谈谈日本的两项管道燃气安全技术

谈谈日本的两项管道燃气安全技术谈谈日本的两项管道燃气安全技术 十年以前去日本考察 看到过日本已经广泛应用的两项燃 气安全技术 由于当时这两项安全技术国内还没有应用 也没 有看到国内文献和资料上的介绍 并且其作用原理非常巧妙 实用性很好 所以给我留下很深印象 不过让我感到疑惑的是 至今也没有看到这种技术或产品在国内有多少应用 没有看到 有仿制的产品 更没有看到国内文献上的介绍 不知是什么原 因 当然也可能是有 而我孤陋寡闻 不知道 我并没有用过这 种技术或产品 也没有实际的经验 在这里只是把当年考察留 下的记忆和后来看到的日本的一些产品介绍结合起来 做一分 析和探讨 希望能给同行有所启示和借鉴 这里不是做产品介 绍 而是分析它的结构和工作原理 所说的技术 一项是调压器的一种超压自动切断技术 另 一项是燃气管道泄漏的一种侦测技术 都是专利技术 这两种 技术 是在日本赛山公司考察时 看到其应用情况的 一 防超压的燃气调压器一 防超压的燃气调压器 目前 我们的城市燃气管网上 稍大一些调压设备 一般 都装有超压切断装置 并且这些切断装置的结构和原理是相似 的 形式上 这些切断装置有独立设置的 切断设备串联在主 调压器前端 也有复合式的切断装置 与调压器构成一个整体 设备 结构和原理是这样的 一个压力感应部件 一个机械传 动和锁定机构和一个切断管道的阀门 当压力感应部件感应到 调压器输出端的压力超过上限 便会引发机械传动装置和锁定 装置的动作 动作传递给阀门导致管道上的阀门关闭 这种切 断装的一个基本特性是 一旦切断动作发生 就不会自动恢复 必须人工到现场进行操作 才能复位 使切断阀恢复到开启状 态 才能恢复供气 我们现行的规范提倡使用这种方式的切断 装置 这里要介绍的防超压调压器 其切断装置的结构和原理与 上述的完全不同 结构上的不同 是切断装置与调压装置合为 一体 切断装置与调压器公用同一个压力感应装置 只是增加 了用于关闭气路的动作部件 结构更简单 原理上的不同 是 它只是在调压器输出超压时切断气路 限制输出压力持续升高 而当超压的条件消失以后 它会自动恢复正常供气 不需要人 员到现场进行复位操作 超压保护过程中不会中断对客户的燃 气供应 一种防超压调压器的外形 如图 1 所示 看上去与普通调 压器没有区别 内部的主要构造也与普通调压器基本一样 如 图 2 所示 只不过其中阀瓣和传动机构有差别 参见图 2 与普通调压器不同之处在于 它内部有两个装 在同一阀杆上的阀瓣 并有两个同心的阀座 右面的一个阀瓣 是工作阀瓣或主阀瓣 用于调节输出压力 它的左面 是防超 压阀瓣或辅助阀瓣 专门用作超压切断 结构上不难看出 气 路中两个阀瓣所构成的两个阀门之间呈串联关系 只要有一道 阀关闭 就会切断气路 在气路走向上 先流过主阀瓣 再流 过辅助阀瓣 两个阀的关闭动作不同步 顺序是主阀瓣在先 辅助阀瓣在后 工作原理是 正常工作状态下 当调压器输出压力达到设 定供气压力的时 主阀瓣会自动保持一定的开启度 以保证一 定压力和流量的气体输出 参见图 3 当用气流量减小时 工 作阀瓣就会逐渐关小 以保持输出压力的稳定 当流量减小为 零时 工作阀瓣就会完全关闭 抑制压力的继续升高 参见图 4 如果主阀瓣能够完全切断气路 辅助阀瓣就移动不到关闭 位置 处于开启状态 辅助阀瓣不发挥任何的作用 参见图 4 但 如果工作阀瓣或阀座出现故障 被异物垫住或变形 导致主 阀瓣的关闭不严 丧失关闭功能 那么当所有用户不用气时 管网内的压力就会持续升高 当这个异常的输出压力升高到设 定的切断压力时 一般为设定出口压力的 1 25 倍 压力感应皮 膜会继续向下移动 推动阀杆克服防超压弹簧的弹力 使辅助 阀瓣也继续下移动 参见图 5 并逐渐关闭 切断气路 参见 图 6 这时输出压力停留在设定的切断压力上不再升高 辅助 阀瓣发挥了防止压力持续升高的作用 只要用户不用气 管网 压力不会下降 那么这种状态就会一直保持 参见图 6 当用气端开始用气时 供气管道中的燃气会逐渐流出 压 力开始逐渐下降 当输出压力下降到切断压力以下时 压力感 应膜开始向上移动 弹簧推动阀杆向上移动 带动辅助阀瓣也 向上移动 使辅助阀瓣逐渐打开 随着供气流量的增加 压力 感应膜会继续向上移动 通过阀杆带动主阀瓣也逐渐打开 进 入工作状态 这时辅助阀瓣完全停止工作 主阀瓣开始发挥调 压作用 调压器进入了正常的工作状态 参见图 3 这里需要特别提出的是 经验和实验都证明 调压器阀瓣 或阀座密封故障导致的关闭功能丧失 只影响调压器小流量或 零流量状态下的调压性能 不影响正常流量下的压力调节功能 这种切断装置的设计刚好利用了调压器的这个特点 还有 正常工作状态下防超压阀瓣一直是常开的 阀瓣与 阀座不接触 不发生开关动作 只有在故障状态下形成超压时 防超压阀瓣才发生动作 阀瓣与阀座磨损和挤压的机会很小 相反 主阀瓣在工作状态下 频繁发生开关动作 磨损和挤压 很频繁 因此 污物对防超压阀瓣和阀座产生损害的的概率远 小于主阀瓣 或者说 防超压阀瓣的故障率远小于主阀瓣的故 障率 当有一个故障原因同时作用在两个阀瓣或阀座上时 主 阀瓣会先于辅助阀瓣出现损坏 从辅助阀瓣的工作原理我们知 道 当辅助阀瓣关闭时 输出的压力是高于正常供气压力的 这是这种调压器使用上的一个外特征 据此 我们可以通过记录输出压力 并定期观察分析压力 记录 就能够发现主阀瓣的故障 如果出现了高于正常供气压 力的记录 就可以断定主阀瓣已经有故障 应及时更换了 而 此时并没有发生超压供气的危险 从原理和结构上 不难看出这种切断装置设计上的针对性 很强 主要针对调压器主阀瓣和主阀座的故障 而导致的输出 压力异常升高 为什么这种调节阀的设计者似乎忽略掉调压器 的其他可能故障 而把不停止供气的切断功能作为重要的设计 目标呢 通过跟日本伊藤工机的技术人员的交流 我们找到了答案 这要从提出这种调节阀的设计需求说起 据了解 这种调压器是由日本东京瓦斯与伊藤工机合作研 制的 设计需求实际上是由东京瓦斯提出的 日本的燃气法规 有一项安全规定 一旦停止供气 重新恢复供气前 服务人员 必须进入每家用户 确认没有安全问题 才能进行恢复供气的 操作 东京瓦斯城市燃气管网系统中调压器数量以万计 以前 也曾使用需要人工现场恢复的超压切断装置 由于自动关闭后 入户检查的大量人力需求 尤其是这种情况的突发性和随机性 让东京瓦斯疲于应付 为了解脱这种突发性人力需求压力 东 京瓦斯提出与伊藤工机合作 寻求技术上的解决方案 从而产 生了新型调压器的研发需求 技术研发人员对引发自动切断的调压器故障原因进行了全 面的分析研究 得出了这样的结论 调压器的故障超过 80 是 由燃气中的污物和杂质引起的 调压器超压切断故障则主要是 由于污物对阀瓣或阀口的作用导致的 例如污物垫在阀瓣或阀 口上 阀瓣受到污物的腐蚀变形或性能改变等 而阀瓣和阀口 的这类故障 只是造成调压器的关闭压力失常 仅影响调压器 小流量下的调压性能 并不影响正常流量下的调压性能 实际 上超压故障都发生在用户不用气或用气量很小的情况下 正常 流量情况下是不会发生超压的 据此 产生了这种以防止超压 为主要功能的新型防超压调压器的结构原形 这种防超压调压器 最早在日本东京瓦斯应用 收到了预 期效果 其实 这种超压切断的机理早就有应用 我曾看到过费舍 尔调压器的一种组合用法 把两个带有外接取压管 一般把取压 管接到本调压器的出口 的调压器串联 即一个调压器的出口接 到另一个调压器的入口 而把两个调压器的取压管都接到后面 一个调压器的出口 构成一个复合式调压器 前面调压器的设 定压力高于后面调压器设定压力一个固定值 在两个调压器都 正常的工作状态下 前面调压器由于设定压力高而总是处于开 启状态 调压作用由后面调压器承担 当后面调压器出现故障 不能正常关闭时 出口管道压力的升高 会使得前面调压器进 入工作状态 承担关闭的作用 防止超压发生 不过 我看到 的这种应用是在中压供气的情况下的 据说美国的安全规程要 求向厂房供应中压燃气 必须采用这种组合式调压方式 以防 超压供气 显然 前面介绍的日本的防超压调压器或许可以看 成这种组合式调压器的改进或简化 这种防超压调压器还有一个特点 无需放散阀 因此室内 安装使用比较方便 那么 是不是这种切断方式就一定比我们常用的人工复位 方式更好 并能取而代之呢 不一定 据了解在日本这两种方 式同时在应用 那么应该如何考虑这两种方式对应用环境的适 用性呢 我从以下几个方面 对这两种方式的不同特点作一分 析和探讨 1 设计的出发点不同 手动复位切断的设计理念是 引起 超压的原因是无法确定的 只要发生切断 必须有人来作出判 断并排除故障以后 才能恢复使用 而上面介绍的自恢复切断 方式 其设计理念是建立在多年经验基础上 认为引起超压的 原因 在一定条件下是可以确定的 因而作出了有针对性的设 计 2 客户关系的不同 选择不同 燃气供应商与客户的关系 也会影响切断方式的选择 比方说 调压站是由客户自行管理 的 供气商会要求使用人工恢复的切断装置 以防不确定性危 及安全 而如果调压站是由供气商管理的 并且管理人员技术 素质较高 辅助管理手段较强 那么就会选择自恢复式 以提 高管理效率 3 应用环境不同 选择不同 调压站周边的环境差 不确 定因素多 人工恢复方式宜被选择 反过来 周边环境没有或 很少有意外发生的可能 更容易选择自动恢复式 4 负荷特性不同 选择不同 连续用气 流量波动小的负 荷 自动恢复方式的保护效果不突出 更容易选择人工恢复式 5 停气影响不同 选择不同 停气的影响很大或损失很大 而又有其他辅助手段抑制超压的发生 那么选择自动恢复更有 利 6 特别需要 也可以考虑双重选择 就是两种同时使用 在防超压调压器的前面加装人工复位式的切断装置 将人工复 位切断装置的切断压力设定为高于自动切断压力一定值 那么 绝大多数的超压是由自动复位方式保护的 不会停气 极特殊 的情况下才会发生切断停气 从以上介绍和分析我认为 这种超压切断技术不仅适合日 本 我们的燃气系统也适用 二 燃气管道泄漏的侦测方法二 燃气管道泄漏的侦测方法 地下燃气管道的大量泄漏 很容易侦测 因为管道泄漏点 周围有明显的物理特征 如空气中有一定量的燃气成分 或有 明显的气味和响声等 使用一般的检测仪器 甚至靠感官就可 以发现泄漏位置 然而少量甚至微量的地下燃气管道泄漏 则 还很难侦测 日本伊藤工机和矢崎两家公司合作研发了一种方 法和相关的设备 比较好地解决了小流量泄露的侦测问题 这种方法基于以下原理 1 假如我们知道某一供气区域上的用户都停止了用气 而我们又侦测出给该区域的供气管道上的燃气流量不为零 那 我们就可以断定燃气管道产生了泄露 2 一个特定区域上的燃气用量是随机变化的 一天当中 有高峰时段 有低峰时段 还有的时段流量可能为零 比如深夜 供气区域越大 户数越多 一天当中出现零流量时段的机会越小 反之越大 但在一段较长的时间 例如一个月 如果一个供气区 域管道没有泄露 则出现零流量的机会是很大的 3 假如我们能够知道 一个供气区域 在一个周期内 如 一个月 出现供气流量为零的次数 那么我们就可以在不停止 供气的条件下 对地下管网泄漏情况作出判断 当流量为零的 次数不为零 则可以断定该管网当前没有泄漏 反之有泄漏的 可能 以上原理给我们一个启示 只要能够给出一个可以接受的 周期 允许在这个周期内来判断某个供气区域的管网是否有泄 漏 而不是马上 那么 就可能通过侦测供气管道零流量的方法 来判断地下管道的泄漏情况 运用这个原理 日本已经实现了管道泄漏的自动监测 伊 藤工机制造出了专用设备 它的工作原理介绍如下 这个装置与区域燃气调压箱装在一起 如图 7 所示 在调 压箱的主调压器管路上并联一个辅助管道 辅助管道上装有一 个很小的子调压器 和一个具有自动记录功能的泄漏检测装置 泄漏监测装置的核心部件是一个流量计 监测流经子调压器的 燃气流量 子调压器的额定流量与主调压器相比非常小 但子 调压器的设定压力要高于主调压器一定值 在主调压器正常供 气流量下 子调压器对主管路的供气压力和流量的影响完全可 以忽略 但是当供气流量很小 以致主调压器接近关闭时 总流 量小到进入了子调压器的额定流量范围 子调压器的输出压力 高 会迫使主调压器关闭 这时管网的全部供气实际上已经由 子调压器来承担 也就是监测装置的流量计检测到的流量是全 部的供气流量 因此 监测装置侦测和记录辅助管道上的零流 量 就是管网的零流量 这种方法 能够准确可靠地捕捉到供 气的零流量状态 这里的子调压器和监测装置都是专门设计制造的 泄漏监 测装置内由四部分组成 主要部分是监测传感器 包括一个流 量计 和一个压差传感器 其次是一个智能装置 就是一个微 电脑 第三是一个电磁阀 再就是显示和报警部分 流量计是 关键部件 监测流过子调压器的流量 压差传感器用于监测主 调压器与子调压器输出压力之差 是判断泄漏的辅助部件 微 电脑用于记录数据并作出判断 输出监测信息 电磁阀有微电 脑控制 可切断子调压器的通路 进行功能试验 或在不需要 的时段关闭监测气路 延长监测装置的使用寿命和可靠性 使 用过程大概是这样 装置被设置并启动以后 每隔一定周期 一 般是一个月 技术人员到现场 当然也可以借助通讯网络 读出 显示和报警情况 判断管道是否有泄漏 然后进行复位操作 进入下一个监测周期 当然这只是基本原理 为了提高设备的可靠性 和监测的 准确性 它还有一些附加功能 具体特点和使用细节 这里不 再介绍 有兴趣可以去找厂家的资料 与传统的地下管道检漏方法相比 这种方法的工作效率和 准确性大为提高 目前我们采用的方法是 按一定周期 通过 人工或检漏机械 在埋设地下管道的地面上方 或打探孔 监测 空气中的燃气含量 来判定管道是否泄漏 问题是检查之前检 查人员并不知道所检查区域地下管道是否有泄漏 检查带有很 大的盲目性 如果采用上面所介绍的方法 则是首先定期对各 个供气区域进行漏气的判断 通过设在调压箱的设备 然后只对 已经发现或怀疑漏气的区域进行地面捡漏 用传统方法 直至找 到泄漏点的位置为止 值得重视的是 它明显的改进在于 查 找地下管道泄漏位置之前 检查人员是知道该区域地下管道有 漏点地 是有的放矢 显然 这样可以减少大量的无效劳动 能够准确及时地发现管道泄漏 集中人力加快寻找特定区域内 的漏点 既能节省管理成本 又能提高管网的安全管理水平 其实在这个原理之下 可以有多种方法实现管道泄漏的侦 测 作为例子 在这里我们设计一个简单的 靠人工而不是用 专门设备的侦测方法 在一个供气区域的调压站上 在每天的 用气最低峰 如凌晨 3 00 前后 把总阀门关闭一段时间 如 1 小 时 然后通过压力表观察和记录这段时间管网压力的下降值 经过一段时间后 如一个月 我们对这些观察记录的结果进行分 析 就可以对该区域的管道是否有泄漏做出判断 当然 这个 例子只是进一步阐明原理 不是提倡 土法 三 结束语三 结束语 九十年代开始 在我国涌现的管道液化气发展大潮