天然气调压器工作性能影响因素及对策分析

上海天然气管网有限公司　史德化

天然气调压器工作性能影响因素及对策分析

上海天然气管网有限公司史德化

结合天然气调压器工作原理，分析了节流效应、工况参数、天然气气质以及调压器本身的性能对调压器工作性能的影响，并讨论了相关解决措施和对策。

天然气调压器影响因素对策措施

0　引言

天然气调压器是天然气调压站的核心设备，它的作用是将上游较高的压力调节至下游所需要的较低压力，并保持出口压力为某一恒定值。调压器是一种可靠性很高的装置，但由于其工作时介质中的杂质，工况参数以及调压器本身失效等因素的影响，对调压器正常工作带来一定影响，甚至导致调压器切断，造成中断供气。本文针对调压器工作中的主要影响因素进行分析，并对相应的解决措施进行探讨。

1　调压器工作原理

天然气调压器是用在天然气介质输送管道上的减压阀。调压器的基本功能是将系统压力维持在工艺要求的范围内。

自力式调压器无需外加驱动能源，依靠被调介质自身的压力变化进行调节，在流量和进口压力发生变化时，保持出口压力的恒定。结合图示1，说明其工作原理。调压器由指挥器、预压器和主阀组成。启动时调节指挥器控制弹簧，使指挥器阀口打开，进口压力p1经该阀口节流降压成为驱动力p3，p3作用在大皮膜上，经顶杆传递，使主弹簧压缩，主阀口被打开，输出气流形成出口压力p2；同时，p2又反作用在大皮膜和指挥器皮膜上使主阀口和指挥器阀口呈关闭趋势。调节指挥器控制弹簧，将p2调至设定值，此时p2和主弹簧作用在大皮膜上的力与p3作用在其上的力处于平衡；以及p2和指挥器控制弹簧作用在指挥器皮膜上的力也处于平衡，出口压力p2稳定。当下游负载增大p2降低时，平衡破坏，指挥器阀口和主阀口开度增大，流量增大，上升到设定值，调压器又处于平衡状态。当下游压力p2升高时，调压过程与之相反。

图1　自力式调压器原理示意

2　焦耳—汤姆逊节流效应的影响

2.1焦耳—汤姆逊节流效应

天然气经调压器节流部件时，会产生焦耳—汤姆逊节流效应，导致天然气温度降低。调压器后的低温程度与调压器前后的压降以及调压器前天然气的进口温度有关。天然气经过调压器后的温度可以用式(1)进行粗略估算。一般压力每降低0.1 MPa，天然气的温度降低0.4～0.5 °C。

式中：T1、T2——调压器前后的天然气温度，K；α——修正系数，一般取0.8～0.9；

p1——调压器进口压力，MPa；

p2——调压器出口压力，MPa；

K——绝热指数，一般天然气取1.2～1.4。

2.2调压节流效应产生的影响

(1)如果温度降低过多，低于天然气露点温度时，就会使管路、调压器等外表面产生结露甚至结霜。湿天然气在管路中会产生水化物，导致在调压器阀口或指挥器导压管处出现“冰堵”现象，造成调压器故障的发生。

(2)如果调压器长期在低温情况下工作，调压器内的橡胶密封件使用寿命将会缩短。

(3)对调压器后管道系统的影响：当调压后的埋地管道周边土壤含有水分，且管道介质温度较低时，管道周边土壤中的水分就会结冰。根据土壤冻胀机理，管道产生变形，局部产生应力集中，带来安全隐患。2013年3月份浦星门站由于调压后温度过低，土壤冻胀造成管道支架脱离(见图2)，为此，该门站临时停气进行了维修改造。

图2　调压后管道脱离支架

2.3对策与措施

2.3.1调压器导压管加装电加热泵和电伴热带

加装电加热泵局部加热调压器导压管内部介质，对导压管外辅以缠绕具有自限温功能的电伴热带，并在导压管外部包裹保温材料。通过这种方式，有效缓解调压器“冰堵”现象。同时，对于调压器后的管道材质，设计时应考虑采用耐低温管材。

2.3.2采用水浴式换热器或电加热器加热

水浴式换热器可以采用天然气作为燃料，将水加热后，通过管道与天然气介质进行换热。电加热换热器内部加热元件将导热油加热后，通过管道对天然气介质进行换热。水浴式换热器或电加热器都可以对热负荷进行自动调节，从而对天然气介质温度进行控制。这种方式可以从根本上解决天然气介质降温问题。但这种方式的缺点是投资较大，而且受用电负荷以及场地的影响。

3　工况条件及参数的影响

3.1工况参数的影响

3.1.1出口压力设定过低

出口压力设置过低时，天然气在阀芯与阀座闭合处的差压就会增大。当气体有杂质时，会加速冲刷阀芯和阀座，降低阀芯和阀座的关闭性能。当用气量较低或不用气的工况出现时，由于调压器不能关闭到位或不能完全关闭，造成调压器超压切断。3.1.2出口压力设定过高

在多路调压器联合运行，通过不同的出口设定值来控制调压器的运行路和备用路时，由于系统设计压力的限制，出口压力设定过高给安全保护切断设定值带来一定的影响。使得调压器出口设定值过于接近于安全切断值，在调压精度不高或天然气流量波动较大时，出现切断阀非正常切断故障。

3.1.3下游天然气流量的影响

当流量发生突然变化时，流速也相应发生变化。由于附加动压的影响，调压器切断阀膜片处产生附加作用力和冲击，极易造成调压器切断阀切断，甚至出现切断阀阀杆发生因弯曲变形而发生断裂的情况(如图3所示)。

图3　调压器切断阀弯曲断裂

流速的增大也给管道带来较大的振动，也很容易出现机械式切断阀因“脱扣”出现非超压切断。这种现象经常发生在调压后为直供用户的场合。因为直供用户往往具有不均匀性用气的特点。

3.2对策与措施

3.2.1正确设计和选型，提高调压器调节性能

设计时应合理选择调压器通过能力。在选择调压器通过能力时，应按照系统最不利工况(即最小进口压力，最大出口压力)进行计算通过流量，考虑进出口压力的变化对调压器通过能力的影响。同时校核调压器对最小流量的适应性。在选择调压器时，应保证调压器的最大通过能力Q=1.2Qj(Qj为小时计算流量)。同时，应尽量使的工作流量不能过低(<0.3Q)，过低的流量有可能使调压器发生振动。根据流量Q和进出口压力参数p1、p2用公式(2)和(3)计算流量系数Kg。同时应考虑调压器出口流速V，流速过高会造成调压器噪音过大。一般对调压器出口法兰处流速V限制在150 m/s之内。根据Kg和出口流速V，查表选择调压器的通径。对于负荷变化较大，流量变化比较大的用户，应适当考虑加大出口管径，加长出口管道。

式中：Kg——流量系数；

Q——天然气流量，m3/h；

p1——进口压力，MPa；

p2——出口压力，MPa。

目前，通常用调压器专用选型软件对调压器进行选型设计。输入额定流量，最大、最小进出口压力，工质物性参数等，通过软件就可以得出调压器尺寸，接管尺寸，噪音值，开度，阀系数等参数信息，从而可以对调压器选型进行优化。

3.2.2正确配置压力信号采集管路

为了使调压器稳定工作，取压点必须位于正确的位置。通常在调压器出口和下游的取压点之间，须有一段长度大于等于4倍出口管径的直管段；在取压点之后，还须有一段长度大于等于2倍出口管径的直管段。

3.2.3合理设定调压器系统压力

实际用户情况比较复杂，用户性质也不尽相。在满足规范要求及实际用户要求的情况下，合理设定调压器出口工作压力、安全切断压力。目前国内规范没有明确规定调压器压力设置的原则。欧洲标准EN12186对调压系统各压力设置给出了相关建议，当调压器出口压力p在0.5 MPa

对于直供用户或用气量波动较大的下游用户，应特别考虑调压器出口值和压力保护值(切断值)之间的设定阶梯值和放散和切断的优先方式。对于多路供气的调压器系统更是如此。

4　其他影响因素

4.1天然气管道中杂质的影响

杂质会在一定的程度上影响调压器的关闭性能。调压器中指挥器的喷嘴直径一般非常小，容易堵塞，从而造成调压器失灵。图4所示为漕宝路站调压器阀口和阀垫处存在大量油状杂质的照片。由于调压器阀口杂质的影响，调压器关闭性能变差。在用气低谷时造成出口压力超压切断。

图4　调压器内部积液

4.2调压器本身性能的影响

调压器在工作中可能会出现调压膜片受损或破裂；阀口垫溶胀、阀垫摩擦受损；调压或切断弹簧疲劳、压并；信号取压管堵塞；阀杆动作不灵活、受卡；切断脱口机构摩擦力过大或间隙过大等情况。

这些都会导致调压器工作不稳定、稳压精度变差、工作失灵，甚至导致调压器切断。

4.3对策与措施

(1)在调压器前安装有效的过滤装置，并定期进行排污清理。另外，要定期清洁调压器指挥器前过滤网，确保进入调压器系统管路中无杂质。

(2)按照调压器维护保养的要求，定期对调压器进行维护保养。定期清洗调压器内部零部件，并对保养中发现的损坏或磨损超限零部件，及时进行更换，确保调压器处于正常的工作状态。

5　结语

天然气调压器是天然气输配管网中的重要环节，因此，调压器正常、稳定的工作是天然气管网安全运行的可靠保证。

调压器的工作特性不仅取决于设备本身的性能，还涉及调压器节流效应、上下游用气的工艺参数、管道清洁度等各个方面，我们应当把调压器看做一个系统。从设计选型、安装调试、运行维护等各环节进行综合优化和管理，确保天然气调压器正常稳定的运行。

Analysis on Influence Factors of the Work Performance and Countermeasures of Gas Regulators

Shanghai Nature Gas Pipeline Network Co., Ltd.Shi Dehua

Combined with the principle of gas regulators, influence factors of the work performance including the throttling effect, process parameters, gas quality and the performance of itself have been analyzed, and the countermeasures have been discussed as well.

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