燃气调压器静特性影响因素分析及补偿设计

周士钧， 王 杰， 羊 成， 狄 鹏， 陆从杭

(上海飞奥燃气设备有限公司，上海 201201)

1 概述

燃气调压器是燃气输配系统中的关键设备，适用于燃气需要调压、稳压的场合。燃气调压器的性能直接影响到燃气输配系统中管路设备的安全稳定和用户的用气安全。燃气调压器按照工作原理分为直接作用式调压器和间接作用式调压器，直接作用式调压器具有反应速度快、经济实用等优点，在输配系统中被广泛应用在居民用户、工商业用户场合。本文主要针对直接作用式调压器(以下简称调压器)进行研究分析。

调压器作为城镇输配系统最常用的压力调节装置，主要作用是自动调节燃气出口压力，使其稳定在某一特定的压力范围，来满足客户的使用需求。当输配系统进口压力和下游流量发生变化时，调压器能够确保其实际出口压力和设定值的偏差在允许范围内。调压器的性能主要通过调压器的静特性来体现。

文献[1]针对内取压调压器，通过实验研究了出口压力和取压偏差随气体流量的变化关系，为内取压调压器的取压改进提供参考依据；文献[2]通过实验研究了信号管的设置形式对直接作用式调压器的静特性的影响。文献[1-2]针对取压方式采用实验验证的方式对静特性进行了分析。本文根据调压器的工作原理，主要在设计层面对调压器调压静特性的影响因素进行分析，并提出了补偿设计，旨在帮助调压器设计者和生产者解决调压器调压静特性不理想问题。

2 调压静特性的影响因素

2.1 调压器工作原理与力平衡方程

2.1.1 调压器工作原理

调压器的工作原理见图1。调压器出口压力由信号管引入作用在主膜片上，此力与主膜片另一侧的弹簧力相平衡。平衡位置决定了阀口的开度，从而限制了流量。运行中如流量需求增加或进口压力下降，调压器出口压力就会随之有所降低，主膜片上所受燃气压力作用的力减小，阀杆以及与其相连的阀芯在弹簧的作用下向下移动将阀口开大，促使流量增加进而使出口压力恢复；反之，如流量需求减小，或进口压力增大，阀口会自动关小，从而维持出口压力不变。

图1 调压器工作原理1.弹簧 2.平衡膜片 3.主膜片 4.信号管 5.阀杆 6.阀座 7.阀芯 8.阀口 9. 膜片压盘

2.1.2 调压器力平衡方程

调压器内部机械系统主要由主弹簧、膜片压盘、平衡膜片组件、阀杆、阀座和阀芯组成。将这种与平衡膜片配合工作的阀芯称为平衡阀芯。调压器在工作过程中主要是阀杆带动阀芯上下移动，从而控制阀口的开度来进行调压和稳压。下面从阀杆的受力情况来分析机械系统的力平衡方程，受力分析见图2。

图2 调压器受力分析

阀杆受力平衡关系式为：

G+Fk+F21+F12=F2+F11+F22

(1)

即：

G+kl+p2A1+p1A2=p2A+p1A1+p2A2

(2)

式中G——运动组件重力，N

Fk——弹簧力，N

F21——出口压力对平衡膜片的作用力，N

F12——进口压力对阀芯的作用力，N

F2——出口压力对主膜片的作用力，N

F11——进口压力对平衡膜片的作用力，N

F22——出口压力对阀芯的作用力，N

k——弹簧刚度系数，N/mm

l——弹簧压缩量，mm

p2——调压器出口压力，Pa

A1——平衡膜片有效面积，m2

p1——调压器进口压力，Pa

A2——阀芯有效面积，m2

A——主膜片有效面积，m2

由式(2)得：

(3)

2.2 调压器静特性

调压器的静特性是指调压器实际出口压力随进口压力和流量变化的特性[2]。调压器的合格与否是根据静特性曲线来判定稳压精度等级(AC)、关闭压力精度等级(SG)、每条静特性曲线的关闭压力区等级(SZ)和静特性线族关闭压力区等级(SZp2)等指标是否在声称范围内。

理想的流量特性曲线是一条水平线，即在调压器最大通过流量范围内均能保持出口压力为常量，出口压力不随流量变化而变化。但是，实际流量特性曲线是一条先平缓后逐渐下降的曲线。调压器流量特性见图3。

图3 调压器流量特性

2.3 影响调压器静特性的3个效应

2.3.1 膜片效应

衡量膜片性能的最重要因素之一是压力作用于膜片的有效面积大小[3]。要确定膜片的有效面积大小，首先要分析膜片的受力情况。膜片有效面积见图4。

图4 膜片有效面积

图中De1——膜片初始位置的有效直径，m

De2——膜片最终位置的有效直径，m

(4)

(5)

随着调压器流量的增加，膜片有效面积增加，会导致出口压力降低。

2.3.2 弹簧效应

随着调压器开度的增加，阀杆带动膜片向下移动，弹簧的压缩量将减小。弹簧压缩量变化见图5。

图5 弹簧压缩量变化

(6)

式中l1——弹簧初始位置压缩量，mm

(7)

式中l2——弹簧最终位置压缩量，mm

随着调压器流量的增加，弹簧压缩量减小，会导致出口压力降低。

2.3.3 结构效应

调压器是一个局部阻力可以变化的节流元件，即通过改变节流面积(阀芯和阀座围成的通道)，使流速及流体的动能改变，造成不同的压力损失，从而达到减压的目的。当流量高速流过节流孔后，在下游的流道中将减速，由于摩擦力的存在产生了压力损失；另外，由于通过调压器节流孔的流体为阻塞流，流体很容易发生湍流，还将产生热能或噪声的附加动能损失。由于结构效应的存在，流量越大压力损失越大[3]。为了减小调压器出口压力损失，一般对下游流道作扩径处理，使流速尽可能小。

调压器静特性受3个效应(弹簧效应、膜片效应和结构效应)的影响趋势见图6。由图6可知：随着流量的增加，调压器3个效应皆使其静特性出口压力下降，影响调压器的选型和使用。

图6 3个效应作用下的调压特性曲线

3 调压器静特性优化设计

上述对调压器3个效应对其单条静特性曲线(某一进口压力下)的影响进行了分析，但调压器实际运行过程中，进口压力波动也会对其静特性线族产生不利影响。

3.1 设置平衡膜片的必要性

如果将平衡膜片变为刚体，则根据调压器力平衡方程，可得单阀芯结构调压器出口压力p2计算公式为：

(8)

由式(8)可知，随着进口压力的变化，调压器出口压力随之变化，不同进口压力下的静特性比较离散，见图7。图7为3种不同进口压力下的静特性曲线组成的静特性线族。第1条曲线表示最大进口压力p1max下的状态，第2条曲线表示中间进口压力0.5(p1max+p1min)下的状态，第3条曲线表示最小进口压力p1min下的状态。3种不同进口压力下，调压器静特性曲线之间的距离比较大，而且出口压力超出上限p2max和下限p2min。

图7 进口压力对静特性的影响

3.2 平衡阀芯结构补偿设计

虽然平衡阀芯结构设计可以消除进口压力对静特性的影响，但是由于调压器3个效应的存在，随着流量的增加，调压器出口压力随之降低的幅度较大，从而造成调压器声称稳压精度等级下的实际流量不足现象。大量调压器实际运行数据表明：同一台调压器在同一出口压力下，前后压差越小，在声称的稳压精度等级范围内的流量越小。

中间进口压力记为p1av，最大进口压力记为p1max,最小进口压力记为p1min,三者的单位均为Pa。由调压器力平衡方程可知：

① 当调压器进口压力为中间进口压力plav=0.5(p1max+p1min)时，初始设定出口压力p20(单位为Pa)为：

(9)

② 当调压器进口压力调为最大进口压力p1max时，出口压力p21为：

(10)

③ 当调压器进口压力调为最小进口压力p1min时，出口压力p22为：

(11)

如果将平衡膜片的面积调大，即A1>A2。分别将式(10)和式(11)减去式(9)，得最大进口压力p1max状态与中间进口压力p1av状态的出口压力差值Δp21<0，最小进口压力p1min状态与中间进口压力p1av状态的出口压力差值Δp22>0。

若设横坐标为流量，纵坐标为出口压力，则不同进口压力下对应的出口压力坐标关系见图8。

图8 平衡阀芯结构补偿设计后静特性曲线

由此可知，从设计层面来讲，通过合理调整平衡膜片和阀芯的有效面积，可将低进口压力下的静特性曲线上移，提高了稳压精度等级下的标称流量；尽管高进口压力下的静特性曲线下移，但是调压器进出口压差较大，也能满足稳压精度下标称流量要求。因此，从理论上来讲，平衡阀芯结构补偿设计在一定程度上补偿了3个效应对调压静特性的影响，使其具有更好的调压特性。

4 结论

通过对直接作用式调压器工作原理的分析，建立调压器力平衡方程。从理论上分析了调压器3个效应(膜片效应、弹簧效应和结构效应)对调压器静特性的影响。随着流量的增加，调压器3个效应皆使静特性出口压力下降，影响调压器的选型和使用。分析设置平衡膜片的必要性。通过合理调整平衡膜片和阀芯的有效面积，可以在一定程度上补偿3个效应对调压静特性的影响，使其具有更好的调压特性。