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自力式燃氣調(diào)壓閥計算開度應用于輸配管理的實驗研究
自力式調(diào)壓器不需外來能源，利用被調(diào)介質(zhì)自身壓力的變化，自動調(diào)節(jié)調(diào)壓器閥口開度，即改變了調(diào)壓器的流通面積，使出口壓力保持穩(wěn)定，結構簡單，操作維護方便，調(diào)節(jié)精度高。因此在燃氣輸配中得到了廣泛的應用。目前管網(wǎng)輸配調(diào)度大多以通過流量為依據(jù)，不能準確反映調(diào)壓器的工作狀態(tài)。
調(diào)壓器閥口開度總是隨著調(diào)壓器進、出口壓力發(fā)生變化或下游用戶流量提取產(chǎn)生波動而增大或減小，當開度很小時由于閥口頻繁的與閥體接觸將損害調(diào)壓器的密封性能，進而可能在用氣低谷時造成出口壓力過高而使安全閥動作關閉。因此，調(diào)壓器閥口開度直接反映了調(diào)壓器具體的工作狀態(tài)。
但由于調(diào)壓器本身結構的限制，有的調(diào)壓器可以直接觀察到閥口的開度，而大部分自力式調(diào)壓器由于本身封閉的結構不能直接觀察到也無法安裝可測量閥口開度的傳感器。
對于同種結構的調(diào)壓器，閥口開度與流量總是存在固定的關系，即閥口開度與閥系數(shù)(Cg)或流量系數(shù)(Kg)對應的特性曲線。選取城市燃氣中廣泛應用的REFLUX819和APERFLUX851(以下簡稱819和851)在調(diào)壓器實驗臺進行試驗。前者可直接測量閥口開度，后者因結構限制不能直接測量閥口開度。
1 調(diào)壓器閥口開度變化原理
819和851都是指揮器控制式自力式調(diào)壓器，819調(diào)壓器設計壓力zui高可達10MPa，進口壓力范圍0.05MPa～8.5MPa，精度zui高達到1級；851調(diào)壓器的設計壓力也可以達10MPa，進口壓力范圍0.1MPa～8MPa，精度zui高達到1.5級。
851調(diào)壓器的膜片同時又是閥瓣，膜片位置(即調(diào)壓器閥口開度)由膜片上所受的彈簧力、指揮器前壓力、調(diào)壓器進、出口壓力間的平衡決定。引自調(diào)壓器進口腔的燃氣、經(jīng)節(jié)流閥降壓后通過指揮器流到調(diào)壓器出口。節(jié)流閥已經(jīng)事先調(diào)整好，其開度不變。指揮器的開度就決定了指揮器前的壓力，而指揮器開度則由膜片上所受的彈簧力與調(diào)壓器出口壓力間的平衡決定。如流量需求增加或進口壓力下降，則調(diào)壓器出口壓力降低，指揮器膜片因而移動使指揮器開大。于是指揮器前壓力下降調(diào)壓器膜片上抬，通過流量隨著增加而使調(diào)壓器出口壓力回復至原來設置的值。
819和851的工作原理類似，調(diào)壓器的膜片同時又是閥瓣，但又與851有所不同。膜片的位置即調(diào)壓器開度是由膜片上所受的彈簧力、膜片上下腔壓力間的平衡決定的。膜片上腔壓力即調(diào)壓器的出口壓力，膜片下腔壓力為指揮器的出口壓力。而指揮器的出口壓力則由指揮器膜片上所受的彈簧力、調(diào)壓器進口出口壓力間的平衡決定，進口壓力事先經(jīng)過預調(diào)器調(diào)整不會發(fā)生變化。當流量需求增加、或進口壓力下降，則調(diào)壓器出口壓力降低，指揮器膜片因而移動使指揮器開大。于是指揮器出口壓力下降，調(diào)壓器膜片上抬，通過調(diào)壓器流量隨著增加而使調(diào)壓器出口壓力回復至原來設置的值。
由此可見，851和819調(diào)壓器的膜片都同時又是閥瓣。但819膜片下腔所受壓力經(jīng)過預先調(diào)整，而851膜片下腔燃氣即入口壓力，直接受到進口壓力波動的影響，因此使得819的調(diào)節(jié)精度較851要高。但閥門的開度即閥瓣的上下移動的工作原理則*相同，即閥瓣的移動都是由進口壓力、出口壓力及流量需求而決定，膜片跟蹤這些變化，閥瓣隨膜片下的移動跟蹤這些變化。從而使調(diào)壓器出口壓力保持穩(wěn)定。
2 調(diào)壓器流量特性
雖然851和819閥口移動的工作原理相似，但由于閥體結構的不同，流量特性卻有較大的區(qū)別，分別見圖3和圖4。
若以P1、P2和Q分別表示調(diào)壓器的進出15壓力和流量，當P1＜2×P2時(亞臨界條件)：
當P1≥2×P2時(臨界條件)：
Q=Kg×P1/2 (851) (公式2)
Q=Kg×P1 (819) (公式3)
由于調(diào)壓器的進出口壓力P1、P2和通過的流量Q均可實際測量出來，此時的流量系數(shù)Kg可以通過計算獲得。通過查流量特性曲線，那么此時的閥口開度則可以得出。因流量特性是某結構型式閥的固有特性，為驗證隨機提供的流量特性曲線與實際的符合程度，隨機抽取臺DN80、150psi的819進行實驗。
3 調(diào)壓器819開度實驗
在調(diào)壓實驗臺中，壓縮空氣系統(tǒng)預先將3個高壓儲罐的壓力達到20MPa，實驗zui小瞬時流量可以達到3Nm3/h，zui大瞬時流量可以達到6500Nm3/h。為測試819在不同進口壓力、出口壓力以及在流量大小不同條件下調(diào)壓器的開度，在被測819進出口各設置臺高精度壓力變送器，入口端設置臺調(diào)壓器，臺調(diào)節(jié)閥門，按圖5構建實驗流程。由于流量變化范圍較大，調(diào)壓實驗臺本身具有大小流量自動切換裝置，以確保流量計量的準確性，但流程圖中有所簡化。
對于819調(diào)壓器，連接在腔體內(nèi)膜片即閥瓣上的閥口位置指示桿可以準確反映調(diào)壓器閥瓣的實際開度，實驗中采用激光測距儀，可測量出0.01mm的閥口位置變化。實驗前先記錄了819全開和全關時的激光測距儀度數(shù)：閥位全開時測距儀讀數(shù)為57.5mm，閥位全關時70.3mm，閥口開度上下總行程為12.8mm。為保證數(shù)據(jù)采樣的正確性，在調(diào)壓器工作狀態(tài)穩(wěn)定時才進行采樣，采樣時計算機可同時自動保存進口壓力P1、出口壓力P2、出口溫度T、瞬時流量Q和實測開度Kc，計算開度K2可根據(jù)調(diào)壓器流量特性及溫度補償計算出來。
調(diào)壓實驗臺瞬時流量zui大時只能連續(xù)供氣約10min。根據(jù)儲氣能力和實驗時間的限制，實驗時分別設為1.3MPa和3.8MPa兩種入口壓力。在入口壓力為1.3MPa時，出口壓力分別設為0.3MPa、0.6MPa，0.8MPa，在入口壓力為3.8MPa時，出口壓力設置為0.2MPa。對調(diào)壓器在臨界和亞臨界狀態(tài)、大開度和小開度狀態(tài)進行充分實驗，819進出口需要適時更換壓力變送器以適應*量程。
實驗在兩天內(nèi)共進行了5次，消耗壓縮空氣近5000Nm3，采集數(shù)據(jù)51組，zui大瞬時流量達到4352.85Nm3/h，調(diào)壓器zui大開度達到98.125%。計算開度誤差分布見圖6，圖中*個數(shù)為誤差，第二個數(shù)為占所有采樣數(shù)據(jù)的比例。計算出的開度與實測開度誤差大于25%的有兩組采樣僅占1%，小于20%的有50組占98.04%，小于15%的有46組占90.2%，小于5%的占41%。
鑒于記錄數(shù)據(jù)的時刻為人工采樣，且為了減少高壓氣體資源的浪費，工況改變頻繁，穩(wěn)定時間很短，因此不排除由于運行工況時尚未平穩(wěn)時刻采集的數(shù)據(jù)，可判為粗大誤差而予以排除。限于篇幅僅列出第4次實驗的數(shù)據(jù)(入口壓力設定為1.3MPa，出口壓力設定為0.6MPa)。實驗數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 第4次實驗數(shù)據(jù)記錄表
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
進口壓力P1(MPa) | 1.17 | 1.158 | 1.102 | 0.8 | 0.51 | 0.973 | 1.098 | 1.158 | 1.191 |
出口壓力P2(MPa) | 0.506 | 0.505 | 0.505 | 0.505 | 0.47 | 0.505 | 0.51 | 0.511 | 0.511 |
瞬時流量Q(Nm3/h) | 0 | 302.57 | 818.87 | 1899.44 | 2469.69 | 1421.47 | 858.02 | 331.18 | 0 |
實測開度Kc(mm) | 70.07 | 69.95 | 69.69 | 68.77 | 62.2 | 69.2 | 69.51 | 69.85 | 70.19 |
實測開度K1(%) | 1.8% | 2.7% | 4.8% | 12.0% | 63.3% | 8.6% | 6.2% | 3.5% | 0.9% |
計算開度K2(%) | 2.5% | 3.1% | 5.9% | 14.2% | 63.1% | 9.2% | 6.1% | 3.2% | 2.5% |
開度誤差(%) | 0.7% | 0.4% | 1.1% | 2.2% | -0.2% | 0.7% | -0.1% | -0.4% | 1.7% |
將上述P1、P2、Q和實測開度K1、計算開度K2實驗記錄和計算數(shù)據(jù)轉換為更直觀的圖表，見圖7。為便于查看。其中瞬時流量的數(shù)值經(jīng)過折算。
從數(shù)據(jù)和圖表可以看出，在流量逐漸提高時，盡管試驗臺上在被測調(diào)壓器前設置了1臺調(diào)壓器，但入口壓力仍然不能保持，而出口壓力基本保持穩(wěn)定。從開度看，實測開度和計算開度的吻合度很高，計算開度和實測開度兩條曲線幾乎重合，開度誤差遠低于管網(wǎng)輸配調(diào)度的需要。
4 計算開度對輸配調(diào)度調(diào)壓器的參考意義
實驗數(shù)據(jù)和圖表對比分析表明，根據(jù)公式1～3和調(diào)壓器進出口壓力、流量計算出的閥位開度與實際測量的開度具有高度的重合性，驗證了調(diào)壓器閥口開度理論計算結果與直接測量的致性，即819隨機提供的性能參數(shù)值得信賴。
對于不能直接測量閥口開度的851調(diào)壓器，從公式1～3可以看出，流量的計算公式在亞臨界時與819*相同，在臨界流時851只有819的半，對通過流量的影響除了進口、出口壓力外，還有流量系數(shù)Kg，而Kg與閥口開度具有固定的對應關系。因此，依據(jù)可測量的進出口和流量參數(shù)，根據(jù)公式1～2即可計算出Kg，進而根據(jù)851固有的Kg與開度的對應特性得到當前851的計算開度。
由于在輸配調(diào)度時，瞬時流量受到經(jīng)常波動的進出口壓力變化的影響，難以準確判斷調(diào)壓器的工作狀態(tài)，而閥口開度則直觀得多，而且輸配調(diào)度和貿(mào)易計量的性質(zhì)不同，閥口開度只要接近真實的閥口開度即可。因此為了獲取閥口開度。819可以直接安裝測量儀表，而851理論計算出的閥口開度對于輸配調(diào)度管理人員同樣具有直觀而有效的參考價值。而對于多路并聯(lián)運行的調(diào)壓器，只要測量該路調(diào)壓器進出口壓力和流量，并不受多路并聯(lián)運行的影響。
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