隨著城市經(jīng)濟的不斷發(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)壓器是通過自動改變經(jīng)調(diào)節(jié)閥的燃?xì)饬髁浚�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

       它由測量元件(薄膜)、傳動部件(閥桿)和調(diào)節(jié)機構(gòu)(閥門)組成。當(dāng)出口后的用氣量增加或進口壓力降低時，出口壓力就下降，這時由導(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)饬髁吭黾樱�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口壓力升高時，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，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,指揮器薄膜上升，使閥門關(guān)閉，同時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)馀湃氪髿猓�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ε湔尽�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)壓器由進氣閥體、進氣接體、出氣接體、出氣閥體、指揮器五大部分組成。進氣接體內(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，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，在指揮器先導(dǎo)氣的作用下，密封膠膜拉動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，具有超壓自動關(guān)閉，壓力恢復(fù)正常時自動開啟功能，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)壓單元將各個級別的氣源壓力調(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)中將不同壓力級別的天然氣壓力降低并穩(wěn)定在一個能夠使氣體得到安全、經(jīng)濟和高效利用的適當(dāng)壓力級別上。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，壓力上升到監(jiān)控調(diào)壓器的出口壓力設(shè)定值時，監(jiān)控調(diào)壓器就會開始工作運行[1]。當(dāng)運行路發(fā)生事故時，壓力繼續(xù)上升，運行路上的超壓切斷閥就會立即切斷供氣，備用路或者旁通路就開始運行繼續(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：運行路監(jiān)控調(diào)壓器>運行路工作調(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)故障時為開啟狀態(tài)，此時該調(diào)壓器后壓力上升從而啟動監(jiān)控調(diào)壓器。其安全性較好，流程簡單，操作方便。

1.5 調(diào)壓器對計量的影響

當(dāng)天然氣流經(jīng)調(diào)壓器閥口時，壓力下降會導(dǎo)致流速急劇上升，強烈的壓力波動和高流速的沖蝕會沿氣流方向引起脈動流、噪聲和振動。當(dāng)流量計安裝在調(diào)壓單元后端時，脈動流、噪聲和振動將會引起流量計計量發(fā)生誤差。

2 流量計的分類

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

2.1 孔板流量計

       孔板流量計的主要特點為結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡單牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用期限長，價格低廉，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

氣體羅茨流量計是基于容積式測量的原理，用于精確計量流經(jīng)封閉管道的氣體總量。具有量程比寬、重復(fù)性好、精度高、始動流量小、對上游流速不敏感等優(yōu)點，非常廣泛地應(yīng)用在城鎮(zhèn)燃?xì)獾挠嬃拷Y(jié)算中，如餐飲業(yè)、賓館等工商業(yè)用戶的計量、輸配管網(wǎng)計量、燃?xì)庹{(diào)壓站計量以及工業(yè)和民用鍋爐等燃?xì)庥嬃俊Ａ_茨流量計的故障率比較低，性價比高，能適應(yīng)現(xiàn)場氣體流量變化范圍的要求，現(xiàn)場測量的數(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)進入流量計，并定期檢查以保證計量精度。該流量計安裝時一定要水平安裝。

2.3 氣體渦輪流量計

      渦輪流量計的優(yōu)點是測量范圍(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、安裝維護方便、流通能力大，但是特性易受介質(zhì)物性和流體流動特性的影響，愈是高精確度其影響愈敏感。渦輪流量計具有較大的測量范圍，一般為 10:1，占空間小，條件合適時比孔板流量計更準(zhǔn)確，用于相對潔凈的天然氣干氣，非常佳使用流量是滿量程的 10%～80% [2]。不過這種流量計由于有活動部件，如渦輪、轉(zhuǎn)子等，因此要求的維護量較多。為了保證計量的可靠和準(zhǔn)確，渦輪和轉(zhuǎn)子流量計上游需安裝過濾器，且流量計和過濾器需要按時維護。非常佳使用流量在滿量程的 80%一下，還須大于流量計的非常小流量，所以不適合用于民用氣計量。對穩(wěn)定的流量來說渦輪流量計還是比較可靠的。

2.4 超聲流量計

        超聲流量計是利用超聲波束在液體中傳播時間的差異來求得液體的流量。氣體超聲流量計特點是測量準(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，流量計非常大口徑可做到 1 600 mm，且無可動部件，堅固耐用。不足之處是只適用于中大口徑管道，價格昂貴。

 

3 調(diào)壓計量設(shè)備的選型與應(yīng)用

3.1 調(diào)壓計量設(shè)備的選型

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

3.2 調(diào)壓計量設(shè)備的應(yīng)用

城市燃?xì)忾T站連接的是上游與其對應(yīng)的長輸管道以及分輸管線。由于調(diào)壓計量設(shè)備一旦發(fā)生故障問題影響面較廣，所以在設(shè)計中流量計與調(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)項目燃?xì)庠O(shè)施由業(yè)主自行投資，尤其是大工業(yè)項目用氣設(shè)備復(fù)雜分散、用氣量大，運行壓力也不同。因此現(xiàn)在大多都采用高壓力計量然后再以調(diào)壓的形式進行供氣。這樣多個調(diào)壓計量設(shè)備可以集中擺放，也便于后期檢修，另外高壓力級別進行計量調(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)在國家加大力度搞治理環(huán)境，氣代煤已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域，現(xiàn)在一些熱力公司也積極響應(yīng)國家號召，開始進行天然氣集中供熱。由于熱力公司都是以萬計的天然氣需求量，天然氣需求量過大，所以必須進行高壓計量、二次調(diào)壓才能滿足需求，如圖 5 所示。

4 結(jié)語

綜上所述，對于天然氣調(diào)壓計量系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用需從技術(shù)、經(jīng)濟和維護管理等方面加以綜合考慮。首先，技術(shù)方面調(diào)壓計量設(shè)備必須滿足用氣設(shè)備的實際流量和壓力以及所需的場地條件，目前各處用地都比較緊張，所以在進行調(diào)壓計量設(shè)計時，還要遵循設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、方便維護檢修的原則；其次，經(jīng)濟方面除了要考慮調(diào)壓計量設(shè)備的總體實際價格外，還要考慮附屬設(shè)備的安裝復(fù)雜程度；非常后，要對調(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行綜合考慮設(shè)計。對于每一個項目，必須選擇簡單有效的方案，避免設(shè)計、施工、操作和維護中的問題，對每一個方案的優(yōu)缺點進行評估，總結(jié)經(jīng)驗，提高設(shè)計質(zhì)量。