探究燃气管道调压器工作性能影响因素及解决措施

严帮银

（江苏省沭阳华润燃气有限公司，江苏 沭阳 223600）

燃气管道调压器是城镇燃气输配过程中不可或缺的重要设备，主要负责处理下游压力问题，将上游高压力调节至下游可承受或需要的低压力，将出口压力保持在恒定数值。调压器是一种高可靠性的装置，但因燃气输送中介质存在杂质、工矿参数及设备自身失效等因素，对调压器稳定工作带来巨大影响，严重者导致调压器切断，造成供气中断，影响民众正常生活。本文根植于此，探究确保燃气管道调压器正常工作的措施。

一、调压器工作原理

调压器分为直接作用式调压器与间接作用式调压力，本文以直接作用式调压器为例，分析其工作原理。调压器主要由控制元件、敏感元件、执行机构、阀门等部分组成（详见下图1）。按照图1 序号，依次代表设定元件、驱动器、膜片、信号管、阀口、调压器壳体、调节元件、驱动器壳体。其中P1 与P2 分别代表调压器的进口与出口压力。

进口压力P1 经调压器减压后，出口得到降低后的压力P2。出口压力可通过“1”设置，压力通过“4”进入“3”的下方，此时“1”的弹簧压力向下，P2对“3”的压力朝上，二者达到相对的平衡，此刻出口压力保持稳定状态。

二、燃气管道调压器工作影响因素

（一）节流效应产生的影响

1.节流膨胀与焦耳——汤姆逊效应

燃气流经管道调压器节流部件时，易产生节流膨胀与焦耳——汤姆逊效应，促使燃气温度降低，经过调压器后呈现出低温状态，导致调压器前后压力变化，对燃气进口温度产生负面影响。经测算，燃气调压器温度可用式（1）进行计算，概算温度与压降的关系。式中T1、T2代表调压器前后的燃气温度；a 代表修正系数，取值为0.8-0.9；P1、P2分别代表进出口压力；K 代表绝热指数，输送燃气时取值为1.2-1.4。常规条件下，压力每降低0.1MPa，燃气温度降低0.4℃左右。

2.节流效应对调压器工作性能的影响

如果燃气温度降至露点温度以下，将导致管路及调压器外表结露，严重者结霜。此环境下，燃气中易产生水化物，影响调压器阀门或指挥器出现冻堵，最终导致调压器故障。同时，如果长期在低温环境下工作，将大大缩短橡胶密封件使用寿命。此外，节流效应对调压器管道系统有明显影响。由于埋地管道四周土壤含有水分，当管道温度降低后，周边土壤凝结成冰。依照土壤冻胀原理，解冻后的土壤挤压管道，容易导致管道形变，局部压力过于集中，加大燃气输送风险。

（二）设备振动与噪声的影响

调压器工作过程中，易引发振动，产生噪声。常规条件下，噪声可分为机械振动噪声、流体力学噪声及空气动力学噪声，此类噪声对设备运作产生巨大负面影响。机械振动噪声主要由于设备振动、阀芯震荡性位移的波动、固有频率振动产生的噪声，即“喘动”噪声。调压器振动噪声产生的原因与构件结构、零件配备、加工工艺及装配方式等相关。燃气流经调压器阀门及管径变化段时，受节流效应影响，管道气压及流速发生变化。当流速骤变时，调压器阀门口径部位易形成漩涡，导致部分机械能转化为空气动力学噪声，进一步加剧噪声产生。

（三）工况条件及各项参数的影响

1.出口压力设定问题

当调压器出口压力设置过低时，导致燃气在阀芯和阀座闭合处的压力差增大，如果气体内存在杂质，将加速冲刷阀芯与阀座，影响阀芯及阀座闭合性能。由于燃气输送存在高低谷时段，当气量较低或不用气的情况出现时，调压器无法完全关闭，有可能会导致调压器超压切断。

此外，当燃气管道调压器处于多路联合运作时，不同出口设定值具有控制调压器运行路及备用路的功能。考虑到系统压力限制问题，当出口压力设定值过高时将影响安全保护切断功能。由于调压器出口设定值过于接近安全切断值，一旦调压器精度下降或管道燃气流量波动大，将导致切断阀非正常运作。

2.下游燃气流量问题

当燃气管道流量发生变化时，其流速顺应改变，在附加动压的影响下，调压器切断阀膜片产生附加作用力及冲击力，造成调压器切断阀自主切断，导致切断阀阀杆处发生弯曲形变或断裂等问题。

三、改善燃气管道调压器工作性能的措施

（一）应对节流效应的措施

1.优化调压器及切断阀导压管

在导压管处增设电加热泵及电伴热带，通过外部辅助的方式限制降温幅度，同时在管道外部缠绕保温材料。基于此，可缓解调压器“冻堵”问题。设置电加热泵与电伴热带时需考虑调压器后侧管道材质，尽可能采用耐低温材料。

2.应用水浴式换热器或电加热器

应用水浴式换热器的优势是可运用燃气燃料，将水加热后，通过燃气管道与介质间换热。电加热器与其原理基本相同，通过加热内部元件达到换热的目的。水浴式换热器或电加热器都可自动调节热负荷，控制燃气介质温度。该方法可彻底解决燃气介质降温的问题，但缺点是投入过大，同时受电负荷影响，对场地要求较高。

（二）合理控制设备的振动噪声

调压器设备运行过程中易产生振动噪声，防止或减弱振动噪声需从物理学视角分析。首先，燃气流动时与设备及管道产生的噪声频率与调压器固有频率类似，从而发生共振现象。解决噪声的关键因素是合理选择调压范围，防止上下游压力多次波动。由于空气动力学造成的噪声无法完全消除，所以可采用减弱措施。高压燃气流经调压器时的规律符合高压阻塞喷注的湍流噪声，借鉴马大猷院士研究得出的喷注噪声规律，应用小孔消声原理控制调压器产生空气动力噪声进行降噪。运用特瑞斯能源装备股份有限公司生产的消音设备，借助多级节流降噪及小孔降噪相结合的方式进行消音降噪处理。

针对流体力学噪声，根据流体噪声产生原理（经调压器及阀门阀口及管道内壁产生的摩擦而引发的噪声），其与气体流动相关，噪声等级较低，但气流形成漩涡与流势和管道内壁作用形成漩涡振动，以此产生剧烈噪声，即管道噪声。管道噪声影响调压器及燃气管道稳定运行，可在管道尾部设置消声设备，达到降低噪声的效果。

（三）改善工况条件与优化参数的措施

设计阶段需合理选择调压器通过能力。择取调压器通过能力的过程中，需参照系统运行最恶劣的工作情况，即调压器进出口压力控制在临界范围，综合分析进出口压力变化对调压器通过能力的影响。同时，核验调压器对进口压力最小流向的适应性：择取调压器过程中，需确保调压器最大通过能力Q=1.2 Qj（Qj≈0.3Q）。与此同时，保证调压器工作流量不低于Qj,一旦低于临界值将造成剧烈震动。依照管道流量Q 与进出口压力P1、P2（见式（1））之间的关系，用下文的式（2）与式（3）计算流量系数Kg。需要注意的是，应考虑调压器出口流速与调压器噪声之间的关系，即流速过高将导致调压器噪声过大。常规条件下，流速V 需控制在150 m/s。如果负荷变化过大或燃气用量过多，需适当加大出口管径，同时加长管道长度。

亚临界条件（P1<2P2）时：

超临界条件（P1 ≥2P2）时：

式（2）与式（3）中：Kg 代表流量系数；Q 代表燃气流量；P1、P2与式（1）同。我国常用专用选型软件对燃气管道调压器进行选型设计。通过仿真技术模拟额定流量、进出口压力等各项工况参数。借助软件可实现对调压器尺寸、噪音值、开度、阀芯与阀座等参数进行模拟测验，以此优化调压器选型。

针对调压器系统压力设定问题，考虑到燃气用户的复杂性与高低谷时段差距明显等因素，在满足供需要求基础上，需设定调压器进出口压力及安全切断压力。国内现有规范尚未界定调压器设置原则，可借鉴西方国家 EN12186 标准，结合燃气管道调压器承压情况，合理设定安全切断压力。例如，直供用户或气量需求大的下游用户，需考虑压力保护值与进出口压力设定的优先次序。

四、结语

通过对燃气管道调压器的研究，深入了解影响调压器正常工作的因素。为了确保燃气输配管网安全运行，需有效应对节流效应，优化上下游工艺参数，让管道内部保持清洁，将运行维护管理贯彻始终，保障燃气管道调压器正常工作。