燃气调压（任志华）

目录

ℵ 概述

ℵ 调压器基本原理

ℵ 调压器主要元件

ℵ 调压器受力分析

ℵ 调压器技术特性及其影响因素

ℵ 调压器型式与分类

ℵ 调压器标准与技术特性指标

ℵ 调压器流量计算

• 在此我们将讨论

概述• 调压器的定义

调压器是一种无论气体的流量和上游压力如何变化，都能保持下游压力稳定的装置。

调压器应能够：

1 、将上游压力减低到一个稳定的下游压力； 2 、当调压器发生故障时应能够限制下游压力在安全范围内。

• 为什么需要调压器- 理想的燃气供应系统将气体从井口输送到最终用户不需要调压器；- 这样的理想供应系统得以维持的条件是用户需求恒定，矿井的供给能力恒定，同时两者之间是一致的；- 这样的系统实际上不可能存在，为此，相应的装置 - 调压器 - 应运而生。

• 调压器的功用调压器最大的功用是保持燃气在使用时有稳定的压力，从而保证燃气用具得到稳定的燃空比（燃气与空气的配合比例）；燃气供应系统中使用调压器将气体压力降低并稳定在一个能够使气体得到安全、经济和高效利用的适当水平上。

调压器基本原理

调压器的功用是当入口气体压力和流过的气体流量发生变化时，保持出口压力的稳定。

调压器

入口压力出口压力

不断变化的气体消耗量不断变化的管网压力


• 直接作用式调压器

调压器的设计取决于对其技术特性的定义，通常要考虑到以下特性：- 压降及导致压降的原因- 盲区或调压器如何关闭- 临界流量及其与调压气供气能力的关系- 动作方式及其与调压精度的关系

• 调压器的五个基本元件

负载元件（弹簧或指挥器）

感应元件（皮膜）

作用元件（阀瓣 / 阀口）

围护元件（阀体）信号元件（连接下游管道的信号管）

阀塞

橡胶软阀座

调压器基本原理 – 直接作用式调压器


• 作用元件（阀瓣 / 阀口）作用元件（阀瓣 / 阀口）在感应元件的驱动下，对气体给出可变的约束。阀口的开度基于调压器下游燃气的需求量，当下游有用气需求时，阀口打开；当下游用气需求为零时，阀口关闭。

主阀杆的动作频率取决于阀口的开 / 关频率。

作用元件要求具有长期的稳定性能、密封性能和可靠的质量。


• 感应元件（皮膜）感应元件（皮膜）用以测量下游工况压力与要求的压力之间的差异，感应元件的任何变动度将导致作用元件产生相应的动作。

感应元件是动态元件，要求具有长期的稳定性能、密封性能和一定的机械强度。

• 负载元件（弹簧或指挥器）负载元件决定要求的下游压力。感应元件（皮膜）持续比较负载元件给出的调节力和经信号管传递来的下游压力，从而将得出的动作指令（打开或关闭）传递给作用元件阀瓣，经一定周期的动态过程，两者趋向协调，阀瓣趋向稳定。

负载元件是动态元件，要求具有长期的稳定性能、抗腐蚀性能和可靠的质量。


Weight


• 围护元件（阀体）围护元件形成调压器的封闭的空间。围护结构的主要作用是：

- 与管道的物理连接物；

- 对作用元件的机械保护；

- 对其它功能元件和附件的机械支撑。

围护元件是静态元件，要求具有长期的稳定性能和抗腐蚀性能。

• 调压器的受力平衡（直接作用式调压器）

向下的力和向上的力的处于平衡状态的要求 ---> 燃气需求量的变化决定下游管网压力的变化 ---> 向上的力的增大或减小 ---> 阀口开度的变化

+

+

向下的作用力：

弹簧力 + 入口压力 X 阀口截面积

连接到下游管道的信号管

向上的作用力：

出口压力 X 皮膜截面积 + 出口压力 X 阀口截面积

+=



• 调压器力平衡分析

Pe = 100 Psig Pa = 10 Psig

皮膜面积 = 10 In2

FD = (P2)(AD) = (10 Psig)(10 In2) = 100 Lb

100 LbFw=100LbFD=100Lb

调压器皮膜的受力处于平衡状态

皮膜



FD = (P2)(AD) = (9 Psig)(10 In2) = 90 Lb

100 LbFw=100LbFD=90Lb



调压器皮膜的受力平衡被打破，下游需求增大，压力下降。

固定的重量会导致钟摆

皮膜




调节弹簧有利于消除钟摆，尽快达成新的平衡

与大气连通




FD = (10 Psig)(10 in2) = 100 Lb

K = 弹性系数 = 使弹簧的高度压缩或拉升 1inch 所需要的力

FS = (K)(X)

FD = (P2)(AD)

FS

FD

皮膜皮膜



FD = (10 Psig)(10 in2) = 100 Lb

Fs = (100 Lb/In)(X) = 100 Lb

X = 1 Inch 压缩量

FS = (K)(X)

FD = (P2)(AD)FS = FD

(若皮膜不移动 )

FS

FD

皮膜皮膜

Pe = 100 Psig

Q = 50 SCFH

Pa = 10 Psig

1 Inches

FS = 100 Lb

FD = 100 Lb





FD = (9 Psig)(102) = 90 Lb

Fs = (100 Lb/In)(X) = 90 Lb

K = .9 Inch 压缩量弹簧高度回复量 = 1-.9 = .1 Inch

因此皮膜向下移动 .1 Inch

FS = (K)(X)


FS

FD



Pe = 100 Psig

Q = 200 SCFH

Pa = 9 Psig

1 Inches

FS = 90 Lb

FD = 90 Lb

.1’’

• 调压器压力特性


P2

Psig

流量 scfh0 50

1110

98

200 300 500

理想的压力曲线

实际的压力曲线

P1 = 100 psig

理想的调压器：出口压力不随流量的变化而改变


• 调压器压力特性

FD = (10 Psig)(10 in2) = 100 Lb

Fs = (50 Lb/in)(X) = 100 Lb

X = 2 Inches 压缩量

FS = (K)(X)


FS

FD

使用轻型弹簧


• 调压器压力特性使用轻型弹簧

Pe = 100 Psig

Q = 50 SCFH

Pa = 10 Psig

2 Inches

FS = 100 Lb

FD = 100 Lb



FD = (9 psig)(10in2) = 90 Lb

FS = (50 Lb/in)(X) = 90 Lb

X = 1.8 Inches 压缩量弹簧高度回复量 2-1.8 = .2 Inch

因此皮膜向下移动 .2 Inch

FS = (K)(X)


FS

FD


Pe = 100 Psig

Q = 300 SCFH

Pa = 9 Psig

2 Inches

FS = 90 Lb

FD = 90 Lb

.2’’



P2

Psig

流量 scfh

0-50

1110

98

200 300 500


P1 = 100 psig

400

使用轻型弹簧

适用重型弹簧


任何情况下，尽可能使用轻型弹簧。


• 皮膜对压降的影响

当 P2 降至 9 时

FD = P2 x AFD = 10 x 10 - 100 LbFD2 = 9 x 11 = 99 Lb

弹簧的作用力仅改变 1 Lb因此阀口的移动量很小

FD2

FD1

A = 11 In.2

A = 10 In.2

皮膜对压降的影响


• 调压器关闭压力 - 达成完全关闭的压力；

- 零流量时的压力。

• 调压器临界流量 - 给定作用元件（阀瓣 / 阀口）的最大流量；

- 取决于前端压力 Pe 和阀口尺寸。


• 调压器盲区及临界流量

P2

psig

流量 scfh50

1110

98

500


实际的压力曲线

P1 = 100 psig

0

盲区

临界流量

经验：在满足流量的前提下，尽可能使用小口径阀口。


• 压力信号取样点

Pe = 100 Psig

取压点P1 = 100 Psig

流速In

流速Out

Vena Contracta （静脉曲张）

P2 = 10 Psig

Pa = 10 Psig


• 取压点对压力控制精度的影响

P2

Psig

Flow scfh0-50

1110

98

200 300 500

P1 = 100 psig

400

Boost

No boost


• 出口压力范围受限制• 10% - 20% 的压力偏移

+

最大出口压力 …… 最大的向上的作用力能够平衡掉由弹簧和入口压力 X 阀口截面积产生的向下的作用力 ……

弹簧的作用力受限于弹簧规格 …… . 同时，皮膜的直径是不可变得 … ...

因此，直接作用是调压器的出口设定压力范围是受限制的





• 正作用式


• 反作用式


■ 优点 - 结构简单 - 响应速度快 - 成本低

■ 缺点 - 调压精度较低 - 压力控制范围窄 - 流通能力较小 - 由于受皮膜尺寸的限制，难以做到大规格的阀体

■ 应用 - 小型区域压力调节 - 工商业及公福用户压力调节 - 直燃设备 - 工矿企业


• 指挥器作用式调压器

调压器的设计取决于对其技术特性的定义，通常要考虑到以下特性：- 调压精度- 流通能力- 盲区- 响应速度- 成本

• 调压器的受力平衡（指挥器作用式调压器）

+

+

+ +=连接到下游管道的信号管

调节压力来自於指挥器向下的作用力：

调节压力 X 皮膜截面积 + 入口压力 X 阀口截面积



向下的力和向上的力的处于平衡状态的要求 ---> 燃气需求量的变化决定下游管网压力的变化 ---> 向上的力的增大或减小 ---> 阀口开度的变化

调压器基本原理 – 指挥器作用式调压器


Pe Pa

• 大气排气型


• 大气排气型

■ 优点 - 压力控制精度高 - 出口压力范围大 - 流通能力大

■ 缺点 - 对外排气比较危险 - 对外排气有浪费 - 成本高


• 下游排气型

P1


• 下游排气型

■ 优点 - 压力控制精度高 - 出口压力范围大 - 流通能力大

■ 缺点 - 响应速度慢 - 成本高


• 下游排气双作用式


• 下游排气轴流式（ IGA ）

■ 优点 - 很高的调压精度 - 很宽的压力控制范围 - 流通能力大 - 能够做到较大的阀体尺寸 - 比压力调节阀便宜

■ 缺点 - 响应速度慢 - 成本高

■ 应用 - 地区型分输压力调节 - 城市门站 - 燃气透平 - 大型直燃设备 - 大型工矿企业


调压器基本特性与相关标准

- 标准

- 精度

- 压力控制与流通特性


• 基础标准

欧洲 EN 334法国 Gaz de France approval 德国 DVGW approval (DIN 3380/3381)荷兰 Gasunie approval意大利 Snam/Italgas (UNI-CIG)英国 British Gas approval BS西班牙 Gas Natural approval (UNE 60402/60403)

• 调压器没有通用的国际标准• 本地客户的要求、相竞争的产品、本地标准以及本地的法规要求均可以作为调压器的设计条件。

中国 CJ 274-2008


• 主要定义及符号

Pe = 入口压力 (1 bar = 105 Pascal = 14,5 psig )

Pa = 出口压力标准状况 = 绝对压力为 1,01325 bar 且 t = 15°C （欧洲或北美）或 t = 20°C （中国）Q = 流量范围 (1 m³/h = 35,1 SCFH)

Pas = 出口压力设定值Pf = 关闭压力。流量 Q=0 时的压力Wh = 弹簧的可设定压力范围 Wa = 调压器的可设定压力范围 RG(AC) = 精度等级，最大的出口压力波动许可范围SG = 关闭压力精度等级， Pf 与 Pas 之间许可的最大压差SZ = 关闭压力等级范围， Qmin/Qmax 时的 SG 的 %

KG/CG = 流量特性


• 压力范围与等级

Class Pzul (bar) Class Pzul (bar)

PN 16 16 ANSI 150 19,2

PN 25 25 ANSI 300 51

PN 40 40 ANSI 600 102

PN 64 64

PN 100 100

Pzul = 最大允许工作压力 (入口压力 )


• 调压精度

0

Pas

流量范围

出口压力

理想的调压器能够满足不管入口压力如何变化，当流量从 0 增加到时，均能保持出口压力的稳定。


285

315

Pas=300

Pf =330

Pa in mbar

Qmin = 10% of Qmax

AC5

AC5

SG10

Qmax Q in m³/h

临界点

SZ

• 调压精度


• 调压精度等级 RG(#)

class 允许的压力偏移设定压力的%

RG 1 1 % (*)

RG 2,5 2,5 % (*)

RG 5 5 % (*)

RG 10 10 %

RG 20 20 %

RG 30 30 %

(#) 也可用 AC表示(*) 但不低于 1 mbar


• 关闭压力精度等级 SG

class 允许的压力偏移设定压力的%

SG 2,5 + 2,5 % (*)

SG 5 + 5 % (*)

SG 10 + 10 %

SG 20 + 20 %

SG 30 + 30 %

SG 50 + 50 %

(*) 但不低于 1 mbar


• 关闭压力等级范围 SZ

class 限制值 % Qmax/Qmin

SZ 2,5 2,5 %

SZ 5 5 %

SZ 10 10 %

SZ 20 20 %


• 调压器流量特性系数 Cg

调压器的流量特性系数 Cg 或 Kg 主要用于调压器的选型计算。

Cg值调压器阀口全开时，压力为 1 个标准大气压、温度为 15 °C 、相对密度为 0.6 的天然气的通过量（ Sm3/h) 。

对于英制单位，则为调压器阀口全开时，压力为 psia 、温度为 60

°F 、相对密度为 0.6 的天然气的通过量（ SCFH) 。


• 调压器流量计算

按照 EN334 6.2 的规定，调压器流量计算可按以下方式（误差 <10% ）：

低于临界点 Pe/Pa≤2Q = Cg

13.15

d (te+ 273)Pa (Pe-Pa)

大于临界点 Pe/Pa ＞ 2

Q = Cg Pe 213.15

d (te+ 273)

式中：Q 流量范围 (Sm3/h)

Pe 入口压力 (bar abs)

Pa 出口压力 (bar abs)

Cg 流量特性系数te 入口侧气体温度 (°C)

d 气体相对密度 (天然气为 0.6)

谢谢！

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