1、7/19/2020,1,true ability gas equipment co., ltd.,燃氣調壓器工作原理及性能要求 fundamental principles & functional requirements of gas pressure regulators by ni weiping,7/19/2020,2,目錄, 概述 調壓器基本原理 調壓器主要元件 調壓器受力分析 調壓器技術特性及其影響因素 調壓器型式與分類 調壓器標準與技術特性指標 調壓器流量計算,在此我們將討論,7/19/2020,3,概述,調壓器的定義,調壓器是一種無論氣體的流量和上游壓力如何變化，都能保持下游

2、壓力穩(wěn)定的裝置。 調壓器應能夠： 1、將上游壓力減低到一個穩(wěn)定的下游壓力； 2、當調壓器發(fā)生故障時應能夠限制下游壓力在安全范圍內。,為什么需要調壓器,理想的燃氣供應系統(tǒng)將氣體從井口輸送到最終用戶不需要調壓器； 這樣的理想供應系統(tǒng)得以維持的條件是用戶需求恒定，礦井的供給能力恒定，同時兩者之間是一致的； 這樣的系統(tǒng)實際上不可能存在，為此，相應的裝置-調壓器-應運而生。,調壓器的功用,調壓器最大的功用是保持燃氣在使用時有穩(wěn)定的壓力，從而保證燃氣用具得到穩(wěn)定的燃空比（燃氣與空氣的配合比例）；燃氣供應系統(tǒng)中使用調壓器將氣體壓力降低并穩(wěn)定在一個能夠使氣體得到安全、經濟和高效利用的適當水平上。,7/19/2

3、020,4,調壓器基本原理,調壓器的功用是當入口氣體壓力和流過的氣體流量發(fā)生變化時，保持出口壓力的穩(wěn)定。,調壓器,入口壓力,出口壓力,不斷變化的氣體消耗量,不斷變化的管網壓力,7/19/2020,5,調壓器基本原理,直接作用式調壓器,調壓器的設計取決于對其技術特性的定義，通常要考慮到以下特性： 壓降及導致壓降的原因 盲區(qū)或調壓器如何關閉 臨界流量及其與調壓氣供氣能力的關系 動作方式及其與調壓精度的關系,7/19/2020,6,調壓器的五個基本元件,負載元件（彈簧或指揮器）,感應元件（皮膜）,作用元件（閥瓣/閥口）,圍護元件（閥體）,信號元件（連接下游管道的信號管）,閥塞,橡膠軟閥座,調壓器基本

4、原理 直接作用式調壓器,7/19/2020,7,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,作用元件 （閥瓣 / 閥口）,作用元件（閥瓣/閥口）在感應元件的驅動下，對氣體給出可變的約束。閥口的開度基于調壓器下游燃氣的需求量，當下游有用氣需求時，閥口打開；當下游用氣需求為零時，閥口關閉。 主閥桿的動作頻率取決于閥口的開/關頻率。 作用元件要求具有長期的穩(wěn)定性能、密封性能和可靠的質量。,7/19/2020,8,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,感應元件 （皮膜）,感應元件（皮膜）用以測量下游工況壓力與要求的壓力之間的差異，感應元件的任何變動度將導致作用元件產生相應的動作。 感應元件是動態(tài)元件，要求具有長期的

5、穩(wěn)定性能、密封性能和一定的機械強度。,7/19/2020,9,負載元件 （彈簧或指揮器）,負載元件決定要求的下游壓力。感應元件（皮膜）持續(xù)比較負載元件給出的調節(jié)力和經信號管傳遞來的下游壓力，從而將得出的動作指令（打開或關閉）傳遞給作用元件閥瓣，經一定周期的動態(tài)過程，兩者趨向協(xié)調，閥瓣趨向穩(wěn)定。 負載元件是動態(tài)元件，要求具有長期的穩(wěn)定性能、抗腐蝕性能和可靠的質量。,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,weight,7/19/2020,10,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,圍護元件 （閥體）,圍護元件形成調壓器的封閉的空間。圍護結構的主要作用是： - 與管道的物理連接物； - 對作用元件的機械保護

6、； - 對其它功能元件和附件的機械支撐。 圍護元件是靜態(tài)元件，要求具有長期的穩(wěn)定性能和抗腐蝕性能。,7/19/2020,11,調壓器的受力平衡（直接作用式調壓器）,向下的力和向上的力的處于平衡狀態(tài)的要求 - 燃氣需求量的變化決定下游管網壓力的變化 - 向上的力的增大或減小 - 閥口開度的變化,+,+,向下的作用力： 彈簧力 + 入口壓力x閥口截面積,連接到下游管道的信號管,向上的作用力： 出口壓力x皮膜截面積 + 出口壓力x閥口截面積,+,=,調壓器基本原理,7/19/2020,12,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,調壓器力平衡分析,pe = 100 psig,pa = 10 psig,皮膜

7、面積 = 10 in2,fd = (p2)(ad) = (10 psig)(10 in2) = 100 lb,100 lb,fw=100lb fd=100lb,調壓器皮膜的受力處于平衡狀態(tài),皮膜,7/19/2020,13,pe = 100 psig,pa = 9 psig,皮膜面積 = 10 in2,fd = (p2)(ad) = (9 psig)(10 in2) = 90 lb,100 lb,fw=100lb fd=90lb,調壓器力平衡分析,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,調壓器皮膜的受力平衡被打破，下游需求增大，壓力下降。,固定的重量會導致鐘擺,皮膜,7/19/2020,14,調壓器基

8、本原理 直接作用式調壓器,pe = 100 psig,pa = 10 psig,皮膜面積 = 10 in2,調節(jié)彈簧有利于消除鐘擺，盡快達成新的平衡,與大氣連通,調壓器力平衡分析,7/19/2020,15,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,調壓器力平衡分析,fd = (10 psig)(10 in2) = 100 lb k = 彈性系數 = 使彈簧的高度壓縮或拉升1inch所需要的力,fs = (k)(x) fd = (p2)(ad),皮膜,皮膜,7/19/2020,16,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,調壓器力平衡分析,fd = (10 psig)(10 in2) = 100 lb fs

9、= (100 lb/in)(x) = 100 lb x = 1 inch 壓縮量,fs = (k)(x) fd = (p2)(ad),fs = fd (若皮膜不移動),皮膜,皮膜,7/19/2020,17,pe = 100 psig,q = 50 scfh,pa = 10 psig,1 inches,fs = 100 lb,fd = 100 lb,調壓器力平衡分析,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,7/19/2020,18,調壓器力平衡分析,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,fd = (9 psig)(102) = 90 lb fs = (100 lb/in)(x) = 90 lb k = .

10、9 inch 壓縮量 彈簧高度回復量 = 1-.9 = .1 inch 因此皮膜向下移動 .1 inch,fs = (k)(x) fd = (p2)(ad),fs = fd,7/19/2020,19,調壓器力平衡分析,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,pe = 100 psig,q = 200 scfh,pa = 9 psig,1 inches,fs = 90 lb,fd = 90 lb,.1,7/19/2020,20,調壓器壓力特性,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,p2 psig,流量 scfh,0 50,11 10 9 8,200,300,500,理想的壓力曲線,實際的壓力曲線,p1 =

11、 100 psig,理想的調壓器：出口壓力不隨流量的變化而改變,7/19/2020,21,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,調壓器壓力特性,fd = (10 psig)(10 in2) = 100 lb fs = (50 lb/in)(x) = 100 lb x = 2 inches 壓縮量,fs = (k)(x) fd = (p2)(ad),fs = fd,使用輕型彈簧,7/19/2020,22,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,調壓器壓力特性,使用輕型彈簧,pe = 100 psig,q = 50 scfh,pa = 10 psig,2 inches,fs = 100 lb,fd = 10

12、0 lb,7/19/2020,23,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,調壓器壓力特性,使用輕型彈簧,fd = (9 psig)(10in2) = 90 lb fs = (50 lb/in)(x) = 90 lb x = 1.8 inches 壓縮量 彈簧高度回復量 2-1.8 = .2 inch 因此皮膜向下移動 .2 inch,fs = (k)(x) fd = (p2)(ad),fs = fd,7/19/2020,24,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,pe = 100 psig,q = 300 scfh,pa = 9 psig,2 inches,fs = 90 lb,fd = 90 lb,

13、.2,調壓器壓力特性,使用輕型彈簧,7/19/2020,25,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,p2 psig,流量 scfh,0-50,11 10 9 8,200,300,500,理想的壓力曲線,p1 = 100 psig,400,使用輕型彈簧,適用重型彈簧,調壓器壓力特性,使用輕型彈簧,任何情況下，盡可能使用輕型彈簧。,7/19/2020,26,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,皮膜對壓降的影響,當 p2 降至 9 時 fd = p2 x a fd = 10 x 10 - 100 lb fd2=9 x 11 = 99 lb,彈簧的作用力僅改變 1 lb 因此閥口的移動量很小,fd2,fd1

14、,a = 11 in.2,a = 10 in.2,皮膜對壓降的影響,7/19/2020,27,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,調壓器關閉壓力,- 達成完全關閉的壓力； - 零流量時的壓力。,調壓器臨界流量,- 給定作用元件（閥瓣/閥口）的最大流量； - 取決于前端壓力pe和閥口尺寸。,7/19/2020,28,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,調壓器盲區(qū)及臨界流量,p2 psig,流量 scfh,50,11 10 9 8,500,理想的壓力曲線,實際的壓力曲線,p1 = 100 psig,0,盲區(qū),臨界流量,經驗：在滿足流量的前提下，盡可能使用小口徑閥口。,7/19/2020,29,調壓器基

15、本原理 直接作用式調壓器,壓力信號取樣點,pe = 100 psig,取壓點,p1 = 100 psig,流速 in,流速 out,vena contracta（靜脈曲張）,p2 = 10 psig,pa = 10 psig,7/19/2020,30,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,取壓點對壓力控制精度的影響,p2 psig,flow scfh,0-50,11 10 9 8,200,300,500,p1 = 100 psig,400,boost,no boost,理想的壓力曲線,7/19/2020,31,出口壓力范圍受限制 10% - 20% 的壓力偏移,+,最大出口壓力 最大的向上的作用力

16、能夠平衡掉由彈簧和入口壓力x閥口截面積產生的向下的作用力 ,彈簧的作用力受限于彈簧規(guī)格 . 同時，皮膜的直徑是不可變得 .,因此，直接作用是調壓器的出口設定壓力范圍是受限制的,向上的作用力： 出口壓力x皮膜截面積 + 出口壓力x閥口截面積,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,7/19/2020,32,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,正作用式,7/19/2020,33,調壓器基本原理 直接作用式調壓器,反作用式,7/19/2020,34,調壓器基本原理 直接作用式調壓器, 優(yōu)點 - 結構簡單 - 響應速度快 - 成本低, 缺點 - 調壓精度較低 - 壓力控制范圍窄 - 流通能力較小 - 由于受皮

17、膜尺寸的限制，難以做到大規(guī)格的閥體, 應用 - 小型區(qū)域壓力調節(jié) - 工商業(yè)及公福用戶壓力調節(jié) - 直燃設備 - 工礦企業(yè),7/19/2020,35,調壓器基本原理,指揮器作用式調壓器,調壓器的設計取決于對其技術特性的定義，通常要考慮到以下特性： 調壓精度 流通能力 盲區(qū) 響應速度 成本,7/19/2020,36,調壓器的受力平衡（指揮器作用式調壓器）,+,+,+,=,連接到下游管道的信號管,調節(jié)壓力來自於指揮器,向下的作用力： 調節(jié)壓力x皮膜截面積 + 入口壓力x閥口截面積,向上的作用力： 出口壓力x皮膜截面積 + 出口壓力x閥口截面積,向下的力和向上的力的處于平衡狀態(tài)的要求 - 燃氣需求量

18、的變化決定下游管網壓力的變化 - 向上的力的增大或減小 - 閥口開度的變化,調壓器基本原理 指揮器作用式調壓器,7/19/2020,37,調壓器基本原理 指揮器作用式調壓器,pe,pa,大氣排氣型,7/19/2020,38,調壓器基本原理 指揮器作用式調壓器,大氣排氣型, 優(yōu)點 - 壓力控制精度高 - 出口壓力范圍大 - 流通能力大, 缺點 - 對外排氣比較危險 - 對外排氣有浪費 - 成本高,7/19/2020,39,調壓器基本原理 指揮器作用式調壓器,下游排氣型,p1,7/19/2020,40,調壓器基本原理 指揮器作用式調壓器,下游排氣 雙作用式,7/19/2020,41,調壓器基本原理

19、 指揮器作用式調壓器,下游排氣型, 優(yōu)點 - 壓力控制精度高 - 出口壓力范圍大 - 流通能力大, 缺點 - 響應速度慢 - 成本高,7/19/2020,42,調壓器基本原理 指揮器作用式調壓器,下游排氣 軸流式（iga）,7/19/2020,43, 優(yōu)點 - 很高的調壓精度 - 很寬的壓力控制范圍 - 流通能力大 - 能夠做到較大的閥體尺寸 - 比壓力調節(jié)閥便宜, 缺點 - 響應速度慢 - 成本高, 應用 - 地區(qū)型分輸壓力調節(jié) - 城市門站 - 燃氣透平 - 大型直燃設備 - 大型工礦企業(yè),調壓器基本原理 指揮器作用式調壓器,7/19/2020,44,調壓器基本特性與相關標準,標準 精度

20、壓力控制與流通特性,7/19/2020,45,調壓器基本特性與相關標準,基礎標準,歐洲 en 334,法國 gaz de france approval 德國 dvgw approval (din 3380/3381) 荷蘭 gasunie approval 意大利 snam/italgas (uni-cig) 英國 british gas approval bs 西班牙 gas natural approval (une 60402/60403),調壓器沒有通用的國際標準 本地客戶的要求、相競爭的產品、本地標準以及本地的法規(guī)要求均可以作為調壓器的設計條件。,中國 gb 16802,7/19/

21、2020,46,調壓器基本特性與相關標準,主要定義及符號,pe = 入口壓力 (1 bar = 105 pascal = 14,5 psig ) pa = 出口壓力 標準狀況 = 絕對壓力為 1,01325 bar 且 t = 15c （歐洲或北美） 或 t = 20c （中國） q = 流量范圍 (1 m/h = 35,1 scfh) pas = 出口壓力設定值 pf = 關閉壓力。流量q=0時的壓力 wh = 彈簧的可設定壓力范圍 wa = 調壓器的可設定壓力范圍 rg(ac) = 精度等級，最大的出口壓力波動許可范圍 sg = 關閉壓力精度等級， pf 與 pas之間許可的最大壓差 sz

22、 = 關閉壓力等級范圍，qmin/qmax 時的sg的% kg/cg = 流量特性,7/19/2020,47,調壓器基本特性與相關標準,壓力范圍與等級,class pzul (bar)classpzul (bar),pn 1616 ansi 15019,2 pn 2525 ansi 30051 pn 4040 ansi 600 102 pn 6464 pn 100 100 pzul = 最大允許工作壓力 (入口壓力),7/19/2020,48,調壓器基本特性與相關標準,調壓精度,0,pas,流量范圍,出口壓力,理想的調壓器能夠滿足不管入口壓力如何變化，當流量從 0 增加到 時，均能保持出口壓力的穩(wěn)定。,7/19/2020,49,調壓器基本特性與相關標準,285,315,pas=300,pf =330,pa in mbar,qmin = 10% of qmax,ac5,ac5,sg10,qmax,q in m/h,臨界點,sz,調壓精度,7/19/2020,50,調壓器基本特性與相關標準,調壓精度等級 rg(#),class允許的壓力偏移 設定壓力的%,rg 1 1 % (*) rg 2,5 2,5 % (*) rg 5 5