浅谈天然气调压器的性能

浅谈天然气调压器的性能

0天然气调压器及应用液化天然气（lkg）在全球能源市场上越来越受到重视[1.2]。天然气分输站和城市门站是衔接天然气输配管网和城市燃气管网的重要纽带,即从天然气输配管网经过天然气分输站调压后进入城市门站,在门站再次调压后输送到城市用户。在分输站和门站中天然气调压器一般分为两种:一种是电动式调压器;另为一种是自立式调压器。根据GB50251-1994输气管道工程设计规范第7.4条的规定,同时由于自立式调压器有无需外在力量、调压稳定、调压精度高等特点在天然气站场得到了大量应用。目前天然气站场调压器主要有德国RMG、美国EMERSON旗下的TATANINI(塔塔里尼)、日本ITOKOKI等,各种自立式调压器的调压原理基本相似,本文以力学平衡基本原理分析调压器的工作原理,同时讨论调压器可能发生的故障并分析故障产生原因。1皮膜fps分析多数自立式调压器由指挥器、稳定器和调压器主体三部分构成,不同之处是有的厂家将指挥器和稳定器固化到一个设备中,有的厂家分别制作了指挥器和稳定器两个设备然后同调压器主体部分再连接到一起。图1是指挥器和稳定器分开为两个部分的自立调压器的基本原理示意图,图2是调压器各部分结构示意图。在稳定器和指挥器部分分别有一个弹簧,弹簧生产的弹力和弹簧自身的弹性系数和弹簧的变形有关。在指挥器中可以通过外部的调整螺丝来改变弹簧的形变,在稳定器中弹簧的形变只受与弹簧相连的皮膜受力情况的影响。分别以稳定器、指挥器和调压器主体中的三个皮膜F1,F3,F4为研究对象,分别进行受力分析。FP2———下游压力;FP3———稳定压力;FP1———上游压力;FS2———弹簧S2的弹力;F′P2———下游调节后的压力;FP4———负载压力;FS4———弹簧S4的弹力。以上力的分析过程中单位均为N。由式(1)可知稳定压力FP3大小是由弹簧产生的弹力FS1和皮膜上下游的压力共同决定。稳定器产生的稳定压力大小由生产厂家设定,上游压力大于设定值时上游气体进入稳定器的通道自动关闭,保证下游压力稳定。通常,稳定器内装有过滤器,防止上游气体中的杂质进入指挥器流孔,并堵塞流孔,出现错误操作。由式(2)~(3)可知负载压力FP4的大小取决于皮膜F3两个面上压力的大小,一个是弹簧S2产生的弹力、稳定压力FP3和下游调节后的压力F′P2的合力;另一个力就是下游压力FP2。下游压力的任何变化都在指挥器内作用,因而改变了皮膜F3两个面上压力的平衡状态。当下游压力升高时,皮膜F3往上运动,负载压力略有升高,此时皮膜F4将向右移动,带着调节器的套筒也向右移动,阀门开启度降低,下游压力降低,最后使式(1)~(3)重新达到平衡。下游压力降低时皮膜F3往下运动,稳定压力进入指挥器,使负载压力增加,为了保证稳定压力大小不变,下游气体进入稳定器,在图2c中皮膜F4将向左移动,带着调压器的套筒也向左移动,阀门开启度增加,下游流量增加,下游压力上升,最后使式(1)~(3)重新达到平衡。根据式(1)~(3)可知道,弹簧S2可人为设定,即通过调整螺丝来改变弹簧的变形程度实现下游压力的设定。在设定下游压力过程中,下游阀不可完全关闭,必须降低压力时,应让少量气体流向下游管线或大气中,让出口端排气。在用扳手调整螺丝过程中动作必须缓慢,检查压力表直到所需数值出现。2压力计的影响因素2.1间断性果3横向当出口压力设置过低时,气体在阀芯与阀座闭合处的差压增大,当气体中含有杂质时会加速冲刷阀芯和阀座,降低阀芯和阀座密封性。当出口压力设定过高时,根据调压器的自立调压原理,皮膜F3向上运动,皮膜F4向右运动,阀芯与阀座闭合,此时上游会产生一个憋压,下游压力下降后,又会引起皮膜F3向下运动,皮膜F4向左运动,直到调压器的各个皮膜上的力达到平衡。在平衡过程中,阀芯来回运动,人为地增加了气体不规则冲刷阀芯和阀座动作次数,加重了对阀座和阀芯的伤害。这种现象在经常间断性供气情况下较为明显,当上下游压差不大的情况下,如天然气分输站调压阀上游压力为6.2MPa,下游压力为3.5MPa时,打开供气阀,气流平稳,气体流动声音平缓,即在天然气分输站调压器正常调压范围内可以保证气流平缓供应;上下游压力过大时,如天然气调压阀上游压力为6.2MPa,下游调压阀压力为1.2MPa时,打开供气阀,气体流动声音很大,同时下游管道阀门发生轻微抖动,这是由于气体高速流过障碍物(阀芯)时产生气体分界层,在阀芯后出现大量的漩涡,激烈碰撞管道和下游阀门产生的现象。长期的间断性供气,且上下游压差过大,会造成阀门阀芯关闭不严,调压精度下降,甚至会出现安全事故。因此保证上下游压差在合理范围内是维护调压器正常工作的基本要求之一。2.2噪声的影响一般而言,调压器工作中会产生噪声,根据原理的不同可分为机械振动噪声、流体力学噪声和空气动力学噪声,这些噪声会对调压器产生不同的影响。2.2.1噪声产生原因机械振动噪声是机械类振动、固有频率振动和由阀芯振荡性位移引起流体的压力波而产生的噪声。这类噪声产生的原因与调压器的设计、零部件材料、管材材料、设备加工工艺、装备质量有关。实际作业过程中要防止天然气通过调压器和下游管道产生的噪声频率和调压器固有的频率相同而发生共振,防止共振发生的一个重要途径就要使调压器在合理的调压范围工作,防止上下游压力频繁波动。2.2.2数值特别陡的峰值频率天然气通过调压器的减压部位时,调压器的出口管径变粗,天然气的压力下降,同时天然气部分机械能转化为动力学噪声,这种噪声主要是由于天然气经过调压器后流速突然急剧加速,冲刷调压器的阀芯和调压器出口扩径部分形成的大量湍流漩涡,在调压器噪声中占的比例很高。这类噪声的频率一般在1000~8000Hz间,一般没有特别陡的峰值频率。空气动力学噪声不能完全被消除,但是可以采取一定的技术措施降低。高压天然气通过调压器时的规律符合高压阻塞喷注的湍流噪声,根据马大猷研究喷注噪声的规律和小孔消音器作用的关系,可以采用小孔消声的原理对调压器内产生空气动力学噪声进行降噪。以特瑞斯能源装备有限公司的调压器内消音设备为例说明,见图3~4。图3为调压器内置消音器结构剖面图,图4为调压器内置消音器的实物图,该消音设备采用小孔消音的原理进行降噪。天然气从调压器进入下游管道时,经常会有一个管径扩大段,气体在这个阶段压力降低且不稳定,同时产生大量的湍流漩涡。结合节流降压和小孔消声的原理,采用多级孔板串联,把原来一次的突变降压分成多次小的渐变降压,实现消音效果。以特瑞斯能源装备有限公司的PLSILII型消音设备为例说明,见图5~6。图5为调压器实物外形图,图6为调压器加装消声器的结构剖面图。该消音设备采用的是多级节流降噪和小孔降噪相结合的原理进行降噪消音。2.2.3高压回收系统存在的噪声管道噪声是天然气经过调压器后形成大量湍流运动,出现了流体逆流运动的趋势,使部分流体在经过调压器扩口段后仍做不停的、剧烈的漩涡运动,这些漩涡与势流、管壁以及漩涡自身之间的相互作用造成漩涡振动,并产生激烈的噪声。图7是李再承等作的高速流体经过阀芯形成的漩涡实验的效果图。因此,在高压天然气气体通过调压器后降低漩涡产生的管道噪声是维护调压器及管道正常工作的重要途径。借鉴工程中管道降噪的方法,针对调压器下游管道中漩涡产生的噪声可从降低管路系统工作雷诺数方面出发,增加调压器下游管道的管径,降低流速从而实现降低下游管路雷诺数的目的;在调压器下游加弹性材料,吸收湍流脉动噪声和冲击管壁噪声产生能量损失,实现降噪;在调压器下游安装盘装筛网,使大漩涡分化,弱化大漩涡能量,实现降噪的目的。最后还可以使用微孔消音器实现降噪的目的。2.3调压器温度设定天然气经过节流降压后产生的降温现象即节流效应,也称焦耳—汤姆逊效应,气体在绝热过程中发生的温度变化用焦耳—汤姆逊系数来表示,其物理意义为单位压力下降的温度变化值。天然气一般经过高压天然气管网(压力一般在5~10MPa)经过天然气分输站调压后(一般调压后的数值在3~4.0MPa)送往城市门站,城市门站经过再次调压后(城市燃气次中压管道A:0.005MPa<P≤0.2MPa;城市燃气中压管道B:0.2MPa<P≤0.4MPa)送往城市居民用户。不管是天然气分输站的高中压调压,还是城市门站的中低压调压,调压过程中均会出现一定程度的温降。在天然气降温过程中是否会结冰或产生水化物进而影响管输与天然气中含水量有关,即在该压力与温度条件下是否有冷凝水或游离水存在,即天然气调压降温后的温度是否低于管输天然气在该压力下的水露点。根据气源资料,西气东输天然气在正常情况下,4.0MPa时水露点为-12℃。按其含水量计算在0.1MPa下的水露点为-36℃,在0.4MPa下水露点为-23℃。天然气经过调压器后的温度可以用式(4)进行粗略的估算:式中T1,T2———天然气经过调压器后的天然气温度,K;α———为修正系数,一般取0.8~0.9;k———绝热指数,一般天然气取1.2~1.4。由式(4)可知,天然气的出口温度取决于天然气的进出口压力比和天然气的进口温度,天然气进出口压力比越高,压降越厉害。以中海福建天然气分输站2009年1月和杭州市北门站2008年1月的天然气运行数据进行说明,见表1。从表1可以发现,门站的压降比比分输站压降比低,从而温度降低越厉害。根据焦耳—汤姆逊公式,相同压力下,节流系数随温度降低而升高,说明气体温度越低,节流后温度降低越大。在门站由于进口温度低,所以在相同的压降比下,温度降低会更厉害。同时气体温度节流系数随压力降低而升高,说明压力越低,节流后温度降低越低。由于压力越低,温度越低,节流系数越大,温度降越大。因此,为保证气体温度不低于水的露点,应根据当地气温条件,确定是否在分输站或城市门站加设加热炉等加热设备。同时,要避免在分输站输出压力接近城市门站的输出压力,如当城市门站在停气过程中错误操作使其调压设备的进口压力和出口压力相等,从而导致在分输站出站阀门处的压力等于城市门站的出口压力,当分输站阀门打开瞬间使调压器的出口压力忽然下降,引起温度急剧降低。在气温较低情况下,极有可能形成水化物,损坏调压设备。3影响调压器性能的因素a)调压器工作过程中能够有效防止下游压力的波动,但不能防止上游压力波动,当调压器检修或间歇性供气过程中,应防止上游压力忽然增加,产生巨大的涡流和压差形成对调压器和管道的损害。b)上下游压差是影响调压器寿命的关键因素,其他影响因素如噪声、节流效应都和上下游压差有直接的联系,控制上下游差在合理范围内,是保证调压器长时