翟 軍， 李昊民， 胡 敬， 岳 明， 陳 浩

(1.國家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，天津300384；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司城市燃?xì)鉄崃ρ芯吭海旖?00384)

1 內(nèi)取壓調(diào)壓器存在的問題

內(nèi)取壓調(diào)壓器由于結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、使用安全等優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用到城鎮(zhèn)燃?xì)庀到y(tǒng)。內(nèi)取壓調(diào)壓器作用原理見圖1。

圖1 內(nèi)取壓調(diào)壓器作用原理

評價一個調(diào)壓器的性能通常是在一定的流量范圍內(nèi)看調(diào)壓器是否能將出口壓力控制穩(wěn)定。調(diào)壓器靜特性曲線是在調(diào)壓器穩(wěn)定工作時，調(diào)壓器出口壓力隨流量變化的曲線，反映了調(diào)壓器的性能。本文提到的流量是折算成在絕對壓力為101.325 kPa，溫度為0 ℃的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量，用q表示。理想調(diào)壓器的靜特性曲線在一定流量范圍內(nèi)，是一條水平線，即調(diào)壓器出口壓力不隨流量發(fā)生變化。而內(nèi)取壓調(diào)壓器靜特性曲線跟理想調(diào)壓器相比，往往會發(fā)生上翹，即調(diào)壓器出口壓力會隨流量增大而升高，導(dǎo)致出口壓力超壓，影響后端燃?xì)庠O(shè)備的安全和燃燒設(shè)備的使用[1]。

根據(jù)GB 27790—2011《城鎮(zhèn)燃?xì)庹{(diào)壓器》(以下簡稱GB 27790—2011)，調(diào)壓器出口壓力的測試為在管道側(cè)壁取壓，取壓斷面與氣體流動方向平行，故調(diào)壓器出口壓力為靜壓值。但是傳統(tǒng)的內(nèi)取壓信號管的取壓斷面與氣體流動方向垂直(見圖1)，其取到的壓力并不是靜壓值。兩者存在取壓偏差，取壓偏差Δp見式(1)。

Δp=p2-p3

(1)

式中 Δp——取壓偏差，kPa

p2——調(diào)壓器出口壓力，kPa

p3——調(diào)壓器信號管采集壓力，kPa

文獻(xiàn)[2]認(rèn)為，信號管采集的壓力p3，為調(diào)壓器出口壓力p2減去動壓。文獻(xiàn)[3-4]認(rèn)為，信號管取到的壓力是一個與流體流速有關(guān)，且小于調(diào)壓器出口壓力p2的值，但是具體值并未給出。本文針對這一問題，研究調(diào)壓器出口壓力p2和取壓偏差Δp隨管內(nèi)氣體流量q的變化關(guān)系，為內(nèi)取壓調(diào)壓器的取壓改進(jìn)提供參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 實(shí)驗(yàn)調(diào)壓器的選擇

本文實(shí)驗(yàn)選取的待測內(nèi)取壓調(diào)壓器(以下簡稱調(diào)壓器)的設(shè)計入口壓力為0.10 ～0.40 MPa?？趶綖镈N 40 mm。出口壓力設(shè)定值為8 kPa。入口壓力為0.10 MPa時，流量范圍為20～200 m3/h。入口壓力為0.25 MPa時，流量范圍為20～700 m3/h。入口壓力為0.40 MPa時，流量范圍為20～800 m3/h。調(diào)壓精度等級是10。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成與測試原理

根據(jù)國標(biāo)GB 27790—2011第7.1節(jié)的要求，搭建實(shí)驗(yàn)臺。實(shí)驗(yàn)選取調(diào)壓器入口壓力p1為0.10 MPa、0.25 MPa、0.40 MPa的3個常見工況，在不同流量條件下，測試了調(diào)壓器出口壓力p2和調(diào)壓器信號管采集壓力p3的數(shù)據(jù)。調(diào)壓器性能測試系統(tǒng)見圖2。

圖2 調(diào)壓器性能測試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣。管道系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)空氣管道和控制空氣管道兩部分。管道系統(tǒng)中，高壓空氣從儲氣壓力為2.0 MPa的儲氣罐流出，進(jìn)入流量計，然后進(jìn)入一級控壓調(diào)壓器減壓。之后，對于被測調(diào)壓器入口壓力p1為0.40 MPa工況，打開旁通閥，高壓空氣直接進(jìn)入被測調(diào)壓器。對于被測調(diào)壓器入口壓力p1為0.10 MPa和0.25 MPa工況，關(guān)閉旁通閥，空氣經(jīng)二級控壓調(diào)壓器減壓，然后進(jìn)入被測調(diào)壓器。控制空氣從儲氣罐引出，進(jìn)入節(jié)流閥1和節(jié)流閥2，經(jīng)節(jié)流后分別進(jìn)入一級控壓調(diào)壓器和二級控壓調(diào)壓器，控制一級控壓調(diào)壓器和二級控壓調(diào)壓器的開度，從而實(shí)現(xiàn)被測調(diào)壓器的入口壓力控制。從被測調(diào)壓器出來的空氣經(jīng)過流量控制閥排到大氣。

2.3 實(shí)驗(yàn)測試步驟

① 打開儲氣罐出口的管道截止閥，使空氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)空氣管道。根據(jù)事先輸入的被測調(diào)壓器入口壓力設(shè)定值，選擇是否開啟旁通閥。根據(jù)采集到的被測調(diào)壓器進(jìn)口壓力p1，工控機(jī)控制節(jié)流閥1和節(jié)流閥2的開度，從而控制一、二級控壓調(diào)壓器的節(jié)流強(qiáng)度，維持被測調(diào)壓器進(jìn)口壓力p1的穩(wěn)定。待被測調(diào)壓器入口壓力穩(wěn)定至設(shè)定值后，開始實(shí)驗(yàn)。

② 通過工控機(jī)調(diào)節(jié)流量控制閥，改變實(shí)驗(yàn)管道空氣流量，逐步增大至最大實(shí)驗(yàn)流量。被測調(diào)壓器前后的壓力變送器分別采集調(diào)壓器進(jìn)出口壓力p1和p2，從調(diào)壓器下膜腔接出小管連接壓力變送器，測試信號管采集壓力p3。流量計根據(jù)附近的溫度變送器和壓力變送器采集到的數(shù)據(jù)，將流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量。待空氣流量q以及對應(yīng)流量下的被測調(diào)壓器出口壓力p2和調(diào)壓器信號管采集壓力p3都穩(wěn)定時，記錄這些數(shù)據(jù)。

③ 通過工控機(jī)使流量控制閥關(guān)閉。記錄零流量條件下，被測調(diào)壓器出口壓力p2和信號管采集壓力p3。

④ 改變被測調(diào)壓器入口壓力p1。重復(fù)步驟①～③。

按照上述步驟，依次對入口壓力p1分別為0.10 MPa、0.25 MPa、0.40 MPa這3種工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到3組不同入口壓力p1條件下空氣流量q以及對應(yīng)流量下的被測調(diào)壓器出口壓力p2和信號管采集壓力p3數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同入口壓力下p2和p3隨流量的變化

入口壓力p1=0.10 MPa下，p2和p3隨流量q的變化見圖3。

圖3 入口壓力p1 =0.10 MPa時，p2和p3隨流量q的變化

由圖3可以看出，在入口壓力p1=0.10 MPa時，調(diào)壓器出口壓力p2和信號管采集壓力p3都隨著流量q的增大而發(fā)生了不同程度的下降。調(diào)壓器出口壓力p2隨流量的增大而下降的速率沒有p3下降的速率快。隨著流量q的增大，取壓偏差Δp越來越大，這也符合之前許多學(xué)者分析的結(jié)果[2-4]。

由于內(nèi)取壓調(diào)壓器多為結(jié)構(gòu)簡單的直接作用式調(diào)壓器，調(diào)壓器的閥口開度增大時，彈簧的壓縮量減小，提供的壓力也減小，與其平衡的p3也會減小。這就是通過彈簧驅(qū)動調(diào)壓器工作時產(chǎn)生的彈簧效應(yīng)[5]。

入口壓力p1=0.25 MPa時p2和p3隨流量q的變化見圖4。

圖4 入口壓力p1 =0.25 MPa時，p2和p3隨流量q的變化

由圖4可以看出，在p1=0.25 MPa時，信號管采集壓力p3隨著流量q的增大而持續(xù)下降，這與p1=0.10 MPa時情況是一樣的，都是由于彈簧效應(yīng)。與p1=0.10 MPa時相比，隨著流量q的增大，p3下降得更慢。隨著流量q的增大，調(diào)壓器出口壓力p2先下降后上升。流量q從0增大到24 m3/h時，隨著流量q的增大，p2下降速度較快。流量q從24 m3/h增大到313 m3/h時，p2基本保持恒定。拐點(diǎn)出現(xiàn)在q=313 m3/h，此時p2=7.95 kPa。拐點(diǎn)之后，隨著流量q的增大，p2開始上升，且曲線越來越陡，直到達(dá)到最大流量1 660 m3/h。

入口壓力p1=0.40 MPa時，p2和p3隨流量q的變化見圖5。

圖5 入口壓力p1=0.40 MPa時，p2和p3隨流量q的變化

由圖5可以看出，在p1=0.40 MPa時，信號管采集壓力p3隨著流量q的增大而持續(xù)下降。與p1=0.10 MPa和0.25 MPa時相比，隨著流量q的增大，p3下降得更慢。隨著流量q的增大，調(diào)壓器出口壓力p2先下降后上升。流量q從0增大到254 m3/h時，隨著流量q的增大，p2保持下降。拐點(diǎn)出現(xiàn)在q=254 m3/h，此時p2=7.99 kPa。拐點(diǎn)之后，隨著流量q的增大，p2開始上升，且曲線越來越陡，直到達(dá)到最大流量2 560 m3/h。

3.2 不同入口壓力下取壓偏差隨流量的變化

依據(jù)圖3～5的數(shù)據(jù)，以q2作為橫坐標(biāo)，Δp作為縱坐標(biāo)，繪制擬合曲線圖，得到不同入口壓力p1條件下Δp隨q2的變化特性，見圖6。

圖6 不同入口壓力p1 下Δp隨q2的變化特性

圖6中，p1=0.10 MPa時，取壓偏差Δp隨q2的變化曲線與p1=0.25 MPa時很接近。各個擬合曲線最右端的點(diǎn)代表在不同入口壓力p1的條件下進(jìn)入臨界狀態(tài)的數(shù)據(jù)。由于調(diào)壓器最大流通能力隨入口壓力減小而減小，因此在較低入口壓力下，實(shí)驗(yàn)的工況點(diǎn)集中在流量較小區(qū)域。由圖6可以看出，取壓偏差Δp與q2關(guān)系的擬合曲線為過原點(diǎn)的直線。即取壓偏差Δp與q2成正比。我們針對不同型號、口徑分別為DN 40 mm、DN 50 mm、DN 80 mm的中-低壓內(nèi)取壓調(diào)壓器，在不同入口壓力下進(jìn)行了逾500組實(shí)驗(yàn)，均滿足取壓偏差Δp與q2成正比的規(guī)律，即滿足式(2)：

Δp=kq2

(2)

式中 Δp——取壓偏差，kPa

k——比例系數(shù),kPa·h2/m6

q——?dú)怏w流量，m3/h

根據(jù)圖3～5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算，p1=0.10 MPa時，k=5.48×10-6kPa·h2/m6；p1=0.25 MPa時，k=5.69×10-6kPa·h2/m6；p1=0.40 MPa時，k=6.82×10-6kPa·h2/m6。由此可見，比例系數(shù)k是一個與入口壓力p1有關(guān)的系數(shù)。隨著入口壓力p1的增高，比例系數(shù)k逐漸增大。隨著p1的增高，p1和p2的差越來越大，閥口的節(jié)流效果越來越強(qiáng),導(dǎo)致取壓管處擾動加強(qiáng)，使取壓更加不準(zhǔn)確，取壓偏差Δp更大，比例系數(shù)k增大。

4 結(jié)論

① 在入口壓力為0.1 MPa條件下，調(diào)壓器出口壓力隨流量增大而下降。在入口壓力為0.25 MPa和0.4 MPa條件下，隨流量增大，調(diào)壓器出口壓力先下降后上升。在各個入口壓力下，隨流量增大，調(diào)壓器信號管采集壓力均逐漸下降。

② 取壓偏差與流量的2次方的擬合曲線為過原點(diǎn)的直線，取壓偏差與流量的2次方成正比。隨著入口壓力的增高，比例系數(shù)逐漸增大。