内取压燃气调压器取压特性的实验研究

2019-03-18李昊民

煤气与热力 2019年3期

关键词：调压器入口偏差

翟军，李昊民，胡敬，岳明，陈浩

(1.国家燃气用具质量监督检验中心，天津300384；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司城市燃气热力研究院，天津300384)

1 内取压调压器存在的问题

内取压调压器由于结构简单、安装方便、使用安全等优势，因此被广泛应用到城镇燃气系统。内取压调压器作用原理见图1。

图1 内取压调压器作用原理

评价一个调压器的性能通常是在一定的流量范围内看调压器是否能将出口压力控制稳定。调压器静特性曲线是在调压器稳定工作时，调压器出口压力随流量变化的曲线，反映了调压器的性能。本文提到的流量是折算成在绝对压力为101.325 kPa，温度为0 ℃的标准状况下的流量，用q表示。理想调压器的静特性曲线在一定流量范围内，是一条水平线，即调压器出口压力不随流量发生变化。而内取压调压器静特性曲线跟理想调压器相比，往往会发生上翘，即调压器出口压力会随流量增大而升高，导致出口压力超压，影响后端燃气设备的安全和燃烧设备的使用[1]。

根据GB 27790—2011《城镇燃气调压器》(以下简称GB 27790—2011)，调压器出口压力的测试为在管道侧壁取压，取压断面与气体流动方向平行，故调压器出口压力为静压值。但是传统的内取压信号管的取压断面与气体流动方向垂直(见图1)，其取到的压力并不是静压值。两者存在取压偏差，取压偏差Δp见式(1)。

Δp=p2-p3

(1)

式中 Δp——取压偏差，kPa

p2——调压器出口压力，kPa

p3——调压器信号管采集压力，kPa

文献[2]认为，信号管采集的压力p3，为调压器出口压力p2减去动压。文献[3-4]认为，信号管取到的压力是一个与流体流速有关，且小于调压器出口压力p2的值，但是具体值并未给出。本文针对这一问题，研究调压器出口压力p2和取压偏差Δp随管内气体流量q的变化关系，为内取压调压器的取压改进提供参考依据。

2 实验系统的设计

2.1 实验调压器的选择

本文实验选取的待测内取压调压器(以下简称调压器)的设计入口压力为0.10 ～0.40 MPa。口径为DN 40 mm。出口压力设定值为8 kPa。入口压力为0.10 MPa时，流量范围为20～200 m3/h。入口压力为0.25 MPa时，流量范围为20～700 m3/h。入口压力为0.40 MPa时，流量范围为20～800 m3/h。调压精度等级是10。

2.2 实验系统的组成与测试原理

根据国标GB 27790—2011第7.1节的要求，搭建实验台。实验选取调压器入口压力p1为0.10 MPa、0.25 MPa、0.40 MPa的3个常见工况，在不同流量条件下，测试了调压器出口压力p2和调压器信号管采集压力p3的数据。调压器性能测试系统见图2。

图2 调压器性能测试系统

实验介质为空气。管道系统包括实验空气管道和控制空气管道两部分。管道系统中，高压空气从储气压力为2.0 MPa的储气罐流出，进入流量计，然后进入一级控压调压器减压。之后，对于被测调压器入口压力p1为0.40 MPa工况，打开旁通阀，高压空气直接进入被测调压器。对于被测调压器入口压力p1为0.10 MPa和0.25 MPa工况，关闭旁通阀，空气经二级控压调压器减压，然后进入被测调压器。控制空气从储气罐引出，进入节流阀1和节流阀2，经节流后分别进入一级控压调压器和二级控压调压器，控制一级控压调压器和二级控压调压器的开度，从而实现被测调压器的入口压力控制。从被测调压器出来的空气经过流量控制阀排到大气。

2.3 实验测试步骤

① 打开储气罐出口的管道截止阀，使空气进入实验空气管道。根据事先输入的被测调压器入口压力设定值，选择是否开启旁通阀。根据采集到的被测调压器进口压力p1，工控机控制节流阀1和节流阀2的开度，从而控制一、二级控压调压器的节流强度，维持被测调压器进口压力p1的稳定。待被测调压器入口压力稳定至设定值后，开始实验。

② 通过工控机调节流量控制阀，改变实验管道空气流量，逐步增大至最大实验流量。被测调压器前后的压力变送器分别采集调压器进出口压力p1和p2，从调压器下膜腔接出小管连接压力变送器，测试信号管采集压力p3。流量计根据附近的温度变送器和压力变送器采集到的数据，将流量换算成标准状态流量。待空气流量q以及对应流量下的被测调压器出口压力p2和调压器信号管采集压力p3都稳定时，记录这些数据。

③ 通过工控机使流量控制阀关闭。记录零流量条件下，被测调压器出口压力p2和信号管采集压力p3。

④ 改变被测调压器入口压力p1。重复步骤①～③。

按照上述步骤，依次对入口压力p1分别为0.10 MPa、0.25 MPa、0.40 MPa这3种工况进行实验，得到3组不同入口压力p1条件下空气流量q以及对应流量下的被测调压器出口压力p2和信号管采集压力p3数据。

3 实验结果与分析

3.1 不同入口压力下p2和p3随流量的变化

入口压力p1=0.10 MPa下，p2和p3随流量q的变化见图3。

图3 入口压力p1 =0.10 MPa时，p2和p3随流量q的变化

由图3可以看出，在入口压力p1=0.10 MPa时，调压器出口压力p2和信号管采集压力p3都随着流量q的增大而发生了不同程度的下降。调压器出口压力p2随流量的增大而下降的速率没有p3下降的速率快。随着流量q的增大，取压偏差Δp越来越大，这也符合之前许多学者分析的结果[2-4]。

由于内取压调压器多为结构简单的直接作用式调压器，调压器的阀口开度增大时，弹簧的压缩量减小，提供的压力也减小，与其平衡的p3也会减小。这就是通过弹簧驱动调压器工作时产生的弹簧效应[5]。

入口压力p1=0.25 MPa时p2和p3随流量q的变化见图4。

图4 入口压力p1 =0.25 MPa时，p2和p3随流量q的变化

由图4可以看出，在p1=0.25 MPa时，信号管采集压力p3随着流量q的增大而持续下降，这与p1=0.10 MPa时情况是一样的，都是由于弹簧效应。与p1=0.10 MPa时相比，随着流量q的增大，p3下降得更慢。随着流量q的增大，调压器出口压力p2先下降后上升。流量q从0增大到24 m3/h时，随着流量q的增大，p2下降速度较快。流量q从24 m3/h增大到313 m3/h时，p2基本保持恒定。拐点出现在q=313 m3/h，此时p2=7.95 kPa。拐点之后，随着流量q的增大，p2开始上升，且曲线越来越陡，直到达到最大流量1 660 m3/h。

入口压力p1=0.40 MPa时，p2和p3随流量q的变化见图5。

图5 入口压力p1=0.40 MPa时，p2和p3随流量q的变化

由图5可以看出，在p1=0.40 MPa时，信号管采集压力p3随着流量q的增大而持续下降。与p1=0.10 MPa和0.25 MPa时相比，随着流量q的增大，p3下降得更慢。随着流量q的增大，调压器出口压力p2先下降后上升。流量q从0增大到254 m3/h时，随着流量q的增大，p2保持下降。拐点出现在q=254 m3/h，此时p2=7.99 kPa。拐点之后，随着流量q的增大，p2开始上升，且曲线越来越陡，直到达到最大流量2 560 m3/h。

3.2 不同入口压力下取压偏差随流量的变化

依据图3～5的数据，以q2作为横坐标，Δp作为纵坐标，绘制拟合曲线图，得到不同入口压力p1条件下Δp随q2的变化特性，见图6。

图6 不同入口压力p1 下Δp随q2的变化特性

图6中，p1=0.10 MPa时，取压偏差Δp随q2的变化曲线与p1=0.25 MPa时很接近。各个拟合曲线最右端的点代表在不同入口压力p1的条件下进入临界状态的数据。由于调压器最大流通能力随入口压力减小而减小，因此在较低入口压力下，实验的工况点集中在流量较小区域。由图6可以看出，取压偏差Δp与q2关系的拟合曲线为过原点的直线。即取压偏差Δp与q2成正比。我们针对不同型号、口径分别为DN 40 mm、DN 50 mm、DN 80 mm的中-低压内取压调压器，在不同入口压力下进行了逾500组实验，均满足取压偏差Δp与q2成正比的规律，即满足式(2)：

Δp=kq2

(2)

式中 Δp——取压偏差，kPa

k——比例系数,kPa·h2/m6

q——气体流量，m3/h

根据图3～5的实验数据计算，p1=0.10 MPa时，k=5.48×10-6kPa·h2/m6；p1=0.25 MPa时，k=5.69×10-6kPa·h2/m6；p1=0.40 MPa时，k=6.82×10-6kPa·h2/m6。由此可见，比例系数k是一个与入口压力p1有关的系数。随着入口压力p1的增高，比例系数k逐渐增大。随着p1的增高，p1和p2的差越来越大，阀口的节流效果越来越强,导致取压管处扰动加强，使取压更加不准确，取压偏差Δp更大，比例系数k增大。