天然气调压器设计原理及影响因素分析-.pdf

第 2 9卷 第 3期 N S T RU ME N T A T I ON A N D A U T OMA T A T I ON 仪表与自动化 天然气调压器设计原理及影响因素分析 陈功剑 ’ 宋峰彬 王丽丽 黄刚 z 1 ． 中海福建天然气有限责任公 司， 福建 莆田 3 5 1 1 0 0 2 ． 中海油安全技术服务有限公司 ， 天津 3 0 0 4 5 2 摘 要 天然气从 接收站输送 到输配管 网， 再 从输配管网输送 到城 市燃 气管 网均需要调压 ， 天然气调压 器是连 接天然气输配管 网、 城 市燃 气管网的核 心设备 ， 分 析调 压器 的性能有其独特性。 以天然气输 送过程 中广 泛应用的 自立式调压器 为对象 ， 从力学角度 分析 自立式调压 的一般原理 ， 以及管道 出 口 压力 、 噪音 、 节流效应等因素对调压 器的影响， 结果表 明控制调 压器上下游压差 ， 天然气 中的杂质含 量 ， 根据 当地气 温情况是否加设加热设 备等措施 ， 对 于提高调压器运 行可靠度 ， 保 障天然气站场具 有现实作用。 关键词 调 压器； 天然气； 噪声； 压 差； 节流效应 文献标 识码 B 文章编 号 1 0 0 6 5 5 3 9 2 0 1 1 0 3 0 0 6 7 0 5 0前 言 液 化 天 然 气 L N G 在 全 球 能 源 市 场 上 正 受 到越 来越 多 的重视 。 天然 气分 输站 和城 市 门站是 衔接 天 然气 输 配管 网 和城市 燃 气管 网的重 要 纽带 ， 即从 天 然 气输 配 管 网经过 天然 气 分输 站 调压 后 进入 城 市 门站 ， 在 门站再 次调 压后输 送 到城市 用 户 。在分输 站 和 门站 中天 然气 调 压 器 一 般 分 为两 种 一 种 是 电 动 式 调 压 器 ；另 为一种 是 自立 式 调压器 。根 据 G B 5 0 2 5 1 1 9 9 4 输 气 管 道工 程 设 计 规 范第 7 ． 4条 的 规 定 ， 同时 由于 A立 式 调压 器 有 无 需 外在 力 量 、 调 压稳 定 、 调 压 精 度 高等特 点在天 然气 站场 得到 了大 量应用 。目前 天然 气 站 场 调压 器 主要 有 德 国 R MG、美 国 E ME R S O N旗 下 的 T A T A N I N I 塔 塔 里 尼 、 日本 I T O K O K I 等 ， 各 种 自 立式 调 压器 的调 压原 理 基本 相 似 ， 本 文 以力学 平 衡基 本原 理 分析 调压 器 的工作 原 理 ， 同时讨 论 调压 器 可 能 发生 的故 障并 分析 故障 产生原 因。 1 调压器的设计原理 多数 自立式 调压 器 由指 挥 器 、 稳定 器 和调 压器 主 体 三部 分构 成 ， 不 同之 处是 有 的厂 家将 指挥 器 和稳 定 器 固化 到一 个设 备 中 ， 有 的厂家 分 别制 作 了指 挥器 和 稳定器两个设备然后 同调压器主体部分再连接到一 起 。图 1 是 指挥 器和稳 定器 分开 为两个 部分 的 自立 调 压 器 的基本 原理 示 意 图 ． 图 2是 调 压器 各 部分 结构 示 意 图 。 在稳 定 器 和指挥 器 部分 分 另 0 有 一个 弹 簧 ． 弹簧 生 产的弹力和弹簧 自身的弹性系数和弹簧的变形有关 。 在 指 挥 器 中 可 以通 过 外 部 的 调整 螺 丝 来 改变 弹 簧 的 形 变 ， 在稳 定器 中弹簧 的形 变 只受 与 弹簧 相连 的皮 膜 受 力情 况 的影 响 。分别 以稳 定 器 、 指挥 器 和调 压器 主 体 中的三个 皮 膜 F 。 ， F ， F 为研 究对 象 ， 分 别 进行 受 力 分 析 。 ’ 皮膜 F 。 F s 。 F p 1 皮膜 F 3 F s 2 F 2 F p 4 2 收 稿 日期 2 01 1 -02 -2 2 作 者 简 介 陈功剑 1 9 8 2 一 ， 男 ， 湖北武汉人 ， 助理工程 师 ， 硕士 ， 从事液化天然气集输工作 。 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 2 0 1 1 年6 月 弹簧 S a ． 稳 定 器结 构 皮膜 F 阀 图 1 调 压 器 基 本原 理 示 意 图 皮 膜 F b ． 指 挥器 结 构 c ． 凋压 器 主 体 图 2 调压器各部分 结构示意图 皮 膜 F 4 如 3 式中 弹簧 S 的弹力； 『 _ 一 下游压力 ； 广 稳定压 力 ； 上 游压 力 ； 氏厂弹 簧 S 2 的 弹力 ； 厂下游 调节 后 的压 力 ； 负载 压力 ； 弹簧 S 的弹力 。 以上力 的分析过程中单位均 为 N 。 由式 1 可知稳定 压力 大小是 由弹簧产生 的弹 力 F s 和皮膜上下游 的压力共 同决定 。 稳定器产生 的稳 定压力大小 由生产厂 家设定 ，上游压 力大于设 定值 时 上游气体进入 稳定器 的通道 自动关 闭 ．保证下 游压力 稳定 。通 常 ． 稳定 器 内装有 过滤器 ， 防止上游 气体 中 的 杂质进入指挥 器流孔 ， 并堵塞 流孔 。 出现错误 操作 。 由式 2 ～ 3 可知负载压力 的大小取决于皮 膜 F 两个面上压力的大小 ，一个是弹簧 S 产生 的弹 力 、 稳 定 压力 和下 游调 节 后 的压 力F 的合 力 ； 另 一 个力 就是 下 游压 力 。下游 压 力 的任 何变 化都 在 指 挥器 内作 用 ， 因而改 变 了皮 膜 F 两 个 面上压力 的平 衡状态 。 当下游压 力升 高时 ， 皮 膜 F 往 上运 动 ， 负 载压 力 略有升 高 ， 此 时皮 膜 F 4 将 向右 移 动 ， 带着 调 节器 的 套筒 也 向右移 动 ， 阀 门开启 度 降低 ， 下 游压 力 降低 。 最 后使式 1 ～ 3 重 新达 到平衡 。 下游压力降低时皮膜 往下运动 ， 稳定压力进入 指 挥 器 ， 使 负 载压 力 增 加 ， 为 了保 证 稳 定 压力 大 小不 变 ， 下游气 体进 人稳定 器 。 在 图 2 c中皮膜 F 4 将 向左移 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m NSTRUMENTATI ON AND A 第 U T 2 O 9 M 卷 ATA 第 TI 3 O 期 N l仪 表 与 自 动 化 I仪 表 与 自 动 化 动， 带着调压器 的套简也向左移动 ， 阀门开启度增加 ． 下游 流量增 加 ， 下 游压 力上 升 ， 最 后使 式 1 ～ 3 重 新 达 到平 衡 。 根 据式 1 ～ 3 可知 道 ， 弹簧 S 可 人 为设定 ， 即通 过 调 整 螺 丝来 改变 弹 簧 的 变形 程 度 实 现 下 游 压 力 的 设 定 。在设 定下 游压力 过 程 中 ， 下游 阀不 可完 全关 闭 ， 必须降低压力时， 应让少量气体 流向下游管线或大气 中 ， 让 出 13 端 排气 。在 用扳 手 调 整螺 丝过 程 中动作 必 须 缓慢 ， 检查 压力表 直 到所需 数值 出现 。 2调压器影响因素 2 ． 1 出口压 力对调 压器 的影 响 当出 口压力设 置 过 低 时 ， 气 体 在 阀芯 与 阀座 闭合 处 的差 压增 大 ， 当气 体 中含 有 杂质 时 会加 速 冲刷 阀芯 和 阀座 ， 降 低 阀芯 和阀 座密 封性 。 当出 口压 力设 定过 高 时 ， 根据 调 压器 的 自立 调压 原理 ， 皮 膜 F 向上运 动 ， 皮 膜 F 4 向右运 动 ， 阀芯 与 阀座 闭合 ， 此 时上 游 会 产生 一 个憋 压 ， 下 游压 力 下 降后 ， 又会 引 起皮 膜 F 向下运 动 ， 皮膜 F 向左运动 ， 直到调压器 的各个皮膜上的力 达 到平衡 。在 平衡 过程 中， 阀芯来 回运 动 ， 人 为地 增加 了气 体 不规 则 冲刷 阀芯 和 阀座 动作 次 数 ， 加重 了对 阀 座 和阀芯 的伤 害 。这种现象 在经 常间断 性供 气情况 下 较 为明显 ， 当上下 游压差 不大 的情况 下 ． 如 天然气 分输 站调压 阀上游压 力为 6 ． 2 MP a ， 下游 压力为 3 ． 5 MP a 时 ， 打 开供气 阀 ， 气 流平 稳 ， 气体 流 动声 音平 缓 ， 即在 天然 气分输站调压器正常凋压范 围内可以保 证气流平缓 供 应 ； 上 下 游 压 力过 大 时 ， 如 天然 气 调 压 阀上 游压 力 为 6 ． 2 MP a ． 下 游 调压 阀压 力 为 1 ． 2 MP a时 ， 打 开供 气 阀 ， 气 体 流 动 声 音很 大 ， 同 时 下游 管 道 阀 门发 生轻 微 抖 动 ， 这 是 由于气 体 高速 流过 障 碍 物 阀芯 时产 生气 体 分界层 l 4 ] ． 在 阀芯后 出现 大量 的漩 涡 。 激 烈 碰撞 管道 和下游阀门产生的现象。长期 的间断性供气 ， 且上下 游 压 差过 大 ， 会造 成 阀 门 阀芯 关 闭不 严 ， 调 压精 度 下 降 ， 甚至会出现安全事故 。因此保证上下游压差在合 理 范 围内是维 护调 压器 正常 工作 的基本 要求 之一 。 2 ． 2噪声 的影 响 一 般 而 言 ， 调 压器 工 作 中会 产 生 噪 声 ， 根据 原 理 的 不 同可分 为机 械振 动 噪声 、 流 体 力学 噪 声 和空 气动 力学 噪声 ， 这些 噪声会 对调 压 器产生 不 同 的影 响 。 2 ． 2 ． 1 机械 振动 噪声 机械 振动 噪声 是 机械 类振 动 、 固有 频 率振 动 和 由 阀芯振 荡性 位移 引起 流体 的压 力波 而产 生 的噪声 。这 类 噪声产 生 的原 因与 调压 器 的设 计 、零 部 件材 料 、 管 材材 料 、 设 备加 工工 艺 、 装备 质 量有 关 。 实际作业过程 中要 防止天然气通过调压器和下 游 管 道 产 生 的 噪声 频 率 和 调压 器 固有 的频 率 相 同而 发 生共 振 ， 防止 共 振发 生 的一个 重 要途 径 就要使 调 压 器 在 合 理 的 调压 范 围工 作 ，防止 上 下 游压 力 频 繁 波 动 。 2 ． 2 ． 2 空气 动力 学噪声 天 然气 通过 调 压器 的减 压 部位 时 ， 调 压器 的 出 IZ l 管 径 变 粗 ， 天 然 气 的 压 力下 降 ， 同 时天 然 气部 分 机 械 能转 化 为动 力学 噪声 ， 这 种 噪声 主要 是 由于天然 气经 过 调压 器后 流速 突 然急 剧加 速 ， 冲刷调 压器 的 阀芯 和 调 压器 出 口扩径 部分 形成 的大量 湍 流漩 涡 ． 在调 压 器 噪声中占的比例很高。 这类噪声的频率一般在 1 0 0 0 ～ 8 0 0 0 Hz 间 ， 一般 没 有特 别 陡 的峰 值 频率 。空气 动 力 学 噪声 不 能完全 被 消除 ， 但 是可 以采 取 一定 的技 术措 施 降低 。 高 压 天然 气 通 过 调 压 器 时 的规 律 符 合 高 压 阻塞 喷 注 的湍流 噪声 ， 根 据马 大猷 研 究喷 注 噪声 的规 律 和 小 孔消 音 器作 用 的关 系 ， 可 以采 用小 孔 消声 的原理 对调 压器 内产 生空气 动力 学 噪声进 行降 噪。 以特瑞 斯 能 源 装 备 有 限公 司 的调 压 器 内消 音设 备 为例说 明 ] ， 见 图 3 4 。图 3为调 压器 内置 消音器结 构 剖 面 图 。 图 4为调 压 器 内置 消音 器 的 实 物 图 ， 该 消 音设 备采 用小孔 消音 的原 理进 行 降噪 。 图 3调压 器内置消音器结构剖面 图 1 ． 阀口 阀芯 ； 2 ． P LⅡ I型消声器 ； 3 ． 阀座 ； 4 ． 阀口密封垫 图 4调 压 器 内置 消 音器 实物 图 69 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 O 天 髓 号 与 石 油 N A ilJ R A L G A S A N D O IL 2 0 1 1 年6 月 图 5调 压 器 实 物外 形 图 囤 6调 压 器 加装 消 声 器 的 结构 剖 面 图 天然气从 调压 器进 入 下游 管道 时 ， 经常 会有 一个 管径扩大段 ，气体在这个阶段压力降低且不稳定 ， 同 时产生大量的湍流漩涡。结合节流降压和小孔消声的 原 理 ， 采 用 多级 孔 板 串联 ， 把 原 来 一次 的突 变 降压 分 成 多次小 的渐变 降压 ， 实 现消音 效果 l 7 ] 。 以特 瑞斯 能源 装备 有 限公 司 的 P L S I L I I 型 消 音 设 备 为 例说 明 ] ， 见 图 5 - 6 。 图 5为 调压 器 实 物外 形 图 ， 图 6为调 压器 加装 消声 器 的结构 剖 面 图。该 消音 设备采用 的是多级节流降噪和小孔降噪相结合 的原 理进 行降 噪消音 。 2 ． 2 ． 3 管道 噪声 管 道 噪声 是 天 然气 经 过 调 压 器 后形 成 大 量 湍 流 运动 ， 出现了流体逆流运动的趋势 ， 使部分流体在经过 调 压器扩 口段后仍做 不停 的 、 剧 烈 的漩 涡运动 ， 这 些漩 涡 与势流 、管壁以及漩 涡 自身之 间 的相互 作用造 成漩 涡 振动 ， 并产生激烈 的噪声 。 图 7是李再承 等作 的高速 流体经过 阀芯形成 的漩 涡实验的效果 图I 8 l 。因此 ， 在 高 压 天然 气 气体 通 过 调压 器 后 降低 漩 涡 产生 的管 道 噪 声是维 护调压 器及管 道正 常工作 的重要 途径 。借鉴工 程中管道降噪的方法 ， 针对调压器下游管道 中漩涡产 生的噪声可从降低管路系统工作雷诺数方面出发 ， 增 加调压器 下游 管道 的管 径 ， 降低 流速 从 而实现 降 低下 游 管路雷 诺数 的 目的 ；在 调 压器 下游 加 弹性材 料 ， 吸 收 湍流脉 动 噪声 和冲击 管壁 噪声 产生 能 量损失 ， 实 现 降 噪 ； 在 调压 器 下游 安 装盘 装筛 网 ， 使 大漩 涡 分化 ， 弱化 大漩 涡 能量 ， 实 现 降噪 的 目的 。最 后 还可 以使用 微孑 L 消音器 实现 降噪 的 目的 。 图 7 绕 阀芯 的流 体 形 成 的漩 涡 2 ． 3节流效 应 的影响 天 然气 经 过节 流 降 压后 产 生 的降 温 现 象 即节 流 效应 ， 也称焦耳一汤姆逊效应 ， 气体在绝热过程 中发 生 的温 度变 化用 焦耳一 汤 姆逊 系数 来 表示 ， 其物 理意 义为单 位压力 下降 的温度变 化值 。 天 然气一般 经过高 压 天然 气 管 网 压 力 一般 在 5 ～ 1 0 MP a 经 过 天然气 分 输 站调 压后 一般 调压后 的数 值 在 3 ～ 4 ． 0 MP a 送 往城 市 门站 ， 城 市 门站 经 过再 次 调 压后 城 市 燃 气 次 中压 管 道 A 0 ． 0 0 5 MP a P 0 ． 2 MP a ；城 市 燃 气 中压 管 道 B 0 ． 2M P a P 0 ． 4MP a 送 往城 市居 民用户 。 不管是 天 然气 分输站 的 高 中压 调压 ． 还 是城 市 门站 的 中低 压调 压 ， 调 压过程 中均 会 出现一 定 程度 的 温降 。在 天然气 降温 过 程 中是 否 会结 冰 或产 生 水 化 物进 而 影 响管 输 与 天然 气 中含 水量 有关 ， 即在该 压力 与 温度 条件下 是 否有冷凝水或游离水存在， 即天然气调压降温后的温 度是 否低于 管输天 然气在 该压 力下 的水露点 。 根 据 气 源 资 料 ，西 气 东 输 天 然 气 在 正 常 情 况 下 ， 4 ． 0 MP a时水 露 点 为 一 1 2℃。按 其 含 水 量 计算 在 0 ． 1 MP a下 的水 露 点 为 一 3 6℃ ，在 0 ． 4 MP a下水 露 点 为一 2 3 q C。 天然气 经 过调 压器 后 的温 度可 以用 式 4 进 行 粗 略的估算 k - I ／ P2＼ O ／ I J 4 ＼ Pl ／ 式 中 ， r， 2 天然 气经 过调 压器 后 的天 然气 温度 ， K； 为修正 系数 ， 一般取 0 ． 8 ～ 0 ． 9 绝热 指数 ， 一 般天 然气 取 1 ． 2 ～ 1 ． 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m