隨著城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，天然氣作為一種清潔、高效的能源，已經(jīng)成為人們生活當(dāng)中不可缺少的一部分，成為 21 世紀(jì)能源利用的主角。我國(guó)近十年完成了許多大型天然氣輸氣管道工程，其中使用的調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)是天然氣輸送行業(yè)的重中之重。隨著天然氣行業(yè)的大力發(fā)展，該系統(tǒng)具有更大的市場(chǎng)前景。

 

1 調(diào)壓器的工作原理及應(yīng)用

       燃?xì)庹{(diào)壓器是通過自動(dòng)改變經(jīng)調(diào)節(jié)閥的燃?xì)饬髁�，使出口燃�(xì)獗３忠?guī)定壓力的設(shè)備。通常按照調(diào)壓設(shè)備的工作原理可分為直接作用式、間接作用式以及軸流式調(diào)壓器。

 

1.1 直接作用式調(diào)壓器

       它由測(cè)量元件(薄膜)、傳動(dòng)部件(閥桿)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(閥門)組成。當(dāng)出口后的用氣量增加或進(jìn)口壓力降低時(shí)，出口壓力就下降，這時(shí)由導(dǎo)壓管反映的壓力使作用在薄膜下側(cè)的力小于膜上重塊(或彈簧)的力，薄膜下降，閥瓣也隨著閥桿下移，使閥門開大，燃?xì)饬髁吭黾�，出口壓力恢�?fù)到原來給定的數(shù)值。反之，當(dāng)出口后的用氣量減少或進(jìn)口壓力升高時(shí)，閥門關(guān)小，流量降低，出口壓力得以恢復(fù)。

 

1.2 間接作用式調(diào)壓器

       它由主調(diào)壓器、指揮器和排氣閥組成，工作原理見圖 1。

       當(dāng)出口壓力 p2低于給定值時(shí)，指揮器的薄膜就下降，使指揮器閥門開啟，經(jīng)節(jié)流后壓力為 p3的燃?xì)庋a(bǔ)充到主調(diào)壓器的膜下空間，又由于 p3大于 p2，使主調(diào)壓器閥門開大,流量增加，p2恢復(fù)到給定值。反之,當(dāng) p2超過給定值時(shí),指揮器薄膜上升，使閥門關(guān)閉，同時(shí)作用在排氣閥薄膜下側(cè)的力使排氣閥開啟，一部分壓力為 p3的燃?xì)馀湃氪髿�，使主調(diào)壓器薄膜下側(cè)的力減小，又由于 p2偏大，故使主調(diào)壓器的閥門關(guān)小，p2也即恢復(fù)到給定值。

 

       燃?xì)鈨?chǔ)配站、區(qū)域調(diào)壓站和大型用戶專用調(diào)壓站，基本上都采用間接作用式調(diào)壓器。

 

1.3 軸流式調(diào)壓器

       調(diào)壓器由進(jìn)氣閥體、進(jìn)氣接體、出氣接體、出氣閥體、指揮器五大部分組成。進(jìn)氣接體內(nèi)裝有主閥調(diào)壓簧、高壓氣筒套、密封膠膜等。出氣閥體內(nèi)裝有固定閥座，閥座與高壓氣筒套組成密封副。當(dāng)指揮器關(guān)閉時(shí)，高壓氣筒套在主閥簧的作用下，緊貼在固定閥座上，將介質(zhì)關(guān)閉在調(diào)壓器內(nèi)；當(dāng)指揮器打開時(shí)，在指揮器先導(dǎo)氣的作用下，密封膠膜拉動(dòng)密封膜壓盤壓迫彈簧，使高壓氣筒套離開固定閥座，指揮閥開啟越大，高壓氣筒套與固定閥座間的間隙越大，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)氣流壓力高低和流量大小的功能。軸流式調(diào)壓器是一種結(jié)構(gòu)新穎、密封嚴(yán)密、流通能力大、調(diào)壓穩(wěn)定的指揮式調(diào)壓器，調(diào)壓器內(nèi)件為不銹鋼制造，使用壽命長(zhǎng)，具有超壓自動(dòng)關(guān)閉，壓力恢復(fù)正常時(shí)自動(dòng)開啟功能，安裝空間小，可安裝于任何位置。軸流式調(diào)壓器適合于城市門站，區(qū)域調(diào)壓站和燃?xì)馄�輪機(jī)供氣，可用于天然氣、液化石油氣、空氣和其他非腐蝕性氣體。

 

1.4 調(diào)壓裝置的應(yīng)用

 調(diào)壓裝置三級(jí)控制模式見圖 2。

在門站、壓縮天然氣供應(yīng)站和液化天然氣氣化站中，常由調(diào)壓?jiǎn)卧獙⒏鱾�(gè)級(jí)別的氣源壓力調(diào)壓為≤0.4 MPa 后送入城鎮(zhèn)管網(wǎng)。調(diào)壓裝置是為了在燃?xì)夤��?yīng)系統(tǒng)中將不同壓力級(jí)別的天然氣壓力降低并穩(wěn)定在一個(gè)能夠使氣體得到安全、經(jīng)濟(jì)和高效利用的適當(dāng)壓力級(jí)別上。正常情況下，安全切斷閥和監(jiān)控調(diào)壓閥處于全開狀態(tài)，當(dāng)工作調(diào)壓器出現(xiàn)問題時(shí)，壓力上升到監(jiān)控調(diào)壓器的出口壓力設(shè)定值時(shí)，監(jiān)控調(diào)壓器就會(huì)開始工作運(yùn)行[1]。當(dāng)運(yùn)行路發(fā)生事故時(shí)，壓力繼續(xù)上升，運(yùn)行路上的超壓切斷閥就會(huì)立即切斷供氣，備用路或者旁通路就開始運(yùn)行繼續(xù)供氣以保證管道與設(shè)備的安全。因此，調(diào)壓器出口壓力的設(shè)定值按從大到小的順序排列依次為：運(yùn)行路監(jiān)控調(diào)壓器>運(yùn)行路工作調(diào)壓器>備用路監(jiān)控調(diào)壓器>備用路工作調(diào)壓器。調(diào)壓器均采用故障開型，即當(dāng)工作調(diào)壓器出現(xiàn)故障時(shí)為開啟狀態(tài)，此時(shí)該調(diào)壓器后壓力上升從而啟動(dòng)監(jiān)控調(diào)壓器。其安全性較好，流程簡(jiǎn)單，操作方便。

1.5 調(diào)壓器對(duì)計(jì)量的影響

當(dāng)天然氣流經(jīng)調(diào)壓器閥口時(shí)，壓力下降會(huì)導(dǎo)致流速急劇上升，強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)和高流速的沖蝕會(huì)沿氣流方向引起脈動(dòng)流、噪聲和振動(dòng)。當(dāng)流量計(jì)安裝在調(diào)壓?jiǎn)卧�后端時(shí)，脈動(dòng)流、噪聲和振動(dòng)將會(huì)引起流量計(jì)計(jì)量發(fā)生誤差。

2 流量計(jì)的分類

現(xiàn)階段我國(guó)應(yīng)用非常多的計(jì)量設(shè)備包括孔板流量計(jì)、羅茨流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等，不同計(jì)量設(shè)備的性能以及適用范圍存在一定差異。

2.1 孔板流量計(jì)

       孔板流量計(jì)的主要特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡(jiǎn)單牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用期限長(zhǎng)，價(jià)格低廉，應(yīng)用范圍廣。但是由于流量系數(shù)與雷諾數(shù)緊密相關(guān)，所以測(cè)量范圍較窄，提供的量程比為 1:3，應(yīng)盡量滿足使用流量為滿量程的 30%～80%。

2.2 氣體羅茨流量計(jì)

氣體羅茨流量計(jì)是基于容積式測(cè)量的原理，用于精確計(jì)量流經(jīng)封閉管道的氣體總量。具有量程比寬、重復(fù)性好、精度高、始動(dòng)流量小、對(duì)上游流速不敏感等優(yōu)點(diǎn)，非常廣泛地應(yīng)用在城鎮(zhèn)燃?xì)獾挠?jì)量結(jié)算中，如餐飲業(yè)、賓館等工商業(yè)用戶的計(jì)量、輸配管網(wǎng)計(jì)量、燃?xì)庹{(diào)壓站計(jì)量以及工業(yè)和民用鍋爐等燃?xì)庥?jì)量。羅茨流量計(jì)的故障率比較低，性價(jià)比高，能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)氣體流量變化范圍的要求，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)可由表頭直讀，可遠(yuǎn)傳，使用方便。但使用中應(yīng)注意在投產(chǎn)使用前要防止焊渣雜質(zhì)進(jìn)入流量計(jì)，并定期檢查以保證計(jì)量精度。該流量計(jì)安裝時(shí)一定要水平安裝。

2.3 氣體渦輪流量計(jì)

      渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍(量程比)寬、重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)輕便、輸出為脈沖頻率信號(hào)、安裝維護(hù)方便、流通能力大，但是特性易受介質(zhì)物性和流體流動(dòng)特性的影響，愈是高精確度其影響愈敏感。渦輪流量計(jì)具有較大的測(cè)量范圍，一般為 10:1，占空間小，條件合適時(shí)比孔板流量計(jì)更準(zhǔn)確，用于相對(duì)潔凈的天然氣干氣，非常佳使用流量是滿量程的 10%～80% [2]。不過這種流量計(jì)由于有活動(dòng)部件，如渦輪、轉(zhuǎn)子等，因此要求的維護(hù)量較多。為了保證計(jì)量的可靠和準(zhǔn)確，渦輪和轉(zhuǎn)子流量計(jì)上游需安裝過濾器，且流量計(jì)和過濾器需要按時(shí)維護(hù)。非常佳使用流量在滿量程的 80%一下，還須大于流量計(jì)的非常小流量，所以不適合用于民用氣計(jì)量。對(duì)穩(wěn)定的流量來說渦輪流量計(jì)還是比較可靠的。

2.4 超聲流量計(jì)

        超聲流量計(jì)是利用超聲波束在液體中傳播時(shí)間的差異來求得液體的流量。氣體超聲流量計(jì)特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、范圍度寬、維修率低，其流量量程比為 1:100(即體積線流速為 0.30～30.00 m/s)以上，流量計(jì)非常大口徑可做到 1 600 mm，且無可動(dòng)部件，堅(jiān)固耐用。不足之處是只適用于中大口徑管道，價(jià)格昂貴。

 

3 調(diào)壓計(jì)量設(shè)備的選型與應(yīng)用

3.1 調(diào)壓計(jì)量設(shè)備的選型

現(xiàn)有的調(diào)壓計(jì)量種類繁多，各有利弊，但是調(diào)壓計(jì)量形式比較簡(jiǎn)單，主要有分路調(diào)壓計(jì)量、分路調(diào)壓終端計(jì)量、集中計(jì)量終端調(diào)壓、分路計(jì)量終端調(diào)壓 4 種形式，它們的優(yōu)缺點(diǎn)見表 1。

3.2 調(diào)壓計(jì)量設(shè)備的應(yīng)用

城市燃?xì)忾T站連接的是上游與其對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)輸管道以及分輸管線。由于調(diào)壓計(jì)量設(shè)備一旦發(fā)生故障問題影響面較廣，所以在設(shè)計(jì)中流量計(jì)與調(diào)壓閥大多都采用 1 用 1 備的形式[3]，如圖 3 所示。

現(xiàn)在新建工業(yè)項(xiàng)目燃?xì)庠O(shè)施由業(yè)主自行投資，尤其是大工業(yè)項(xiàng)目用氣設(shè)備復(fù)雜分散、用氣量大，運(yùn)行壓力也不同。因此現(xiàn)在大多都采用高壓力計(jì)量然后再以調(diào)壓的形式進(jìn)行供氣。這樣多個(gè)調(diào)壓計(jì)量設(shè)備可以集中擺放，也便于后期檢修，另外高壓力級(jí)別進(jìn)行計(jì)量調(diào)壓占地面積小，比較符合現(xiàn)在工業(yè)業(yè)主的要求。大多數(shù)大型工業(yè)采用的計(jì)量形式，如圖 4 所示。

隨著環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，現(xiàn)在國(guó)家加大力度搞治理環(huán)境，氣代煤已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域，現(xiàn)在一些熱力公司也積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，開始進(jìn)行天然氣集中供熱。由于熱力公司都是以萬(wàn)計(jì)的天然氣需求量，天然氣需求量過大，所以必須進(jìn)行高壓計(jì)量、二次調(diào)壓才能滿足需求，如圖 5 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于天然氣調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用需從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)管理等方面加以綜合考慮。首先，技術(shù)方面調(diào)壓計(jì)量設(shè)備必須滿足用氣設(shè)備的實(shí)際流量和壓力以及所需的場(chǎng)地條件，目前各處用地都比較緊張，所以在進(jìn)行調(diào)壓計(jì)量設(shè)計(jì)時(shí)，還要遵循設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、方便維護(hù)檢修的原則；其次，經(jīng)濟(jì)方面除了要考慮調(diào)壓計(jì)量設(shè)備的總體實(shí)際價(jià)格外，還要考慮附屬設(shè)備的安裝復(fù)雜程度；非常后，要對(duì)調(diào)壓設(shè)備具體安裝所在的城市管網(wǎng)管徑、流量以及工況下的壓力進(jìn)行綜合考慮設(shè)計(jì)。對(duì)于每一個(gè)項(xiàng)目，必須選擇簡(jiǎn)單有效的方案，避免設(shè)計(jì)、施工、操作和維護(hù)中的問題，對(duì)每一個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。