淺析燃?xì)庹{(diào)壓設(shè)備供氣系統(tǒng)不間斷性設(shè)計(jì)
燃?xì)庹{(diào)壓設(shè)備是城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的重要設(shè)施之一。隨著各類用戶對(duì)用氣質(zhì)量的要求不斷提高，燃?xì)庹{(diào)壓器更加安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行將成為燃?xì)獍踩こ讨兄匾n題之一。如何保證供氣的連續(xù)性，既是燃?xì)馄髽I(yè)效益連續(xù)性的保證，也是燃?xì)夤⿷?yīng)方在簽署了供氣合同后履行合同的義務(wù)和職責(zé)，對(duì)一些供氣要求較高的用戶（尤其是工業(yè)企業(yè)）來說，短時(shí)間的停氣將會(huì)給用戶帶來巨大的損失，會(huì)給供氣和用氣雙方帶來諸多矛盾甚至付諸法律。多數(shù)時(shí)候，我們只能依靠燃?xì)庹{(diào)壓設(shè)備自身的可靠性，缺乏主動(dòng)的對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓系統(tǒng)的針對(duì)性設(shè)計(jì)。
2 不間斷調(diào)壓供氣方案
一路完整的燃?xì)庹{(diào)壓器系統(tǒng)至少應(yīng)該由進(jìn)口截?cái)嚅y、緊急切斷閥、調(diào)壓器和出口截?cái)嚅y構(gòu)成。當(dāng)調(diào)壓器發(fā)生故障時(shí)，緊急切斷閥感應(yīng)到超壓或者失壓并做出切斷動(dòng)作，該路調(diào)壓系統(tǒng)停止工作。對(duì)于在生產(chǎn)中不允許停氣的用戶而言，這種供氣方式形式單一、風(fēng)險(xiǎn)高，很難實(shí)現(xiàn)無人值守。
不間斷調(diào)壓供氣應(yīng)具備以下要求：
（1）當(dāng)運(yùn)行路發(fā)生故障或下游用氣量突然增大，造成出口壓力過低時(shí)，備用路能在自動(dòng)不停氣的情況下補(bǔ)上運(yùn)作供氣；
（2）當(dāng)運(yùn)行路發(fā)生故障，若導(dǎo)致出口壓力上升，并令運(yùn)行路上的超壓切斷閥發(fā)生作用，將運(yùn)行路關(guān)上時(shí)，備用路能自動(dòng)投人(注：當(dāng)出口壓力上升時(shí)，備用路上的超壓切斷閥不可發(fā)生作用。)
（3）以上（1）及（2）的工序不可用電子或電力裝置或人手調(diào)控來實(shí)現(xiàn)，并必須在調(diào)壓站電力供應(yīng)中斷時(shí)仍能運(yùn)作。
目前，國(guó)內(nèi)外主要采用工作監(jiān)視調(diào)壓和一用一備兩種調(diào)壓流程來保證燃?xì)庹{(diào)壓系統(tǒng)的安全性，下面先就兩種方案展開比較和討論。
2.1 工作監(jiān)視調(diào)壓供氣系統(tǒng)
工作監(jiān)視調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)被普遍接受和認(rèn)同，并且被大量使用在一些關(guān)鍵的燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中。工作監(jiān)視調(diào)壓顧名思義即是由工作調(diào)壓器和監(jiān)視調(diào)壓器共同組成，監(jiān)視調(diào)壓器的位置位于工作調(diào)壓器上游、緊急切斷閥下游，它的出口壓力設(shè)定點(diǎn)高于工作調(diào)壓器的設(shè)定點(diǎn)，低于緊急切斷閥超壓切斷的設(shè)定點(diǎn)，當(dāng)調(diào)壓系統(tǒng)正常工作時(shí)，監(jiān)視調(diào)壓器因?yàn)樵O(shè)定值高于工作出口壓力，處于全開狀態(tài)，不妨礙工作調(diào)壓器正常工作；當(dāng)工作調(diào)壓器失效，下游壓力升高，并達(dá)到監(jiān)視調(diào)壓器的設(shè)定值時(shí)，監(jiān)視調(diào)壓器開始工作，保持下游壓力處于監(jiān)視調(diào)壓器的控制范圍當(dāng)中。工作監(jiān)視調(diào)壓系統(tǒng)如圖 1 。
工作監(jiān)視調(diào)壓的設(shè)計(jì)需要幾個(gè)有效的前提，一是調(diào)壓器的設(shè)計(jì)為 Fail Open結(jié)構(gòu)，即失效全開，只有工作調(diào)壓器失效全開，監(jiān)視調(diào)壓器才能夠發(fā)揮作用；其次，監(jiān)視調(diào)壓器必須處于監(jiān)視狀態(tài)，意味著它的出口壓力設(shè)計(jì)值必須高于工作調(diào)壓器的設(shè)定值，具體的設(shè)定值依據(jù)不同的調(diào)壓器性能有所不同，取決于調(diào)壓器的調(diào)壓精度和工作范圍；同時(shí)，下游用戶可以接受一定壓力范圍的波動(dòng)。另一方面，調(diào)壓器并非全通徑設(shè)備，即使是軸流式調(diào)壓器，也會(huì)在一定程度上阻礙流通的流量并帶來一定的壓損，所以在設(shè)計(jì)工作監(jiān)視調(diào)壓時(shí)，必須要考慮調(diào)壓器串聯(lián)所造成的流量損失和壓損增大問題。這就使得工作監(jiān)視調(diào)壓的設(shè)計(jì)并不適合于低壓差的調(diào)壓系統(tǒng)和下游用戶需要壓力波動(dòng)范圍極小的調(diào)壓系統(tǒng)。
目前，天然氣緊缺的情況時(shí)有發(fā)生，燃?xì)夤⿷?yīng)初期入口壓力往往較低，調(diào)壓系統(tǒng)在某種程度上起到的是穩(wěn)壓的作用，這個(gè)時(shí)候如果采用監(jiān)視工作調(diào)壓，由于調(diào)壓器的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，勢(shì)必在一定程度上犧牲流量和出口壓力。
2.2 一用一備供氣系統(tǒng)
為了防止單路供氣因?yàn)楣收匣蛘呔S護(hù)所造成的停氣，雙路供氣的結(jié)構(gòu)也越來越多的用來代替單路供氣和一用一旁通供氣結(jié)構(gòu)，備用路采用與工作路完全相同的設(shè)計(jì)，包括了過濾器、截?cái)嚅y（球閥或者蝶閥）、緊急切斷閥以及調(diào)壓器。備用路的安裝位置與工作路并聯(lián)，共用同一個(gè)人口和同一個(gè)出口，其并聯(lián)既可以通過彎頭三通來實(shí)現(xiàn)，也可以通過匯氣管插管來實(shí)現(xiàn)。備用路雖然用以備用，但并不意味著備用路的前后截?cái)嚅y處于關(guān)閉狀態(tài)，相反，備用路同工作路一樣，前后截?cái)嚅y均一直處于全開狀態(tài)，這樣做的目的是使備用路在工作路故障切斷時(shí)可以自動(dòng)的不借助任何外力進(jìn)人工作狀態(tài)。正如監(jiān)視調(diào)壓器的設(shè)定點(diǎn)高于工作調(diào)壓器設(shè)定點(diǎn)時(shí)，監(jiān)視調(diào)壓器處于全開狀態(tài)，相反，通過將備用路調(diào)壓器的設(shè)定值設(shè)定為低于工作路調(diào)壓器，備用路調(diào)壓器在正常工作即可處于關(guān)閉狀態(tài)。即使備用路的前后截?cái)嚅y處于全開狀態(tài)，但是調(diào)壓器起到了截?cái)嘧饔茫瑐溆寐凡粫?huì)有氣體流通。
此類調(diào)壓系統(tǒng)主要作用有以下幾點(diǎn)：
（1）當(dāng)其中一路進(jìn)行定期維護(hù)或維修時(shí)，可以由另一路完全擔(dān)負(fù)向下游供氣的任務(wù)，不會(huì)影響下游用戶連續(xù)用氣的需求；
（2）當(dāng)下游用戶用氣量突然增大，工作路單路供氣不能滿足下游用氣量要求時(shí)，下游壓力會(huì)隨之降低，備用路調(diào)壓器感應(yīng)到下游壓力低于自身設(shè)定值時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，雙路同時(shí)為下游供氣，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增路的功能。
（3）當(dāng)工作路調(diào)壓器故障全開時(shí)，上游高壓氣體快速流往下游，造成下游瞬間超高，當(dāng)壓力超過工作路切斷閥設(shè)定點(diǎn)時(shí)，工作路緊急切斷閥即切斷氣源，工作路停止向下游供氣；由于下游繼續(xù)用氣，當(dāng)下游壓力低于備用路調(diào)壓器設(shè)定值時(shí)，備用路調(diào)壓器會(huì)自動(dòng)啟用，整個(gè)用氣過程連續(xù)、不間斷。
似乎一用一備結(jié)構(gòu)的供氣方式已經(jīng)具備了完全自主的供氣、增路、補(bǔ)氣的功能，為維護(hù)提供充裕的時(shí)間。但是，仔細(xì)分析此系統(tǒng)備用路自動(dòng)啟動(dòng)的過程，我們?nèi)匀荒馨l(fā)現(xiàn)一個(gè)顯著的缺陷：由于并聯(lián)安裝，共用相同的出口，無論是工作路還是備用路的緊急切斷閥感應(yīng)口和調(diào)壓器感應(yīng)口位置，均處于調(diào)壓器相同的下游，由于工作路和備用路的下游截?cái)嚅y均處于全開狀態(tài)，當(dāng)下游壓力超過緊急切斷閥設(shè)定值時(shí)，工作路和備用路的緊急切斷閥都有可能做出超壓切斷的動(dòng)作，如果是這樣，即使是下游壓力下降到備用路調(diào)壓器的設(shè)定值，備用路因?yàn)榫o急切斷閥切斷了氣源，也無法擔(dān)負(fù)起自動(dòng)補(bǔ)氣的作用，一用一備結(jié)構(gòu)事實(shí)上形同虛設(shè)，不能發(fā)揮自動(dòng)供氣保證連續(xù)性的作用。
為了解決這種情形，通常我們選擇將備用路的緊急切斷閥切斷壓力設(shè)置得高于工作路。由于工作路故障，瞬間通過工作路涌向下游的氣體會(huì)使壓力突然升高，備用路的緊急切斷閥切斷壓力不僅是需要稍微高出工作路設(shè)定點(diǎn)，為了保證無論在什么情況下備用路都不會(huì)被誤切斷，其設(shè)定甚至高于下游安全放散閥的放散壓力，如此一來，備用路的緊急切斷閥又無法發(fā)揮自身安全緊急切斷的作用。
3 自動(dòng)選路調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通過對(duì)目前普遍采用的在工作監(jiān)視調(diào)壓系統(tǒng)和一用一備調(diào)壓系統(tǒng)中問題的分析，我們可在以上不間斷調(diào)壓供氣的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出調(diào)壓自動(dòng)選路系統(tǒng)。自動(dòng)選路系統(tǒng)是一用一備調(diào)壓結(jié)構(gòu)的升級(jí)系統(tǒng)，主要用于實(shí)現(xiàn)當(dāng)運(yùn)行路發(fā)生故障，令運(yùn)行路上的超壓切斷閥發(fā)生作用，將運(yùn)行路關(guān)上時(shí)，備用路能自動(dòng)投人運(yùn)行，并且出口壓力上升時(shí)，備用路上的超壓切斷閥不可發(fā)生作用，是對(duì)上述一用一備調(diào)壓系統(tǒng)缺陷的補(bǔ)充和完善。
自動(dòng)選路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是建立在一用一備調(diào)壓結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，還可以應(yīng)用于多路調(diào)壓的結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用在對(duì)供氣要求較高的場(chǎng)所，以保證供氣的連續(xù)不間斷性。對(duì)于單路調(diào)壓或者一用一旁通的調(diào)壓結(jié)構(gòu)，不存在備用路切斷閥誤切斷的問題。如上文所述，一用一備結(jié)構(gòu)由兩路完全相同設(shè)計(jì)的調(diào)壓路并聯(lián)構(gòu)成，工作路和備用路均由截?cái)嚅y、過濾器、緊急切斷閥、調(diào)壓器組成，自動(dòng)選路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不會(huì)改變這樣的結(jié)構(gòu)，所謂自動(dòng)選路系統(tǒng)，只是在一用一備調(diào)壓結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過增加自動(dòng)選路設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。
調(diào)壓自動(dòng)選路設(shè)計(jì)的靈感來自于軸流式調(diào)壓器的進(jìn)口壓力和控制壓在調(diào)壓器關(guān)閉時(shí)相等，在調(diào)壓器運(yùn)行時(shí)存在著壓差。自動(dòng)選路設(shè)計(jì)多數(shù)應(yīng)用于間接作用式調(diào)壓器，間接作用式調(diào)壓器是利用出口壓力變化，經(jīng)指揮器放大后來控制驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)調(diào)節(jié)元件運(yùn)動(dòng)的調(diào)壓器，軸流式調(diào)壓器便是間接作用式調(diào)壓器的一種。為了最簡(jiǎn)單的說明自動(dòng)選路的工作原理，我們?nèi)匀灰暂S流式調(diào)壓器為例來探討調(diào)壓系統(tǒng)自動(dòng)選路的應(yīng)用和實(shí)踐。自動(dòng)選路調(diào)壓系統(tǒng)如圖 2 所示。
軸流式調(diào)壓器的主要調(diào)壓原件為套環(huán)，當(dāng)調(diào)壓器處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，套環(huán)背面的控制壓力與人口壓力相等，迫使套環(huán)緊貼在人口柵欄上，關(guān)閉氣體的流通途徑；當(dāng)下游用氣時(shí)，由指揮器控制的控制壓力降低，人口壓力大于控制壓力，于是撐開套環(huán)形成流通途徑，向下游供氣。控制壓力的大小由指揮器感應(yīng)下游的用氣狀況自動(dòng)進(jìn)行控制，以保證下游壓力穩(wěn)定在我們的設(shè)定值要求之內(nèi)，但無論控制壓力如何變化，在調(diào)壓器運(yùn)行時(shí)，它都是小于人口壓力的。
利用這一特點(diǎn)，我們可以在緊急切斷閥的感應(yīng)管上加裝一個(gè)自動(dòng)選路指揮器（Stream Select Pi - lot ) ，這種指揮器的特點(diǎn)是雙層皮膜，感應(yīng)下游壓力的氣流從兩層皮膜中間的流孔流過，上下兩個(gè)皮膜室相互獨(dú)立，并且分別跟調(diào)壓閥的高壓側(cè)（人口壓力）和低壓側(cè)（控制壓力，即套環(huán)背面的壓力）相接，由它們之間的壓差來控制自動(dòng)選路指揮器流孔的開和關(guān)。選路指揮器的出口接緊急切斷感應(yīng)口，人口接調(diào)壓閥下游主管道感應(yīng)點(diǎn)。
對(duì)于備用路的調(diào)壓器，因?yàn)闆]有氣體流動(dòng)，故套環(huán)兩側(cè)壓力相等，即人口壓力與控制壓力相等，選路指揮器兩個(gè)皮膜室內(nèi)壓力亦相等，致相互抵消對(duì)選路指揮器內(nèi)閥盤與閥座施加的力量，經(jīng)過對(duì)選路指揮器的彈簧的設(shè)定，使閥盤與閥座處于關(guān)閉狀態(tài)，流孔不流通，使主管線的壓力訊號(hào)無法到達(dá)緊急切斷閥的感應(yīng)部件，因此，即使下游主管線處于超壓狀態(tài)，備用路的緊急切斷閥仍不會(huì)關(guān)閉。由于工作路調(diào)壓器處于運(yùn)行狀態(tài)，選路指揮器的流孔打開，緊急切斷閥可以感應(yīng)到下游壓力的變化，當(dāng)下游壓力超高時(shí)，便會(huì)做出緊急切斷的動(dòng)作。
所謂的調(diào)壓器自動(dòng)選路系統(tǒng)，其實(shí)就是由選路指揮器與調(diào)壓器配合構(gòu)成的，在組成上結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，由于自動(dòng)選路系統(tǒng)的存在，工作路和備用路安全截?cái)嚅y的切斷點(diǎn)不僅可以設(shè)定為相同值，即使工作路調(diào)壓器故障，造成下游壓力驟然升高，無論如何，備用路緊急切斷閥都因?yàn)闊o法感應(yīng)下游壓力的變化不會(huì)做出緊急切斷的動(dòng)作，只有當(dāng)下游繼續(xù)用氣，下游壓力降低至備用路開始啟動(dòng)進(jìn)行供氣，備用路的緊急切斷閥才能夠感應(yīng)到下游壓力的變化。
自動(dòng)選路的存在，對(duì)于我們實(shí)現(xiàn)調(diào)壓站無人值守有著非常重要的意義，是對(duì)一用一備結(jié)構(gòu)供氣的完善和補(bǔ)充，充分發(fā)揮了一用一備供氣結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)彌補(bǔ)了這種供氣結(jié)構(gòu)的不足之處。切斷閥緊急切斷以后，還可以遠(yuǎn)傳報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)選路設(shè)計(jì)將保證我們能夠獲得備用路的支持，為我們趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工作路的維護(hù)維修提供充裕的時(shí)間。
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