采用微流阀和导阀的燃气智能调压技术

舒 钦, 方晓斌, 王子敬, 陈 雪

(武汉市天然气有限公司,湖北武汉430033)

1 概述

武汉市拥有居民、商业、工业等天然气用户逾270×104户。长输管道供给城市门站的气源压力通常为1.6 MPa，而后在城市管网系统中逐级调压至0.01 MPa以下。现有调压站运行过程中普遍存在如下问题：压力、流量调节为机械式调节，以现场手动调节为主，调节精度差；冬季供气流量激增，易形成各支路流量不均衡问题；不同时段供气压力需求不同，难以批量对调节参数进行远程修改。因此需要一种广泛适用于各类调压设备且成本低、安全性高的调压改造方案。

2 常规机械式压力调节

2.1 间接作用式调压器

在日常燃气管网调压工艺中，调压器是通过自动改变流经调压器的燃气流量，使出口燃气保持设定压力的设备。调压器通常分为直接作用式和间接作用式两种。在流量较大的大中型区域调压站中，通常使用带指挥器的间接作用式调压器，间接作用式调压器调压原理见图1。间接作用式调压器包含调压器和指挥器，通过引压管将调压器出口压力反馈至指挥器，指挥器通过其感应口感应调压器出口压力，根据指挥器设定值控制指挥器内流孔的开度，作用至调压器，从而达到控制调压器出口压力的目的。

图1 间接作用式调压器调压原理

2.2 指挥器

指挥器是调整出口压力和释放压力设定值的关键，只要调整指挥器负载弹簧的设定点，就可以调整调压器的出口压力。

指挥器含双层薄膜，可精确控制设定点与指挥器内部平衡弹簧。弹簧的力量使指挥器打开，此力量会被薄膜两侧的下游压力抵消。当下游压力降低时，指挥器就会开大一点，以增加指挥器反馈至调压器的流量，使得调压器出口压力增大，以满足下游压力需求。当下游压力增大时，指挥器动作相反。

3 采用微流阀和导阀的智能调压

3.1 单路调压

为实现智能控制调压器，在指挥器前后分别增加微流阀和导阀。微流阀是一种气开型阀门。导阀是一种弹簧结构、采用螺栓调节、具有锁定功能的调节阀。通过微流阀模拟下游压力调节指挥器和导阀，导阀排气量又影响调压器开度。导阀排气量决定了调压器上腔压力，导阀排气量越大，调压器上腔压力越小，调压器开度越大，调压器下游压力越高，下游反馈压力增大，导阀排气量减小，直至下游压力稳定。

压力变送器采集的调压器出口压力传输至PLC(可编程逻辑控制器)，PLC对工艺数据进行逻辑控制，替代原有的机械式反馈调节，也可实现遥调遥控。PLC输出4～20 mA电信号，通过电气转换器控制微流阀的开度，再由微流阀驱动指挥器和导阀，达到调压的目的。单路调压原理见图2。

图2 单路调压原理

为防止超调与误操作，可以并联一路导阀达到区间控制的效果，见图3。上限导阀和下限导阀的存在，降低甚至避免了出口压力超限的可能。例如上限导阀设定压力为0.40 MPa，下限导阀设定压力为0.38 MPa，则此调压器的压力调节范围为0.38～0.40 MPa。

图3 并联导阀实现单路区间控制原理

3.2 支路均衡供气的实现

两路及以上并联调压器往往存在偏流现象，一路超负荷运行，另一路只有很小流量甚至没有流量。如此导致噪声超标，设备损耗增加，维护成本增加。支路均衡供气是在满足压力需求的同时，通过比较调压器的开度，来微调每一路调压器的设定压力，调整调压器的开度直至基本相等，从而实现流量平衡。

如果两路流量差过大，可在每条支路上安装并联导阀，以达到平衡流量的目的。首先将流量大的一路设定压力减小，则微流阀开度减小，调压器出口压力降低，流量减小。继而流量小的一路微流阀开度自动增大，流量增大。当两路流量差减小后，恢复设定压力。

3.3 分时压力调节的实现

城市天然气需求通常受季节和时段影响十分明显。在用气高峰，当管网末端压力不足时，可适当升高调压站出站压力，保障供气；高峰过后，可适时降低调压站出站压力，避免高峰过后用气量骤减造成下游超压切断，同时减少管道泄漏，延长管道寿命。

因此通过在PLC内预置压力曲线的方式，根据城市管网供气压力的变化趋势将调压站每日出站压力设定值分时段进行设置，以达到在每日用气高峰和低谷时自动调节，进一步提升管网的供气安全。

3.4 设备故障时保护措施

① 系统还原：通过球阀的开关操作，可实现遥调系统隔离，恢复原调压系统。

② 避免压力超限：上限导阀和下限导阀的存在，降低甚至避免了出口压力超限的可能性。

③ 断电保护：控制系统断电时，微流阀保持开度不变，保持出口压力。

④ 报警功能：具有差值报警功能，设定压力与出口压力存在的偏差超过限值时，发出报警。

4 改造效果验证

对武汉市某天然气中-中压调压站进行改造，将常规机械式压力调节方式改造为采用微流阀和导阀的智能调压方式。改造前，由于仅凭借经验对两路并联调压器的压力进行设定，因此冬季用气高峰时，两路流量不均衡现象十分明显，甚至经常出现流量仅由一路供应的情况，大幅超过了单路供气的设计流量上限。改造后供气均衡程度得到了明显改善，能实现灵活准确的调压功能。