內取壓燃氣調壓器取壓特性的實驗研究

翟 軍， 李昊民， 胡 敬， 岳 明， 陳 浩

(1.國家燃氣用具質量監(jiān)督檢驗中心，天津300384；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司城市燃氣熱力研究院，天津300384)

1 內取壓調壓器存在的問題

內取壓調壓器由于結構簡單、安裝方便、使用安全等優(yōu)勢，因此被廣泛應用到城鎮(zhèn)燃氣系統(tǒng)。內取壓調壓器作用原理見圖1。

圖1 內取壓調壓器作用原理

評價一個調壓器的性能通常是在一定的流量范圍內看調壓器是否能將出口壓力控制穩(wěn)定。調壓器靜特性曲線是在調壓器穩(wěn)定工作時，調壓器出口壓力隨流量變化的曲線，反映了調壓器的性能。本文提到的流量是折算成在絕對壓力為101.325 kPa，溫度為0 ℃的標準狀況下的流量，用q表示。理想調壓器的靜特性曲線在一定流量范圍內，是一條水平線，即調壓器出口壓力不隨流量發(fā)生變化。而內取壓調壓器靜特性曲線跟理想調壓器相比，往往會發(fā)生上翹，即調壓器出口壓力會隨流量增大而升高，導致出口壓力超壓，影響后端燃氣設備的安全和燃燒設備的使用[1]。

根據GB 27790—2011《城鎮(zhèn)燃氣調壓器》(以下簡稱GB 27790—2011)，調壓器出口壓力的測試為在管道側壁取壓，取壓斷面與氣體流動方向平行，故調壓器出口壓力為靜壓值。但是傳統(tǒng)的內取壓信號管的取壓斷面與氣體流動方向垂直(見圖1)，其取到的壓力并不是靜壓值。兩者存在取壓偏差，取壓偏差Δp見式(1)。

Δp=p2-p3

(1)

式中 Δp——取壓偏差，kPa

p2——調壓器出口壓力，kPa

p3——調壓器信號管采集壓力，kPa

文獻[2]認為，信號管采集的壓力p3，為調壓器出口壓力p2減去動壓。文獻[3-4]認為，信號管取到的壓力是一個與流體流速有關，且小于調壓器出口壓力p2的值，但是具體值并未給出。本文針對這一問題，研究調壓器出口壓力p2和取壓偏差Δp隨管內氣體流量q的變化關系，為內取壓調壓器的取壓改進提供參考依據。

2 實驗系統(tǒng)的設計

2.1 實驗調壓器的選擇

本文實驗選取的待測內取壓調壓器(以下簡稱調壓器)的設計入口壓力為0.10 ～0.40 MPa?？趶綖镈N 40 mm。出口壓力設定值為8 kPa。入口壓力為0.10 MPa時，流量范圍為20～200 m3/h。入口壓力為0.25 MPa時，流量范圍為20～700 m3/h。入口壓力為0.40 MPa時，流量范圍為20～800 m3/h。調壓精度等級是10。

2.2 實驗系統(tǒng)的組成與測試原理

根據國標GB 27790—2011第7.1節(jié)的要求，搭建實驗臺。實驗選取調壓器入口壓力p1為0.10 MPa、0.25 MPa、0.40 MPa的3個常見工況，在不同流量條件下，測試了調壓器出口壓力p2和調壓器信號管采集壓力p3的數據。調壓器性能測試系統(tǒng)見圖2。

圖2 調壓器性能測試系統(tǒng)

實驗介質為空氣。管道系統(tǒng)包括實驗空氣管道和控制空氣管道兩部分。管道系統(tǒng)中，高壓空氣從儲氣壓力為2.0 MPa的儲氣罐流出，進入流量計，然后進入一級控壓調壓器減壓。之后，對于被測調壓器入口壓力p1為0.40 MPa工況，打開旁通閥，高壓空氣直接進入被測調壓器。對于被測調壓器入口壓力p1為0.10 MPa和0.25 MPa工況，關閉旁通閥，空氣經二級控壓調壓器減壓，然后進入被測調壓器?？刂瓶諝鈴膬夤抟?，進入節(jié)流閥1和節(jié)流閥2，經節(jié)流后分別進入一級控壓調壓器和二級控壓調壓器，控制一級控壓調壓器和二級控壓調壓器的開度，從而實現(xiàn)被測調壓器的入口壓力控制。從被測調壓器出來的空氣經過流量控制閥排到大氣。

2.3 實驗測試步驟

① 打開儲氣罐出口的管道截止閥，使空氣進入實驗空氣管道。根據事先輸入的被測調壓器入口壓力設定值，選擇是否開啟旁通閥。根據采集到的被測調壓器進口壓力p1，工控機控制節(jié)流閥1和節(jié)流閥2的開度，從而控制一、二級控壓調壓器的節(jié)流強度，維持被測調壓器進口壓力p1的穩(wěn)定。待被測調壓器入口壓力穩(wěn)定至設定值后，開始實驗。

② 通過工控機調節(jié)流量控制閥，改變實驗管道空氣流量，逐步增大至最大實驗流量。被測調壓器前后的壓力變送器分別采集調壓器進出口壓力p1和p2，從調壓器下膜腔接出小管連接壓力變送器，測試信號管采集壓力p3。流量計根據附近的溫度變送器和壓力變送器采集到的數據，將流量換算成標準狀態(tài)流量。待空氣流量q以及對應流量下的被測調壓器出口壓力p2和調壓器信號管采集壓力p3都穩(wěn)定時，記錄這些數據。

③ 通過工控機使流量控制閥關閉。記錄零流量條件下，被測調壓器出口壓力p2和信號管采集壓力p3。

④ 改變被測調壓器入口壓力p1。重復步驟①～③。

按照上述步驟，依次對入口壓力p1分別為0.10 MPa、0.25 MPa、0.40 MPa這3種工況進行實驗，得到3組不同入口壓力p1條件下空氣流量q以及對應流量下的被測調壓器出口壓力p2和信號管采集壓力p3數據。

3 實驗結果與分析

3.1 不同入口壓力下p2和p3隨流量的變化

入口壓力p1=0.10 MPa下，p2和p3隨流量q的變化見圖3。

圖3 入口壓力p1 =0.10 MPa時，p2和p3隨流量q的變化

由圖3可以看出，在入口壓力p1=0.10 MPa時，調壓器出口壓力p2和信號管采集壓力p3都隨著流量q的增大而發(fā)生了不同程度的下降。調壓器出口壓力p2隨流量的增大而下降的速率沒有p3下降的速率快。隨著流量q的增大，取壓偏差Δp越來越大，這也符合之前許多學者分析的結果[2-4]。

由于內取壓調壓器多為結構簡單的直接作用式調壓器，調壓器的閥口開度增大時，彈簧的壓縮量減小，提供的壓力也減小，與其平衡的p3也會減小。這就是通過彈簧驅動調壓器工作時產生的彈簧效應[5]。

入口壓力p1=0.25 MPa時p2和p3隨流量q的變化見圖4。

圖4 入口壓力p1 =0.25 MPa時，p2和p3隨流量q的變化

由圖4可以看出，在p1=0.25 MPa時，信號管采集壓力p3隨著流量q的增大而持續(xù)下降，這與p1=0.10 MPa時情況是一樣的，都是由于彈簧效應。與p1=0.10 MPa時相比，隨著流量q的增大，p3下降得更慢。隨著流量q的增大，調壓器出口壓力p2先下降后上升。流量q從0增大到24 m3/h時，隨著流量q的增大，p2下降速度較快。流量q從24 m3/h增大到313 m3/h時，p2基本保持恒定。拐點出現(xiàn)在q=313 m3/h，此時p2=7.95 kPa。拐點之后，隨著流量q的增大，p2開始上升，且曲線越來越陡，直到達到最大流量1 660 m3/h。

入口壓力p1=0.40 MPa時，p2和p3隨流量q的變化見圖5。

圖5 入口壓力p1=0.40 MPa時，p2和p3隨流量q的變化

由圖5可以看出，在p1=0.40 MPa時，信號管采集壓力p3隨著流量q的增大而持續(xù)下降。與p1=0.10 MPa和0.25 MPa時相比，隨著流量q的增大，p3下降得更慢。隨著流量q的增大，調壓器出口壓力p2先下降后上升。流量q從0增大到254 m3/h時，隨著流量q的增大，p2保持下降。拐點出現(xiàn)在q=254 m3/h，此時p2=7.99 kPa。拐點之后，隨著流量q的增大，p2開始上升，且曲線越來越陡，直到達到最大流量2 560 m3/h。

3.2 不同入口壓力下取壓偏差隨流量的變化

依據圖3～5的數據，以q2作為橫坐標，Δp作為縱坐標，繪制擬合曲線圖，得到不同入口壓力p1條件下Δp隨q2的變化特性，見圖6。

圖6 不同入口壓力p1 下Δp隨q2的變化特性

圖6中，p1=0.10 MPa時，取壓偏差Δp隨q2的變化曲線與p1=0.25 MPa時很接近。各個擬合曲線最右端的點代表在不同入口壓力p1的條件下進入臨界狀態(tài)的數據。由于調壓器最大流通能力隨入口壓力減小而減小，因此在較低入口壓力下，實驗的工況點集中在流量較小區(qū)域。由圖6可以看出，取壓偏差Δp與q2關系的擬合曲線為過原點的直線。即取壓偏差Δp與q2成正比。我們針對不同型號、口徑分別為DN 40 mm、DN 50 mm、DN 80 mm的中-低壓內取壓調壓器，在不同入口壓力下進行了逾500組實驗，均滿足取壓偏差Δp與q2成正比的規(guī)律，即滿足式(2)：

Δp=kq2

(2)

式中 Δp——取壓偏差，kPa

k——比例系數,kPa·h2/m6

q——氣體流量，m3/h

根據圖3～5的實驗數據計算，p1=0.10 MPa時，k=5.48×10-6kPa·h2/m6；p1=0.25 MPa時，k=5.69×10-6kPa·h2/m6；p1=0.40 MPa時，k=6.82×10-6kPa·h2/m6。由此可見，比例系數k是一個與入口壓力p1有關的系數。隨著入口壓力p1的增高，比例系數k逐漸增大。隨著p1的增高，p1和p2的差越來越大，閥口的節(jié)流效果越來越強,導致取壓管處擾動加強，使取壓更加不準確，取壓偏差Δp更大，比例系數k增大。

4 結論

① 在入口壓力為0.1 MPa條件下，調壓器出口壓力隨流量增大而下降。在入口壓力為0.25 MPa和0.4 MPa條件下，隨流量增大，調壓器出口壓力先下降后上升。在各個入口壓力下，隨流量增大，調壓器信號管采集壓力均逐漸下降。

② 取壓偏差與流量的2次方的擬合曲線為過原點的直線，取壓偏差與流量的2次方成正比。隨著入口壓力的增高，比例系數逐漸增大。