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自力式燃?xì)庹{(diào)壓閥計算開度應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)方便，調(diào)節(jié)精度高。因此在燃?xì)廨斉渲械玫搅藦V泛的應(yīng)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(zhǔn)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(jìn)、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(dāng)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(jìn)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的調(diào)壓器，閥口開度與流量總是存在固定的關(guān)系，即閥口開度與閥系數(shù)(Cg)或流量系數(shù)(Kg)對應(yīng)的特性曲線。選取城市燃?xì)庵袕V泛應(yīng)用的REFLUX819和APERFLUX851(以下簡稱819和851)在調(diào)壓器實驗臺進(jìn)行試驗。前者可直接測量閥口開度，后者因結(jié)構(gòu)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(shè)計壓力zui高可達(dá)10MPa，進(jìn)口壓力范圍0.05MPa～8.5MPa，精度zui高達(dá)到1級；851調(diào)壓器的設(shè)計壓力也可以達(dá)10MPa，進(jìn)口壓力范圍0.1MPa～8MPa，精度zui高達(dá)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(jìn)、出口壓力間的平衡決定。引自調(diào)壓器進(jìn)口腔的燃?xì)?、?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(jìn)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(fù)至原來設(shè)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(jìn)口出口壓力間的平衡決定，進(jìn)口壓力事先經(jīng)過預(yù)調(diào)器調(diào)整不會發(fā)生變化。當(dāng)流量需求增加、或進(jìn)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(fù)至原來設(shè)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(yù)先調(diào)整，而851膜片下腔燃?xì)饧慈肟趬毫?，直接受到進(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)出15壓力和流量，當(dāng)P1＜2×P2時(亞臨界條件)：
當(dāng)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(jìn)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(jié)構(gòu)型式閥的固有特性，為驗證隨機(jī)提供的流量特性曲線與實際的符合程度，隨機(jī)抽取臺DN80、150psi的819進(jìn)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(yù)先將3個高壓儲罐的壓力達(dá)到20MPa，實驗zui小瞬時流量可以達(dá)到3Nm3/h，zui大瞬時流量可以達(dá)到6500Nm3/h。為測試819在不同進(jìn)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(jìn)出口各設(shè)置臺高精度壓力變送器，入口端設(shè)置臺調(diào)壓器，臺調(diào)節(jié)閥門，按圖5構(gòu)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(zhǔn)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(zhǔn)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(guān)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(guān)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(jìn)行采樣，采樣時計算機(jī)可同時自動保存進(jìn)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(bǔ)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(shè)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(shè)為0.3MPa、0.6MPa，0.8MPa，在入口壓力為3.8MPa時，出口壓力設(shè)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(jìn)行充分實驗，819進(jìn)出口需要適時更換壓力變送器以適應(yīng)*量程。
實驗在兩天內(nèi)共進(jìn)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(dá)到4352.85Nm3/h，調(diào)壓器zui大開度達(dá)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(fèi)，工況改變頻繁，穩(wěn)定時間很短，因此不排除由于運(yùn)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(shè)定為1.3MPa，出口壓力設(shè)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(jìn)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(zhuǎn)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(shè)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(yuǎn)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(jìn)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(jié)果與直接測量的致性，即819隨機(jī)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(jìn)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(yīng)關(guān)系。因此，依據(jù)可測量的進(jìn)出口和流量參數(shù)，根據(jù)公式1～2即可計算出Kg，進(jìn)而根據(jù)851固有的Kg與開度的對應(yīng)特性得到當(dāng)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(jìn)出口壓力變化的影響，難以準(zhǔn)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(yùn)行的調(diào)壓器，只要測量該路調(diào)壓器進(jìn)出口壓力和流量，并不受多路并聯(lián)運(yùn)行的影響。
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