基于控制燃气压力的调压器设计

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1、基于控制燃气压力的调压器设计第章绪论1.1课题的背景和意义（1）课题的背景众说周知, 随着我国燃气事业的发展，燃气调压器已经广泛使用于各个领域。调压器是稳定供气压力的重要设备，因而对其动态特性研究具有实际意义。随着人类社会的进步、经济活动的增强，能源紧张和环境污染问题日益明显。在这样的大形势下，发展以天然气为主要气种的燃气事业的重要地位越来越突出，我国己将天然气的开发和利用作为世纪初能源结构优化和石油工业产业升级的重点，随着西气东输工程的实施，连同开发海上石油天然气和利用。国外天然气，我国即将形成天然气的全国性系统。天然气将从西部、东北和海上源源不断地一直输送到经济较发达的东部及沿海地区。目前

2、我国已经建立起了相当规模的燃气输配管网，燃气管网在整个燃气工程中起着承上启下的作用，连接着气源和用户，构成整个燃气系统的技术框架。在长输管线和城市外环网，采用较高压力级制的燃气管道：城市市区内燃气输配管网采用较低压力级制的管道。无论采用哪种形式的燃气系统，保证供气压力稳定都是安全供应燃气最重要的指标之一。调压器是燃气输配系统中的关键设备，是安全供气的重要保障。当调压器的入口压力变化，或其出口用气量变化时，调压器能自动地控制出口压力，使之符合给定的压力值，并在规定的允许稳压精度范围内变化。但是在实际运行中，管网会产生各种各样的扰动，这些扰动会影响调压器的稳定性造成其出口压力的波动。如果出口压力波

3、动幅度较大，响应过程较长，超过调压器后燃气表和用气设备的耐压极限，可能导致火灾、中毒和其它事故，引起设备燃烧不正常，使用气设备的热效率降低，引起过多的不完全燃烧，致使燃烧产物中出现过多的一氧化碳等有害气体甚至造成断火、脱火、爆炸、中毒等事故。（2）课题的意义目前，世界上一些发达国家的调压器生产厂家有自己的专利和实验条件。而我国燃气调压器正面临着需求量大、设计制造研究少的局面，这与正在飞速发展的我国以及世界燃气大形势是极不相称的。加强燃气调压器的设计工作，对于发展我国燃气事业，节省投资，有着非常重要的意义. 稳定性能好的调压器在受到外界压力、流量扰动时能迅速地将出口压力稳定在允许的范围内。应用于

4、大型输配气管网及CNG、LNG燃气汽车发动机的调压器稳定性要求更高。加强燃气调压器的设计工作有利于我国燃气事业的发展。燃气调压器的国内外研究现状国内外对调压器的静态性能特性研究得较多，目前的调压器生产商提供的说明书中都附有调压器的静态特性曲线。这就要求我们加快研究速度使国内外快速接轨。1.2燃气设备国内外现状我国的燃气事业起步较西方发达国家晚，国内的很多燃气设备公司都是与国外公司合作，采用国外的调压器主体，根据国内用户的要求装配成套设备，对于调压器动态特性的研究比较少。但是，国内在航空航天领域中对流体传动系统的减压阀做的研究为本课题提供了一定的参考价值。因为减压阀在原理上和燃气调压器具有一定的

5、相似性，都是压力较高的气体经过节流变成低压。当气源压力、执行机构的负载或是下游流量发生变化的时候，都要求调节设备具有自动保持出口压力稳定在某个范围内的能力。国外的调压器的研发主要集中在几个大型的企业，主要有美国的费希尔（FISHER），意大利的塔塔里尼（TARTARINI），法国的斯伦贝谢（SCHILUMBERGER），此外法国燃气公司（GASDEFNCE）对燃气调压器的动态特性作了大量的研究工作。（）早在七十年代，美国的Lee飘FZ和BonnerJA就对气体调压器进行了动态分析和仿真，他们先用实验测试估计了一些主要参数以确保物理模型的精度，将一种调压器在一定的安装条件和运行条件下进行测试。同

6、时他们进行了数字仿真，但由于当时计算机发展水平的限制，他们对模型进行了大量的线性化处理。（）九十年代美国Fisher控制研究所的Earned，Wiiiiam H重点研究了引起调压器不稳定特性的诸多因素。他的研究成果重点不在用数学方法描述调压站的自动控制系统，而是根据实际设计、运行经验，分析了引起燃气输配系统中导致调压器出口压力波动的因素。（）北京航天动力研究所通过建立减压阀充填过程动态数学模型，进行非线性仿真计算，得出减压阀中各腔压力响应特性，进而用过渡时间及超调量分析减压阀的稳定性。（）法国燃气公司对燃气调压器进行动态模拟仿真。他们的研究中将调压器及其前后的管段、元件看作一个大的系统，然后分

7、成若干各个子系统分别建立模型。系统中的控制命令有：上游气体压力和温度，辅助调压器的弹簧设定，以及下游的阀门开度。研究中将整个调压器模型看成一个复杂的各个模型的有机综合：包括主调压器、辅助调压器、腔室、阀门等。然后运用软件ALLANSimulation进行计算。最终改善调压器的控制过程，即定义一个运行工况使得调压器在某个扰动下可以将出口压力维持在足够小的稳压精度范围内。1.3燃气调压器简介燃 气 调 压 器 是 液 化 石 油 气 安 全 燃 烧 的 一 个 重 要 部 件 ， 连 通 在 钢 瓶 和 炉 具之 间 调 压 器 不 仅 能 把 瓶 内 的 高 压 石 油 气 变 为 低 压 石

8、油 气 （ 从 980MPa 降 至100MPa 左 右 ） ， 还 能 把 低 压 气 ， 稳 定 在 适 合 炉 具 安 全 燃 烧 的 压 强 范 围 内 即做 到 经 它 输 出 的 石 油 气 ， 在 炉 具 火 孔 处 的 气 压 ， 随 地 随 时 地 比 外 界 大 气 压 值大 2940Pa 左 右 ， 因 此 实 际 上 调 压 器 是 一 种 自 动 稳 压 装 置 人 们 习 惯 地 把 它称 为 减 压 器 ， 是 只 注 意 到 了 它 降 压 的 功 能 ， 而 忽 视 了 它 稳 压 的 本 领 调 压 器整 个 设 计 之 巧 妙 精 细 ， 正 是 表 现

9、在 它 的 稳 压 本 领 方 面 .下 图 是 调 压 器 的 结 构图 ， 它 主 要 由 手 轮 、 进 气 管 、 上 阀 盖 、 下 阀 盖 、 橡 皮 膜 、 进 气 喷 嘴 、 阀 垫 、一 个 小 杠 杆 、 出 气 管 等 零 部 件 组 成 调 压 器 中 间 是 一 块 圆 形 的 橡 皮 膜 ， 它 把调 压 器 分 为 上 下 两 个 气 室 上 气 室 内 有 一 弹 簧 ， 上 端 连 着 调 节 螺 盖 ， 下 端 连着 橡 皮 膜 在 上 阀 盖 边 沿 处 有 一 个 直 径 为 0.8mm 的 小 孔 ， 使 上 气 室 与 外 界相 通 ， 此 孔 形

10、象 地 称 为 呼 吸 孔 下 气 室 中 有 一 个 精 黄 铜 制 成 的 杠 杆 ， 总 长 为5cm 左 右 ， 转 动 性 能 非 常 灵 敏 杠 杆 右 端 与 橡 皮 膜 中 心 连 接 在 一 起 ， 左 端 粘着 阀 垫 ， 紧 扣 在 进 气 喷 嘴 上 ， 对 喷 出 的 高 压 石 油 气 产 生 阻 尼 作 用 此 杠 杆 左右 两 端 离 支 点 距 离 为 左 短 右 长 ， 是 不 等 臂 杠 杆 其 表 现 特 点 为 ： 对 杠 杆 右 端作 用 力 的 微 小 变 化 ， 势 必 使 杠 杆 左 端 的 作 用 力 产 生 一 个 较 大 的 变 化 在

11、原 理上 讲 ， 实 现 了 对 力 的 放 大 ； 在 效 果 上 讲 ， 增 加 了 对 高 压 气 的 阻 尼 作 用 燃 气 调 压 器 工 作 原 理 图 ：1.4. 燃气调压器的性能要求及相关标准性能要求由于设计生产条件的制约，燃气调压器即使是在稳定工况下工作也会偏离设定值，在动态过渡过程中当负荷流量或进口压力发生变化时出口压力也会发生波动，这是不可避免的情况。设计制造调压器时应尽量满足以下性能要求：（）定压精度高。要求调压器输出压力波动小，即当输入压力、输出流量等因素发生变化时，其输出压力的静态偏差要足够小。（）动态稳定性好。当调压器的输入压力、输出流量等因素产生突变时，调压器必

12、须保持动态稳定性。响应时间要短，灵敏度要高，出口压力波动幅度要小。（）调压器的过流范围要大，能适应各种流量的工况。（）调压器在较大输入压力范围下，能保持输出压力的稳定。相关标准国内外的有关调压器的标准对其性能参数做出了相关的规定，相关的标准有国标的CJ2742008城镇燃气调压器.城镇燃气调压器规定了城镇燃气（人工煤气、天然气、液化石油气和液化石油气混空气等）输配系统用的燃气调压器（以下简称调压器）的术语和定义、分类和标记、结构与材料、技术要求、试验方法、检验规则、标志、标签、使用说明书以及包装、运输、储存等。1.5 本章小结本章介绍了课题的背景，简要介绍了调压器的种类和结构、相关标准、国内外

13、研究现状。第2章 燃气调压器的方案选择通常调压器分为直接作用式和间接作用式两种。直接作用式调压器依靠敏感元件（薄膜）所感受的出口压力的变化，移动调节阀门进行调节，敏感元件就是传动装置的受力元件。间接作用式调压器乎，燃气出口压力的变化使操纵机构（例如指挥器）动作，接通外部驱动装置使调节阀门移动。间接作用式的敏感元件和传动装置的受力元件是分开的。2.1直接作用式调压器1 直接作用式调压器工作原理图图 1直接作用式调压器（如上图 1），该调压器中调压弹簧作用的力直接作用在皮膜上,通过调节弹簧的压缩长度来调节出口压力。皮膜上腔是调压弹簧，下腔气压来自调压器出口端气压（P2），弹簧的作用力是通过下腔气压

14、（P2）来平衡的,当用户用气量增大时，出口压力下降，同时皮膜下腔内压力降低，由于调压弹簧的作用，皮膜向下移动，并通过阀杆带动阀瓣向下移动，使调压器阀口开度增大，出口压力增加，平衡弹簧的作用力，从而保证用气。当出口用气量减小时，其作用与上述过程相反；当出口停止用气时，阀瓣还处于打开状态，由于进出口压差的原因，出口端气压上升，皮膜下腔内压力增加，带动阀杆及阀瓣向上运动，直到阀瓣和阀口成关闭状态，此时，出口端气压保持稳定。进口气压（P1）分别作用在调压器的平衡皮膜和阀瓣上，P1 作用在两个相反的方向，从而消除进口气压的波动对出口压力的影响。平衡直接影响关闭性能，当进口气压向上的力小于向下的力时，关闭

15、压力增加；反之，则相反。直接作用式调压器的优点：结构简单，反应速度快，成本少。缺点；调压精度低，压力控制范围小，流通能力低。用于小型区域调节，公矿企业等。2.2 间接作用式调压器间接作用式调压器工作原理图 图 2间接作用式调压器，由指挥器和主阀两部份组成（如上图 2）。启动时调节指挥器控制弹簧，使指挥器阀口打开，P1 经该阀口节流降压成为负载压力 P3，P3 作用在大皮膜上，经顶杆传递使主弹簧压缩，主阀口被打开，输出气流 P2，同时 P2 又反作用在大皮膜和指挥器皮膜上使主阀口和指挥器阀口呈关闭趋势。调节指挥器控制弹簧，将 P2 调至设定值，此时 P2 和主弹簧作用在大皮膜上的力与 P3 作用

16、在其上的力处于平衡状态；以及 P2 和指挥器控制弹簧作用在指挥器皮膜上的力也处于平衡状态；P1 流进指挥器的气流量与经指挥器节流开关流出的气流量一致， 指挥器阀口、主阀口开度一定，输出 P2 稳定。当下游负载增大 P2 降低时，平衡被破坏，指挥器阀口、主阀口开度增大，流量增大，P2 升高到设定值，调压器又处于平衡状态；当下游压力 P2 升高时，其调压过程与之相反。间接作用式调压器优点：压力控制精度高，出口压力范围大，流通能力强。缺点：成本高，反应速度慢。用于：大型公矿企业，城市门站等。因为要求的调压器广泛应用于小型公福用户、小型工业用户、加热装置等要求压力控制精确、压力调节简单、反应速度快的燃气供应场合，如燃烧器、工业炉、锅炉等的燃气供应，所以选择直接作用式调压器。2.3 本章小结以上通过两中方案的比较分析可以看出直接作用式调压器符合课题的需求。第3章 燃气调压器的结构设计3.1 阀的计算3.11 阀体的设计（一）阀体的功能