输配场站调压器运行质量分析与评价

付国强

新疆燃气集团有限公司天然气输配分公司　（新疆　乌鲁木齐　830013）

天然气场站是连接城市各级燃气管网的重要纽带，城市门站负责接收气源，经过过滤、计量、加臭等工艺后，再进行调压输送到下一级管网的连接点即城市区域调压站。而城市调压站接收气源，再进一步过滤、计量，调压输送到中压管网中，最后再进一步降压通过低压管网输送至各类用户。因此，调压器在整个输送过程中显得尤为重要。调压器的基本功能是在将系统压力维持在某一可接受范围内的同时还必须满足下游的流量要求。当流速较低时，调压器阀瓣靠近阀座缩小通道以限制流量。当需求流量增加时阀瓣远离阀座增加其打开程度以增大流量。在理想状态下调压器应能够在输送所需流量的同时，提供恒定的下游所需压力。

从流体力学的观点看，调压器是一个局部阻力可以变化的节流元件即通过改变节流面积使流速及流体的动能改变造成不同的压力损失从而达到减压的目的。最主要的功能是保证天然气在使用时具有稳定的压力，从而保证燃气用具能够得到稳定的燃气与空气比例。当调压器发生故障时能够限制下游压力在安全范围内，最终目的是在燃气供应系统中能够将气体压力降低并稳定在一个使气体得到安全、经济、高效利用的使用状态。

从工况参数、节流效应、气质组分中的杂质等因素综合考虑并分析了与运行质量之间的相互关系，进而探索建立故障预警机制。从而为提高运行质量和降低运行风险提供控制方法。随着电子信息技术的快速发展，调压器技术已从传统化向智能化方向发展，极大地提高了调压器运行质量和效率。

1　场站调压器的种类、基本组成、结构及工作原理

根据操作原理将调压器可分为直接作用（自力）式和间接作用（指挥器操纵）式两大类。调压器主要是由敏感元件、控制元件、执行元件、信号元件和阀门组成的调压装置。直接作用（自力）式调压器的基本原理是执行机构动作所使用的全部能量是直接通过敏感元件经由被调介质提供。间接作用（指挥器操纵）式的基本原理是将敏感元件的输出信号加以放大使执行机构动作，而传感器放大输出信号的能量源于被调介质或外供介质。将输配部分场站使用的调压设备列举如下（表1）。

2　输配场站调压器的性能对比

调压器的技术特性主要包括流量（阻力）特性和静特性。调压器通过气体的流通能力，通常用流量系数Cg来反映其流量（阻力）特性，当进口温度不变时，调压器的流量特性处在临界状态，体积流量仅与进口绝对压力成正比；当调压器的流量特性处在亚临界状态，体积流量取决于进口和出口的绝对压力[1]。在实际工程应用中调压器的通过能力及其调节特性很难用理论方法确定，因此一般按标准状态（0.101 MPa，273.16 K）对调压器进行静特性试验，从而得到出口压力P2随进口压力P1和流量q之间变化的关系曲线图[1]，如图1所示。

表1　输配部分场站使用的调压器统计表

图1　调压器静特性曲线

根据GB 27790—2011《城镇燃气调压器》中规定的方法进行分析，得到了调压器的静特性指标为：稳压精度（A）、稳压精度等级（Ac）、关闭压力（Pb）、关闭压力等级（SG）、关闭压力区，关闭压力区等级（Sz）[2]。

根据输配场站目前使用的不同种类调压器，对调压器结构材质及适用范围进行对比（表2）。

由以上对比可知：

1）Reval182、Reflux819、Aperflux851 三种不同型号的调压器结构材质、功能特点也基本一致，只是工作原理和适用范围不同。该系列产品具有流通能力大、调压精度高，压力设定范围宽等优点，也存在受节流效应影响大、指挥器易堵塞等缺点。因此在实际使用中应注意：①流经调压器进口处的气体必须是经过滤后除去杂质的气体；②在调压器预调器进口处需安装冷凝物收集和排污系统；③为了确保压力信号的采集，必须在调压器出口和下游的取压点之间，要有一段大于等于4倍出口管径的直管段，取压点之后要有一段大于等于2倍出口管径的直管段。

2）PL200系列调压器具有结构优势，如位移传感器可将阀位的开度进行远传至站控系统；指挥器电加热器防止指挥器阀口处结冰而导致调压性能失效。具有调压精度高，压力调节范围宽，流通能力大，指挥器不易被冻堵等优点，缺点是响应速度慢，维护成本高。在实际使用中应注意：①流经调压器进口处的气体必须是经过滤后除去杂质的气体；②高于调压器压力设定的下游压力可能会损坏皮膜等密封件及其他内部组件。

3）EZR和FL两种不同系列的调压器工作原理不同，基本组成结构也不相同。EZR型调压器属于曲流式结构，精度高，抗碎屑能力强，易维修等优点。缺点是切断阀须单独配置，增加成本。FL型调压器属轴流式结构，具有更大的流通能力，低差压，高强度的调压主膜片技术承受更高差压等优点；缺点是切断阀需单独配置，增加成本，易发生冻堵。在使用中应注意：①控制好上下游压差，减小压力波动的冲击造成内部组件的损伤；②定期维护保养。

表2　调压器性能对比

3　调压器故障与运行质量的关系

调压器会因工况参数、节流效应、气体杂质、噪声、调压器本身的特性等因素的影响而发生故障，根据对以上因素的分析讨论，结合输配场站运行实际及历年调压器故障维修数量统计，进一步分析调压器故障与运行质量的预警控制方法。列举了2014—2016年间冬季主要场站故障数量对比（表3），从而为建立有效的故障预警提供依据。

通过工况参数、节流效应、气体杂质、噪声及调压器本身性能对调压器运行质量的影响评估，结合表中对主要场站故障的描述，每一个场站的故障因素都可通过从这几个因素进行分析。如配气站、新医路、金沙江等场站受到气体杂质的影响因素较多，储配站的调压器受流速冲击、杂质、设备本身部件性能的影响而发生故障。因此针对场站不同的调压器故障类型制定针对性的故障预警很有必要。如从调压器的性能入手，通过在低温条件下的运行，分析调压器内部零件的使用条件，故障发生的周期和时段；从上下游压差的变化，分析调压器发生故障的周期。

表3　2014—2016年冬季主要场站调压器故障统计

4　调压器本身性能等与运行质量的关系

以工况参数、节流效应、气体杂质、调压器特性为参考因素，作为变量因子，运行质量作为目标函数。分别用x、y、z、u表示工况参数，节流效应、气体杂质、调压器特性，用F表示运行质量。通过建立函数关系来进行评价运行质量。则定义 F=(x、y、z、u)，而工况参数、节流效应、气体杂质、调压器特性对运行质量的影响定义为差异化影响变化因子，即用分别表示工况参数、节流效应、气体杂质、调压器特性对运行质量的差异化影响的变化因子。

4.1　工况参数的影响及评价

4.1.1工况参数的影响

工况参数主要从压力设定及气体流量两个因素考虑：①当出口压力设定过低时，天然气在阀芯与阀座闭合处的差压增大。当气体中含有杂质时，会加速冲击阀芯和阀座，降低阀芯和阀座的关闭性能[3-4]。当用气量较低时或不用气时，调压器不能完全关闭，易造成调压器超压切断。②当出口压力设定较高时，使得调压器出口压力设定值过于接近安全保护的切断压力，当调压器调压精度不高或流量波动较大时，出现切断阀切断故障。③当流量突然发生变化时，流速也发生变化。由于受到附加压力的冲击，调压器切断阀膜片处产生附加作用力和冲击，很容易使切断阀切断，甚至使切断阀拉杆因弯曲变形而发生断裂。流速增大，使管道振动频率增加，也极易造成切断阀因脱扣而非超压切断。此种情况在独立管网供应系统或直供用户经常出现。

4.1.2工况参数对运行质量影响的评价

用p、q表示压力及流量，而工况参数暂定义为压力和流量的函数，即可表示为x=（p、q），对工况参数的影响因子分别表示为。则此时不考虑节流效应、气体杂质、调压器特性差异化影响的因素，只考虑调压器运行质量受工况参数的影响，则有F=x（p、q），于是对运行质量的影响用式（1）[5]表示。

4.2　节流效应的影响及评价

4.2.1天然气进调压器后的出口温度的计算

天然气经过调压器时，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压降及调压器前端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（2）式进行估算[3]。一般压力每降低0.1 MPa，温度降低0.4～0.5℃。

式中：T1、T2为调压器前后的温度，K；α 为修正系数，一般取 0.8～0.9；P1为调压器进口压力，MPa；P2为调压器出口压力，MPa；K为绝热指数，一般天然气取 1.2～1.4。

4.2.2天然气的绝热节流系数的计算

绝热节流的温度效应与气体性质有关，也与气体所处的状态有关。绝热节流效应常用温度下降的数值与压力下降的数值的比值表示。用

式中：μj-t为节流系数，K/Pa；T1为天然气初始温度，K；T2为节流后的温度，K；P1为天然气初始压力，MPa；P2为节流后的压力，MPa。

天然气节流后，压力降低，温度降低，节流系数为正值，节流效应为冷效应。实际运行中节流效应对设备运行有很多影响：①如果温度降低过多时，当温度低于天然气的露点温度时，会使管路、调压器外表面结霜，如天然气中含水量高时，易形成天然气水合物，导致在调压器阀口处或指挥器的导压管处发生冰堵现象，造成调压器故障发生，从而运行受阻，影响供气。②若调压器长期在低温下运行，容易造成调压器橡胶密封件受损，缩短使用寿命。③若调压器后的埋地管道土壤含水率较高，管道温度较低时，极易造成埋地管道局部应力集中，导致管道发生变形或涨裂管道，从而引发管道安全事故。表示为节流系数，其物理意义为下降单位压力时温度的变化值，它随温度、压力的变化而变化。当μj-t＜0时，产生热效应；μj-t＞0 时，产生冷效应；当 μj-t=0 时，产生零效应[5]。而实际应用中天然气的平均节流系数可采用查图计算法和数学函数公式计算法两种方法进行计算。公式（3）为查图计算法的公式[6]。

4.2.3节流效应对运行质量影响的评价

根据以上分析，节流效应(记作y）受天然气进口温度T1，调压器进出口压力降的影响。为了分析方便，将进出口压力比值记作M，进口温度用t代替。定义运行质量只受节流效应的影响，则有F=y（M，t），其中 M=（4），当 M 值越大，则压降越大，而当进口温度取一定值时，y值越小，出口温度越低，节流效应越显著。当天然气进口温度t一定时，进出口压降比越大时，则易出现冻堵，导致调压器发生故障，运行受阻，因而运行质量降低。若要确保调压器的运行质量，则必须提高天然气进口温度及控制好进出口压力比。随机抽取配气站2016年12月中4天的运行工况数据为例进行说明（表4）。

从表4数据可知：1#撬、2#撬进口平均温度均较低且基本在零度以下，而出口温度均较高，调压器前后温度降ΔT的值小于零，则说明气体的出口温度是经过加热后的气体温度。3#撬的前后压降基本稳定，而温度降ΔT的值大于零，则说明调压器前段气体的进口温度是未经加热后的温度。

根据焦耳-汤姆逊公式，在相同的压力下，节流系数随温度降低而升高，说明气体温度越低，节流后温度降低越大[6]。因此为了确保不形成天然气水化物造成冻堵，在调压器进口段设置换热装置是有必要的。根据表4数据，利用（4）式计算配气站1#～3#撬进出口压力比M，再利用（2）式分别计算验证进、出口绝对温度 T1，T2，接着利用（3）式进行计算节流系数μj-t，计算结果验证见表5。

表4　2016年12月中4天的配气站运行工况参数

从表5可知：1#～3#撬出口温度基本符合焦耳-汤姆逊公式，随着温度降低，计算得出的节流系数是升高的。1#、2#撬节流系数值小于零，将产生热效应，恰好验证了1#、2#撬调压器进口端的气体是经过加热的，从而提高了调压器进口端天然气的温度，而3#撬节流系数值大于零，说明节流效应将产生冷效应，也正好验证了实际运行情况，即通过3#撬调压器的气体是没有经过加热的。根据2016年12月检测的天然气水露点值（-42.93℃）进行判断不会发生冻堵现象。

表5　变量参数计算验证结果

4.3　气体杂质的影响及评价

4.3.1气体杂质的影响

天然气中杂质严重影响着调压器的关闭性能，容易造成调压器的指挥器堵塞，也会造成调压器阀口和阀口垫处因细颗粒物的影响致使调压器关闭性能变差，皮膜及密封件受损。调压器故障发生、运行受阻、运行质量降低。

图2　配气站EZR型调压器故障照片

4.3.2气体杂质对运行质量影响的评价

将其他影响因素均不作为影响因子，只考虑管道气体中所夹带杂质的影响来进行评价运行质量的。气体中夹带的颗粒物等杂质在高流速冲击下会造成皮膜破裂，密封圈损伤，严重的造成调压器阀笼断裂，调压器故障发生，运行质量得不到有效保障。以配气站所使用的EZR型调压器（图2），红雁南门站所使用的Aperflux851型调压器发生的故障照片（图3）为例进行说明。

在实际运行中，配气站调压器的杂质主要为滤芯碎铁屑、由于过滤器滤芯受到高速流体的冲击，材质本身性能影响，在长时间的运行下易磨损老化被气流撕裂成碎屑，从而造成下游调压设备部件（如皮膜，阀笼）损伤发生故障。因此，对于滤芯的更换清理，调压器的清理维护需根据运行工况变化而及时进行，确保调压器运行质量不受影响。

图3　红雁南门站Aperflux851型调压器皮膜及压板破损故障照片

红雁南门站3#撬调压器皮膜因压板破碎在高流速冲击下撕裂皮膜，导致故障发生。经与供货商厂家协商对皮膜压板进行专项技术鉴定，确定系材质本身存在质量缺陷造成皮膜损伤。

4.4　噪声的影响及评价

4.4.1噪声的影响因素

调压器在工作中会产生噪声，一般根据原理不同，主要分为机械噪声、空气动力学噪声、管道气流噪声。这些噪声对调压器产生不同的影响，主要表现为：①机械振动噪声是机械类振动、固有频率振动和由阀芯振荡性位移引起流体的压力波而产生的噪声。这类噪声产生的原因与调压器的设计、零部件材料、管道材料、设备加工工艺、装备质量有关。②天然气通过调压器的减压部位时，调压器的出口管径变粗，天然气的压力下降，同时天然气部分机械能转化为动力学噪声。这种噪声主要是由于天然气经过调压器后流速突然急剧加速，冲刷调压器的阀芯和调压器出口扩径部分形成的大量湍流漩涡。在调压器噪声中占的比例很高。这类噪声的频率一般在1 000～8 000Hz，一般没有特别陡的峰值频率。③管道气流噪声是天然气经过调压器后形成大量湍流运动，出现了流体逆流运动的趋势使部分流体在经过调压器扩口段后仍做不停的、剧烈的漩涡运动。这些漩涡与湍流、管壁以及漩涡自身之间的相互作用造成漩涡振动并产生激烈的噪声。

4.4.2噪声对运行质量影响的评价

从噪声产生的来源及原理，可通过技术手段进行降噪处置，在实际生产运行中，机械噪声、空气动力学噪声、管道噪声目前无法得到有效的根治。而机械噪声在实际作业过程中要防止天然气通过调压器和下游管道产生的噪声频率和调压器固有的频率相同而发生共振，防止共振发生的一个重要途径就要使调压器在合理的调压范围工作，防止上下游压力频繁波动。空气动力学噪声不能完全被消除，但是可以采取一定的技术措施降低。针对调压器下游管道中漩涡产生的噪声可从降低管路系统工作雷诺数方面出发，增加调压器下游管道的管径，降低流速从而实现降低下游管路雷诺数的目的；在调压器下游加弹性材料吸收湍流脉动噪声和冲击管壁噪声产生能量损失，实现降噪。在调压器下游安装盘装筛网使大漩涡分化，弱化大漩涡能量实现降噪的目的。而空气动力学噪声调压器生产厂家已通过技术手段进行处置得到有效的控制。而机械噪声在实际运行中只有通过对调压器工况参数的合理调节进行控制，管道噪声目前通过技术改造可得到控制，但通过增加下游管径运行成本将增加，在实际运行中很难做到。因此，噪音对调压器的运行质量的影响并不能完全消除，是制约调压器运行质量的不可抗拒的因素。

4.5　调压器本身性能的影响及评价

4.5.1调压器本身性能的影响

调压器在运行过程中可能会出现调压器皮膜受损或破裂，阀口垫涨裂，阀垫摩擦受损；调压或切断弹簧疲劳失效，阀杆动作不灵活、卡阻，信号管堵塞，切断脱扣机构摩擦力过大等。这些因素都会导致调压器稳压精度降低，调压器工作不稳定，甚至调压器切断发生故障。

4.5.2调压器性能对运行质量影响的评价

调压器的整体性能取决于阀系数、流量系数、阀尺寸，各部件的材质成分。当选型时对阀尺寸、流量系数、气体流速等调压器性能参数没有合理的选定计算，当调压器在实际运行后易出现工作故障。调压器组成部件的材质不符合质量要求时，同样会导致调压器发生故障。因此，在实际使用中应根据工艺要求正确选型显得很重要，在设备投入运行后，要加强设备的日常维护，如定期测试设定压力，关闭压力，更换密封件，清洗阀口。

5　结论与建议

调压器的工作质量不仅取决于设备本身的性能，还与运行的上下游工况参数、节流效应、管道气体的清洁度、噪声等因素有关。因此从设计选型、安装调试、运行维护等各环节整体优化管理，才能确保调压器正常稳定运行。调压器发生故障的因素除噪声外，应从工况参数的有效控制，节流效应的科学管控，气体杂质的及时清除等方面综合考虑，制定针对性的解决措施从而降低故障发生概率。此外，还应积极探索调压器发生故障的周期，从而为建立运行质量的预警分级提供依据。通过上述分析评价，对于提高调压器的运行质量的结论建议如下。

1）从运行操作的角度来看上下游压差是影响调压器使用寿命的关键因素之一，其他影响因素如噪声、节流效应都和上下游压差有直接的关系，控制上下游压差在合理范围内是保证调压器长时期稳定运行的关键。管道中气体杂质是影响调压器工作质量的重要因素，当气体中杂质较多，尤其是颗粒物对调压器的冲击损伤较大，造成调压器皮膜损伤、阀口卡阻等，增加了调压器的维修运行成本。因此，从设备选型角度要根据工艺要求选用适合工况运行的调压器，同时从运行操作的角度还应对管道在投产运行一定的周期后，有必要进行清管作业。过滤分离器在实际运行中过滤分离效果不佳的情形时有发生，对于颗粒物的过滤效果达不到最佳状态，应在上游采用适于过滤分离颗粒物的过滤设备。

2）从工艺设计来看应根据当地环境气温和调压器的工作条件，计算调压器在调压过程中出现的最大节流系数，以此作为判断出现最大温度降的依据。从而为是否在场站设置加热炉及换热设备提供依据。

3）从产品设计的角度来看，调压器的流量系数、阀系数是通过理论公式计算得出的，而调压器在运行一定时间后流量系数、阀系数是否会发生变化有待进一步进行研究确定。

参考文献：

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