，这样，P₃的作用力就小于P₂和阀杆弹簧的作用力，在大皮膜的推动下主阀口开度变小，使出口流量减小，从而使P

₂下降，恢复到设定值。

当用户流量为0，出口压力P₂升高，P₂作用于指挥器上皮膜，推动指挥器皮膜使指挥器阀口开度逐渐减小直至关闭，由于P₃通过排气孔或限流孔排向下游的阀门开度不变，所以P₃逐渐下降直至等于P₂，这样，P₃的作用力就小于P₂和阀杆弹簧的作用力，在皮膜的推动下主阀口开度逐渐变小直至关闭，使出口流量逐渐减小直至为0，由于用户流量为0，所以P₂逐渐增长至关闭压力，关闭压力大于设定压力。

3. 理论计算

本文通过对国内一些文献^[6-8]的学习，借鉴其中物理与数学模型，对本文涉及物理过程进行分析。

1. 物理数学模型

一般情况下，调压器的最小进口压力是指可以使调压器主阀口过气的最小进口压力。那么，衡量调压器主阀口是否可以正常开启，是决定调压器能否为下游供气的直接控制因素。

主阀口的开启度，受阀头阀杆这个运动部件的受力情况所决定，下面我们对阀杆阀头进行受力分析，阀头阀杆受自身的重力、上方弹簧的压力、摩擦力、大皮膜的支持力以及阀口的支持力，数学表达式见下：

公式（1）

式中：

——阀头阀杆与皮膜的质量和, kg；

——阀体弹簧弹性系数, N/m；

——阀头阀杆位移, m；

——阀头阀杆初始位移, m；

——阀体阀杆阻力系数；

——阀体皮膜面积, m²；

——阀口对阀头阀杆的支持力；

——重力加速度, m²/s；

——时间, s；

阀头阀杆受到的向上的力有主阀体皮膜的支持力和阀口的支持力，向下的力包括阀头阀杆与皮膜的重力、弹簧的压力，阀头阀杆不定向的摩擦力。当进口压力值刚好使调压器主阀体过气时，即中压压力达到最小进口压力，阀头与阀口的距离可近似为0，此时阀口的支持力近似为0，阀头阀杆的摩擦力近似为0，因此公式（1）可简化为下式：

公式（2）

通过公式（2），我们可以计算出临点时P₃的理论压力。根据衡量调压器工作原理，P₁应大于等于P₃，当进口压力值刚好使调压器主阀体过气时，即中压压力达到最小进口压力时，指挥器阀口处于开启状态，此时P₃向P₂排流途径只有针型阀，流量接近于0，因此，P₃值逐步趋近于P₁值，综上，我们可以通过公式（2），计算出最小进口压力的近似值：

公式（3）

通过公式（3）我们可以看出，衡量燃气调压器的最小进口压力与阀头阀杆的质量、主阀体弹簧的弹性系数、主阀体弹簧的初始伸缩量、主阀体皮膜质量、主阀体皮膜面积及出口设定压力有关。

2. 计算结果

为了验证公式（3）的可靠性，本文以某厂家衡量调压器为原型（实物图见实验台图片），对该调压器最小进口压力进行计算。涉及主要参数见下表。

将上述参数代入公式（3）计算得：P₁=4007 Pa。因此该衡量燃气调压器的最小进口压力理论计算值为4007Pa。

3. 实验验证

对本文涉及某厂家衡量调压器的最小进口压力进行实验测试。实验台如下图，试验台可以对进口压力P₁、出口压力P₂以及P₃压力进行测试，实验步骤为：

1. 小流量情况下设定调压器出口压力为2500Pa。

2. 调压器调试合格后，缓慢关闭实验台中压进口阀门，使进口压力缓慢降低。

3. 持续观测P₂压力，当P₂压力低于2200Pa时，记录P₁值与P₃值，此时P₁值为实测得到的衡量燃气调压器的最小进口压力值。

经测试，当出口压力降为2200Pa时，P₁=4.4KPa，P₃=4.3Kpa。

我们可以发现理论计算过程中临界状态时将P₁值近似于等于P₃值的假设是成立的。对比理论计算值与实验测得值，P₁理论计算值与实验测试值误差为9%，理论计算值具备参考价值。

4. 结论

综上，可以得到如下结论：

1. 本文推导出的衡量燃气调压器最小进口压力计算式（公式（3））通过实验验证，理论值接近于实际值，因此公式可计算出近似值。对衡量调压器最小进口压力进行计算，得出的理论值具有参考价值。

2. 在一般情况下，结合本文中衡量燃气调压器最小进口压力理论计算值与实验值，可以发现：衡量调压器在进口压力大于5KPa时，即可满足出口压力在2500±300Pa的范围。

3. 当中压管网降压时，如影响区域只涉及衡量燃气调压器，北京市燃气集团有限责任公司规定民用调压站箱值守的临界值（30 Kpa）可以适当放宽。

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