周士鈞， 王 杰， 羊 成， 狄 鵬， 陸從杭

(上海飛奧燃氣設(shè)備有限公司，上海 201201)

1 概述

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

調(diào)壓器作為城鎮(zhèn)輸配系統(tǒng)最常用的壓力調(diào)節(jié)裝置，主要作用是自動調(diào)節(jié)燃氣出口壓力，使其穩(wěn)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(tǒng)進口壓力和下游流量發(fā)生變化時，調(diào)壓器能夠確保其實際出口壓力和設(shè)定值的偏差在允許范圍內(nèi)。調(diào)壓器的性能主要通過調(diào)壓器的靜特性來體現(xiàn)。

文獻[1]針對內(nèi)取壓調(diào)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(guān)系，為內(nèi)取壓調(diào)壓器的取壓改進提供參考依據(jù)；文獻[2]通過實驗研究了信號管的設(shè)置形式對直接作用式調(diào)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(jù)調(diào)壓器的工作原理，主要在設(shè)計層面對調(diào)壓器調(diào)壓靜特性的影響因素進行分析，并提出了補償設(shè)計，旨在幫助調(diào)壓器設(shè)計者和生產(chǎn)者解決調(diào)壓器調(diào)壓靜特性不理想問題。

2 調(diào)壓靜特性的影響因素

2.1 調(diào)壓器工作原理與力平衡方程

2.1.1 調(diào)壓器工作原理

調(diào)壓器的工作原理見圖1。調(diào)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(cè)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(diào)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(guān)小，從而維持出口壓力不變。

圖1 調(diào)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(diào)壓器力平衡方程

調(diào)壓器內(nèi)部機械系統(tǒng)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(diào)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(diào)壓和穩(wěn)壓。下面從閥桿的受力情況來分析機械系統(tǒng)的力平衡方程，受力分析見圖2。

圖2 調(diào)壓器受力分析

閥桿受力平衡關(guān)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(shù)，N/mm

l——彈簧壓縮量，mm

p2——調(diào)壓器出口壓力，Pa

A1——平衡膜片有效面積，m2

p1——調(diào)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(diào)壓器靜特性

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

理想的流量特性曲線是一條水平線，即在調(diào)壓器最大通過流量范圍內(nèi)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(diào)壓器流量特性見圖3。

圖3 調(diào)壓器流量特性

2.3 影響調(diào)壓器靜特性的3個效應(yīng)

2.3.1 膜片效應(yīng)

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(diào)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(yīng)

隨著調(diào)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l(wèi)1——彈簧初始位置壓縮量，mm

(7)

式中l(wèi)2——彈簧最終位置壓縮量，mm

隨著調(diào)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(jié)構(gòu)效應(yīng)

調(diào)壓器是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件，即通過改變節(jié)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(jié)流孔后，在下游的流道中將減速，由于摩擦力的存在產(chǎn)生了壓力損失；另外，由于通過調(diào)壓器節(jié)流孔的流體為阻塞流，流體很容易發(fā)生湍流，還將產(chǎn)生熱能或噪聲的附加動能損失。由于結(jié)構(gòu)效應(yīng)的存在，流量越大壓力損失越大[3]。為了減小調(diào)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(diào)壓器靜特性受3個效應(yīng)(彈簧效應(yīng)、膜片效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng))的影響趨勢見圖6。由圖6可知：隨著流量的增加，調(diào)壓器3個效應(yīng)皆使其靜特性出口壓力下降，影響調(diào)壓器的選型和使用。

圖6 3個效應(yīng)作用下的調(diào)壓特性曲線

3 調(diào)壓器靜特性優(yōu)化設(shè)計

上述對調(diào)壓器3個效應(yīng)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(diào)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(chǎn)生不利影響。

3.1 設(shè)置平衡膜片的必要性

如果將平衡膜片變?yōu)閯傮w，則根據(jù)調(diào)壓器力平衡方程，可得單閥芯結(jié)構(gòu)調(diào)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(diào)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(tài)，第2條曲線表示中間進口壓力0.5(p1max+p1min)下的狀態(tài)，第3條曲線表示最小進口壓力p1min下的狀態(tài)。3種不同進口壓力下，調(diào)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(jié)構(gòu)補償設(shè)計

雖然平衡閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計可以消除進口壓力對靜特性的影響，但是由于調(diào)壓器3個效應(yīng)的存在，隨著流量的增加，調(diào)壓器出口壓力隨之降低的幅度較大，從而造成調(diào)壓器聲稱穩(wěn)壓精度等級下的實際流量不足現(xiàn)象。大量調(diào)壓器實際運行數(shù)據(jù)表明：同一臺調(diào)壓器在同一出口壓力下，前后壓差越小，在聲稱的穩(wěn)壓精度等級范圍內(nèi)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(diào)壓器力平衡方程可知：

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

(9)

② 當調(diào)壓器進口壓力調(diào)為最大進口壓力p1max時，出口壓力p21為：

(10)

③ 當調(diào)壓器進口壓力調(diào)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(diào)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(tài)與中間進口壓力p1av狀態(tài)的出口壓力差值Δp21<0，最小進口壓力p1min狀態(tài)與中間進口壓力p1av狀態(tài)的出口壓力差值Δp22>0。

若設(shè)橫坐標為流量，縱坐標為出口壓力，則不同進口壓力下對應(yīng)的出口壓力坐標關(guān)系見圖8。

圖8 平衡閥芯結(jié)構(gòu)補償設(shè)計后靜特性曲線

由此可知，從設(shè)計層面來講，通過合理調(diào)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(wěn)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(diào)壓器進出口壓差較大，也能滿足穩(wěn)壓精度下標稱流量要求。因此，從理論上來講，平衡閥芯結(jié)構(gòu)補償設(shè)計在一定程度上補償了3個效應(yīng)對調(diào)壓靜特性的影響，使其具有更好的調(diào)壓特性。

4 結(jié)論

通過對直接作用式調(diào)壓器工作原理的分析，建立調(diào)壓器力平衡方程。從理論上分析了調(diào)壓器3個效應(yīng)(膜片效應(yīng)、彈簧效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng))對調(diào)壓器靜特性的影響。隨著流量的增加，調(diào)壓器3個效應(yīng)皆使靜特性出口壓力下降，影響調(diào)壓器的選型和使用。分析設(shè)置平衡膜片的必要性。通過合理調(diào)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(yīng)對調(diào)壓靜特性的影響，使其具有更好的調(diào)壓特性。