天然氣調(diào)壓器工作性能影響因素及對(duì)策分析

上海天然氣管網(wǎng)有限公司　史德化

天然氣調(diào)壓器工作性能影響因素及對(duì)策分析

上海天然氣管網(wǎng)有限公司史德化

結(jié)合天然氣調(diào)壓器工作原理，分析了節(jié)流效應(yīng)、工況參數(shù)、天然氣氣質(zhì)以及調(diào)壓器本身的性能對(duì)調(diào)壓器工作性能的影響，并討論了相關(guān)解決措施和對(duì)策。

天然氣調(diào)壓器影響因素對(duì)策措施

0　引言

天然氣調(diào)壓器是天然氣調(diào)壓站的核心設(shè)備，它的作用是將上游較高的壓力調(diào)節(jié)至下游所需要的較低壓力，并保持出口壓力為某一恒定值。調(diào)壓器是一種可靠性很高的裝置，但由于其工作時(shí)介質(zhì)中的雜質(zhì)，工況參數(shù)以及調(diào)壓器本身失效等因素的影響，對(duì)調(diào)壓器正常工作帶來(lái)一定影響，甚至導(dǎo)致調(diào)壓器切斷，造成中斷供氣。本文針對(duì)調(diào)壓器工作中的主要影響因素進(jìn)行分析，并對(duì)相應(yīng)的解決措施進(jìn)行探討。

1　調(diào)壓器工作原理

天然氣調(diào)壓器是用在天然氣介質(zhì)輸送管道上的減壓閥。調(diào)壓器的基本功能是將系統(tǒng)壓力維持在工藝要求的范圍內(nèi)。

自力式調(diào)壓器無(wú)需外加驅(qū)動(dòng)能源，依靠被調(diào)介質(zhì)自身的壓力變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，在流量和進(jìn)口壓力發(fā)生變化時(shí)，保持出口壓力的恒定。結(jié)合圖示1，說(shuō)明其工作原理。調(diào)壓器由指揮器、預(yù)壓器和主閥組成。啟動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)指揮器控制彈簧，使指揮器閥口打開(kāi)，進(jìn)口壓力p1經(jīng)該閥口節(jié)流降壓成為驅(qū)動(dòng)力p3，p3作用在大皮膜上，經(jīng)頂桿傳遞，使主彈簧壓縮，主閥口被打開(kāi)，輸出氣流形成出口壓力p2；同時(shí)，p2又反作用在大皮膜和指揮器皮膜上使主閥口和指揮器閥口呈關(guān)閉趨勢(shì)。調(diào)節(jié)指揮器控制彈簧，將p2調(diào)至設(shè)定值，此時(shí)p2和主彈簧作用在大皮膜上的力與p3作用在其上的力處于平衡；以及p2和指揮器控制彈簧作用在指揮器皮膜上的力也處于平衡，出口壓力p2穩(wěn)定。當(dāng)下游負(fù)載增大p2降低時(shí)，平衡破壞，指揮器閥口和主閥口開(kāi)度增大，流量增大，上升到設(shè)定值，調(diào)壓器又處于平衡狀態(tài)。當(dāng)下游壓力p2升高時(shí)，調(diào)壓過(guò)程與之相反。

圖1　自力式調(diào)壓器原理示意

2　焦耳—湯姆遜節(jié)流效應(yīng)的影響

2.1焦耳—湯姆遜節(jié)流效應(yīng)

天然氣經(jīng)調(diào)壓器節(jié)流部件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焦耳—湯姆遜節(jié)流效應(yīng)，導(dǎo)致天然氣溫度降低。調(diào)壓器后的低溫程度與調(diào)壓器前后的壓降以及調(diào)壓器前天然氣的進(jìn)口溫度有關(guān)。天然氣經(jīng)過(guò)調(diào)壓器后的溫度可以用式(1)進(jìn)行粗略估算。一般壓力每降低0.1 MPa，天然氣的溫度降低0.4～0.5 °C。

式中：T1、T2——調(diào)壓器前后的天然氣溫度，K；α——修正系數(shù)，一般取0.8～0.9；

p1——調(diào)壓器進(jìn)口壓力，MPa；

p2——調(diào)壓器出口壓力，MPa；

K——絕熱指數(shù)，一般天然氣取1.2～1.4。

2.2調(diào)壓節(jié)流效應(yīng)產(chǎn)生的影響

(1)如果溫度降低過(guò)多，低于天然氣露點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)使管路、調(diào)壓器等外表面產(chǎn)生結(jié)露甚至結(jié)霜。濕天然氣在管路中會(huì)產(chǎn)生水化物，導(dǎo)致在調(diào)壓器閥口或指揮器導(dǎo)壓管處出現(xiàn)“冰堵”現(xiàn)象，造成調(diào)壓器故障的發(fā)生。

(2)如果調(diào)壓器長(zhǎng)期在低溫情況下工作，調(diào)壓器內(nèi)的橡膠密封件使用壽命將會(huì)縮短。

(3)對(duì)調(diào)壓器后管道系統(tǒng)的影響：當(dāng)調(diào)壓后的埋地管道周邊土壤含有水分，且管道介質(zhì)溫度較低時(shí)，管道周邊土壤中的水分就會(huì)結(jié)冰。根據(jù)土壤凍脹機(jī)理，管道產(chǎn)生變形，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，帶來(lái)安全隱患。2013年3月份浦星門(mén)站由于調(diào)壓后溫度過(guò)低，土壤凍脹造成管道支架脫離(見(jiàn)圖2)，為此，該門(mén)站臨時(shí)停氣進(jìn)行了維修改造。

圖2　調(diào)壓后管道脫離支架

2.3對(duì)策與措施

2.3.1調(diào)壓器導(dǎo)壓管加裝電加熱泵和電伴熱帶

加裝電加熱泵局部加熱調(diào)壓器導(dǎo)壓管內(nèi)部介質(zhì)，對(duì)導(dǎo)壓管外輔以纏繞具有自限溫功能的電伴熱帶，并在導(dǎo)壓管外部包裹保溫材料。通過(guò)這種方式，有效緩解調(diào)壓器“冰堵”現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)于調(diào)壓器后的管道材質(zhì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采用耐低溫管材。

2.3.2采用水浴式換熱器或電加熱器加熱

水浴式換熱器可以采用天然氣作為燃料，將水加熱后，通過(guò)管道與天然氣介質(zhì)進(jìn)行換熱。電加熱換熱器內(nèi)部加熱元件將導(dǎo)熱油加熱后，通過(guò)管道對(duì)天然氣介質(zhì)進(jìn)行換熱。水浴式換熱器或電加熱器都可以對(duì)熱負(fù)荷進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而對(duì)天然氣介質(zhì)溫度進(jìn)行控制。這種方式可以從根本上解決天然氣介質(zhì)降溫問(wèn)題。但這種方式的缺點(diǎn)是投資較大，而且受用電負(fù)荷以及場(chǎng)地的影響。

3　工況條件及參數(shù)的影響

3.1工況參數(shù)的影響

3.1.1出口壓力設(shè)定過(guò)低

出口壓力設(shè)置過(guò)低時(shí)，天然氣在閥芯與閥座閉合處的差壓就會(huì)增大。當(dāng)氣體有雜質(zhì)時(shí)，會(huì)加速?zèng)_刷閥芯和閥座，降低閥芯和閥座的關(guān)閉性能。當(dāng)用氣量較低或不用氣的工況出現(xiàn)時(shí)，由于調(diào)壓器不能關(guān)閉到位或不能完全關(guān)閉，造成調(diào)壓器超壓切斷。3.1.2出口壓力設(shè)定過(guò)高

在多路調(diào)壓器聯(lián)合運(yùn)行，通過(guò)不同的出口設(shè)定值來(lái)控制調(diào)壓器的運(yùn)行路和備用路時(shí)，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力的限制，出口壓力設(shè)定過(guò)高給安全保護(hù)切斷設(shè)定值帶來(lái)一定的影響。使得調(diào)壓器出口設(shè)定值過(guò)于接近于安全切斷值，在調(diào)壓精度不高或天然氣流量波動(dòng)較大時(shí)，出現(xiàn)切斷閥非正常切斷故障。

3.1.3下游天然氣流量的影響

當(dāng)流量發(fā)生突然變化時(shí)，流速也相應(yīng)發(fā)生變化。由于附加動(dòng)壓的影響，調(diào)壓器切斷閥膜片處產(chǎn)生附加作用力和沖擊，極易造成調(diào)壓器切斷閥切斷，甚至出現(xiàn)切斷閥閥桿發(fā)生因彎曲變形而發(fā)生斷裂的情況(如圖3所示)。

圖3　調(diào)壓器切斷閥彎曲斷裂

流速的增大也給管道帶來(lái)較大的振動(dòng)，也很容易出現(xiàn)機(jī)械式切斷閥因“脫扣”出現(xiàn)非超壓切斷。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在調(diào)壓后為直供用戶的場(chǎng)合。因?yàn)橹惫┯脩敉哂胁痪鶆蛐杂脷獾奶攸c(diǎn)。

3.2對(duì)策與措施

3.2.1正確設(shè)計(jì)和選型，提高調(diào)壓器調(diào)節(jié)性能

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇調(diào)壓器通過(guò)能力。在選擇調(diào)壓器通過(guò)能力時(shí)，應(yīng)按照系統(tǒng)最不利工況(即最小進(jìn)口壓力，最大出口壓力)進(jìn)行計(jì)算通過(guò)流量，考慮進(jìn)出口壓力的變化對(duì)調(diào)壓器通過(guò)能力的影響。同時(shí)校核調(diào)壓器對(duì)最小流量的適應(yīng)性。在選擇調(diào)壓器時(shí)，應(yīng)保證調(diào)壓器的最大通過(guò)能力Q=1.2Qj(Qj為小時(shí)計(jì)算流量)。同時(shí)，應(yīng)盡量使的工作流量不能過(guò)低(<0.3Q)，過(guò)低的流量有可能使調(diào)壓器發(fā)生振動(dòng)。根據(jù)流量Q和進(jìn)出口壓力參數(shù)p1、p2用公式(2)和(3)計(jì)算流量系數(shù)Kg。同時(shí)應(yīng)考慮調(diào)壓器出口流速V，流速過(guò)高會(huì)造成調(diào)壓器噪音過(guò)大。一般對(duì)調(diào)壓器出口法蘭處流速V限制在150 m/s之內(nèi)。根據(jù)Kg和出口流速V，查表選擇調(diào)壓器的通徑。對(duì)于負(fù)荷變化較大，流量變化比較大的用戶，應(yīng)適當(dāng)考慮加大出口管徑，加長(zhǎng)出口管道。

式中：Kg——流量系數(shù)；

Q——天然氣流量，m3/h；

p1——進(jìn)口壓力，MPa；

p2——出口壓力，MPa。

目前，通常用調(diào)壓器專用選型軟件對(duì)調(diào)壓器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。輸入額定流量，最大、最小進(jìn)出口壓力，工質(zhì)物性參數(shù)等，通過(guò)軟件就可以得出調(diào)壓器尺寸，接管尺寸，噪音值，開(kāi)度，閥系數(shù)等參數(shù)信息，從而可以對(duì)調(diào)壓器選型進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.2正確配置壓力信號(hào)采集管路

為了使調(diào)壓器穩(wěn)定工作，取壓點(diǎn)必須位于正確的位置。通常在調(diào)壓器出口和下游的取壓點(diǎn)之間，須有一段長(zhǎng)度大于等于4倍出口管徑的直管段；在取壓點(diǎn)之后，還須有一段長(zhǎng)度大于等于2倍出口管徑的直管段。

3.2.3合理設(shè)定調(diào)壓器系統(tǒng)壓力

實(shí)際用戶情況比較復(fù)雜，用戶性質(zhì)也不盡相。在滿足規(guī)范要求及實(shí)際用戶要求的情況下，合理設(shè)定調(diào)壓器出口工作壓力、安全切斷壓力。目前國(guó)內(nèi)規(guī)范沒(méi)有明確規(guī)定調(diào)壓器壓力設(shè)置的原則。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12186對(duì)調(diào)壓系統(tǒng)各壓力設(shè)置給出了相關(guān)建議，當(dāng)調(diào)壓器出口壓力p在0.5 MPa

對(duì)于直供用戶或用氣量波動(dòng)較大的下游用戶，應(yīng)特別考慮調(diào)壓器出口值和壓力保護(hù)值(切斷值)之間的設(shè)定階梯值和放散和切斷的優(yōu)先方式。對(duì)于多路供氣的調(diào)壓器系統(tǒng)更是如此。

4　其他影響因素

4.1天然氣管道中雜質(zhì)的影響

雜質(zhì)會(huì)在一定的程度上影響調(diào)壓器的關(guān)閉性能。調(diào)壓器中指揮器的噴嘴直徑一般非常小，容易堵塞，從而造成調(diào)壓器失靈。圖4所示為漕寶路站調(diào)壓器閥口和閥墊處存在大量油狀雜質(zhì)的照片。由于調(diào)壓器閥口雜質(zhì)的影響，調(diào)壓器關(guān)閉性能變差。在用氣低谷時(shí)造成出口壓力超壓切斷。

圖4　調(diào)壓器內(nèi)部積液

4.2調(diào)壓器本身性能的影響

調(diào)壓器在工作中可能會(huì)出現(xiàn)調(diào)壓膜片受損或破裂；閥口墊溶脹、閥墊摩擦受損；調(diào)壓或切斷彈簧疲勞、壓并；信號(hào)取壓管堵塞；閥桿動(dòng)作不靈活、受卡；切斷脫口機(jī)構(gòu)摩擦力過(guò)大或間隙過(guò)大等情況。

這些都會(huì)導(dǎo)致調(diào)壓器工作不穩(wěn)定、穩(wěn)壓精度變差、工作失靈，甚至導(dǎo)致調(diào)壓器切斷。

4.3對(duì)策與措施

(1)在調(diào)壓器前安裝有效的過(guò)濾裝置，并定期進(jìn)行排污清理。另外，要定期清潔調(diào)壓器指揮器前過(guò)濾網(wǎng)，確保進(jìn)入調(diào)壓器系統(tǒng)管路中無(wú)雜質(zhì)。

(2)按照調(diào)壓器維護(hù)保養(yǎng)的要求，定期對(duì)調(diào)壓器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。定期清洗調(diào)壓器內(nèi)部零部件，并對(duì)保養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)的損壞或磨損超限零部件，及時(shí)進(jìn)行更換，確保調(diào)壓器處于正常的工作狀態(tài)。

5　結(jié)語(yǔ)

天然氣調(diào)壓器是天然氣輸配管網(wǎng)中的重要環(huán)節(jié)，因此，調(diào)壓器正常、穩(wěn)定的工作是天然氣管網(wǎng)安全運(yùn)行的可靠保證。

調(diào)壓器的工作特性不僅取決于設(shè)備本身的性能，還涉及調(diào)壓器節(jié)流效應(yīng)、上下游用氣的工藝參數(shù)、管道清潔度等各個(gè)方面，我們應(yīng)當(dāng)把調(diào)壓器看做一個(gè)系統(tǒng)。從設(shè)計(jì)選型、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等各環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合優(yōu)化和管理，確保天然氣調(diào)壓器正常穩(wěn)定的運(yùn)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.

gas regulator, influence factor, countermeasure