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自力式燃?xì)庹{(diào)壓閥計(jì)算開(kāi)度應(yīng)用于輸配管理的實(shí)驗(yàn)研究
自力式調(diào)壓器不需外來(lái)能源，利用被調(diào)介質(zhì)自身壓力的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)壓器閥口開(kāi)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(jiǎn)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(guò)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(kāi)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(dòng)而增大或減小，當(dāng)開(kāi)度很小時(shí)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(shí)造成出口壓力過(guò)高而使安全閥動(dòng)作關(guān)閉。因此，調(diào)壓器閥口開(kāi)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(kāi)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(wú)法安裝可測(cè)量閥口開(kāi)度的傳感器。
對(duì)于同種結(jié)構(gòu)的調(diào)壓器，閥口開(kāi)度與流量總是存在固定的關(guān)系，即閥口開(kāi)度與閥系數(shù)(Cg)或流量系數(shù)(Kg)對(duì)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(jiǎn)稱819和851)在調(diào)壓器實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。前者可直接測(cè)量閥口開(kāi)度，后者因結(jié)構(gòu)限制不能直接測(cè)量閥口開(kāi)度。
1 調(diào)壓器閥口開(kāi)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(jì)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(jí)；851調(diào)壓器的設(shè)計(jì)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(jí)。
851調(diào)壓器的膜片同時(shí)又是閥瓣，膜片位置(即調(diào)壓器閥口開(kāi)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(guò)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(kāi)度不變。指揮器的開(kāi)度就決定了指揮器前的壓力，而指揮器開(kāi)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(dòng)使指揮器開(kāi)大。于是指揮器前壓力下降調(diào)壓器膜片上抬，通過(guò)流量隨著增加而使調(diào)壓器出口壓力回復(fù)至原來(lái)設(shè)置的值。
819和851的工作原理類似，調(diào)壓器的膜片同時(shí)又是閥瓣，但又與851有所不同。膜片的位置即調(diào)壓器開(kāi)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(guò)預(yù)調(diào)器調(diào)整不會(huì)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(dòng)使指揮器開(kāi)大。于是指揮器出口壓力下降，調(diào)壓器膜片上抬，通過(guò)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(lái)設(shè)置的值。
由此可見(jiàn)，851和819調(diào)壓器的膜片都同時(shí)又是閥瓣。但819膜片下腔所受壓力經(jīng)過(guò)預(yù)先調(diào)整，而851膜片下腔燃?xì)饧慈肟趬毫Γ苯邮艿竭M(jìn)口壓力波動(dòng)的影響，因此使得819的調(diào)節(jié)精度較851要高。但閥門(mén)的開(kāi)度即閥瓣的上下移動(dòng)的工作原理則*相同，即閥瓣的移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jiàn)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(shí)(亞臨界條件)：
當(dāng)P1≥2×P2時(shí)(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(guò)的流量Q均可實(shí)際測(cè)量出來(lái)，此時(shí)的流量系數(shù)Kg可以通過(guò)計(jì)算獲得。通過(guò)查流量特性曲線，那么此時(shí)的閥口開(kāi)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(yàn)證隨機(jī)提供的流量特性曲線與實(shí)際的符合程度，隨機(jī)抽取臺(tái)DN80、150psi的819進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
3 調(diào)壓器819開(kāi)度實(shí)驗(yàn)
在調(diào)壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，壓縮空氣系統(tǒng)預(yù)先將3個(gè)高壓儲(chǔ)罐的壓力達(dá)到20MPa，實(shí)驗(yàn)zui小瞬時(shí)流量可以達(dá)到3Nm3/h，zui大瞬時(shí)流量可以達(dá)到6500Nm3/h。為測(cè)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(kāi)度，在被測(cè)819進(jìn)出口各設(shè)置臺(tái)高精度壓力變送器，入口端設(shè)置臺(tái)調(diào)壓器，臺(tái)調(diào)節(jié)閥門(mén)，按圖5構(gòu)建實(shí)驗(yàn)流程。由于流量變化范圍較大，調(diào)壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)本身具有大小流量自動(dòng)切換裝置，以確保流量計(jì)量的準(zhǔn)確性，但流程圖中有所簡(jiǎn)化。
對(duì)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(shí)際開(kāi)度，實(shí)驗(yàn)中采用激光測(cè)距儀，可測(cè)量出0.01mm的閥口位置變化。實(shí)驗(yàn)前先記錄了819全開(kāi)和全關(guān)時(shí)的激光測(cè)距儀度數(shù)：閥位全開(kāi)時(shí)測(cè)距儀讀數(shù)為57.5mm，閥位全關(guān)時(shí)70.3mm，閥口開(kāi)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(shí)才進(jìn)行采樣，采樣時(shí)計(jì)算機(jī)可同時(shí)自動(dòng)保存進(jìn)口壓力P1、出口壓力P2、出口溫度T、瞬時(shí)流量Q和實(shí)測(cè)開(kāi)度Kc，計(jì)算開(kāi)度K2可根據(jù)調(diào)壓器流量特性及溫度補(bǔ)償計(jì)算出來(lái)。
調(diào)壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)瞬時(shí)流量zui大時(shí)只能連續(xù)供氣約10min。根據(jù)儲(chǔ)氣能力和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)，出口壓力分別設(shè)為0.3MPa、0.6MPa，0.8MPa，在入口壓力為3.8MPa時(shí)，出口壓力設(shè)置為0.2MPa。對(duì)調(diào)壓器在臨界和亞臨界狀態(tài)、大開(kāi)度和小開(kāi)度狀態(tài)進(jìn)行充分實(shí)驗(yàn)，819進(jìn)出口需要適時(shí)更換壓力變送器以適應(yīng)*量程。
實(shí)驗(yàn)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(shí)流量達(dá)到4352.85Nm3/h，調(diào)壓器zui大開(kāi)度達(dá)到98.125%。計(jì)算開(kāi)度誤差分布見(jiàn)圖6，圖中*個(gè)數(shù)為誤差，第二個(gè)數(shù)為占所有采樣數(shù)據(jù)的比例。計(jì)算出的開(kāi)度與實(shí)測(cè)開(kāi)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(shí)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(shí)間很短，因此不排除由于運(yùn)行工況時(shí)尚未平穩(wěn)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 第4次實(shí)驗(yàn)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(shí)流量Q(Nm3/h) | 0 | 302.57 | 818.87 | 1899.44 | 2469.69 | 1421.47 | 858.02 | 331.18 | 0 |
實(shí)測(cè)開(kāi)度Kc(mm) | 70.07 | 69.95 | 69.69 | 68.77 | 62.2 | 69.2 | 69.51 | 69.85 | 70.19 |
實(shí)測(cè)開(kāi)度K1(%) | 1.8% | 2.7% | 4.8% | 12.0% | 63.3% | 8.6% | 6.2% | 3.5% | 0.9% |
計(jì)算開(kāi)度K2(%) | 2.5% | 3.1% | 5.9% | 14.2% | 63.1% | 9.2% | 6.1% | 3.2% | 2.5% |
開(kāi)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(shí)測(cè)開(kāi)度K1、計(jì)算開(kāi)度K2實(shí)驗(yàn)記錄和計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更直觀的圖表，見(jiàn)圖7。為便于查看。其中瞬時(shí)流量的數(shù)值經(jīng)過(guò)折算。
從數(shù)據(jù)和圖表可以看出，在流量逐漸提高時(shí)，盡管試驗(yàn)臺(tái)上在被測(cè)調(diào)壓器前設(shè)置了1臺(tái)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(kāi)度看，實(shí)測(cè)開(kāi)度和計(jì)算開(kāi)度的吻合度很高，計(jì)算開(kāi)度和實(shí)測(cè)開(kāi)度兩條曲線幾乎重合，開(kāi)度誤差遠(yuǎn)低于管網(wǎng)輸配調(diào)度的需要。
4 計(jì)算開(kāi)度對(duì)輸配調(diào)度調(diào)壓器的參考意義
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖表對(duì)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(jì)算出的閥位開(kāi)度與實(shí)際測(cè)量的開(kāi)度具有高度的重合性，驗(yàn)證了調(diào)壓器閥口開(kāi)度理論計(jì)算結(jié)果與直接測(cè)量的致性，即819隨機(jī)提供的性能參數(shù)值得信賴。
對(duì)于不能直接測(cè)量閥口開(kāi)度的851調(diào)壓器，從公式1～3可以看出，流量的計(jì)算公式在亞臨界時(shí)與819*相同，在臨界流時(shí)851只有819的半，對(duì)通過(guò)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(kāi)度具有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，依據(jù)可測(cè)量的進(jìn)出口和流量參數(shù)，根據(jù)公式1～2即可計(jì)算出Kg，進(jìn)而根據(jù)851固有的Kg與開(kāi)度的對(duì)應(yīng)特性得到當(dāng)前851的計(jì)算開(kāi)度。
由于在輸配調(diào)度時(shí)，瞬時(shí)流量受到經(jīng)常波動(dòng)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(kāi)度則直觀得多，而且輸配調(diào)度和貿(mào)易計(jì)量的性質(zhì)不同，閥口開(kāi)度只要接近真實(shí)的閥口開(kāi)度即可。因此為了獲取閥口開(kāi)度。819可以直接安裝測(cè)量?jī)x表，而851理論計(jì)算出的閥口開(kāi)度對(duì)于輸配調(diào)度管理人員同樣具有直觀而有效的參考價(jià)值。而對(duì)于多路并聯(lián)運(yùn)行的調(diào)壓器，只要測(cè)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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