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自力式燃气调压阀计算开度应用于输配管理的实验研究
自力式调压器不需外来能源，利用被调介质自身压力的变化，自动调节调压器阀口开度，即改变了调压器的流通面积，使出口压力保持稳定，结构简单，操作维护方便，调节精度高。因此在燃气输配中得到了广泛的应用。目前管网输配调度大多以通过流量为依据，不能准确反映调压器的工作状态。
调压器阀口开度总是随着调压器进、出口压力发生变化或下游用户流量提取产生波动而增大或减小，当开度很小时由于阀口频繁的与阀体接触将损害调压器的密封性能，进而可能在用气低谷时造成出口压力过高而使安全阀动作关闭。因此，调压器阀口开度直接反映了调压器具体的工作状态。
但由于调压器本身结构的限制，有的调压器可以直接观察到阀口的开度，而大部分自力式调压器由于本身封闭的结构不能直接观察到也无法安装可测量阀口开度的传感器。
对于同一种结构的调压器，阀口开度与流量总是存在固定的关系，即阀口开度与阀系数(Cg)或流量系数(Kg)对应的特性曲线。选取城市燃气中广泛应用的REFLUX819和APERFLUX851(以下简称819和851)在调压器实验台进行试验。前者可直接测量阀口开度，后者因结构限制不能直接测量阀口开度。
1 调压器阀口开度变化原理
819和851都是指挥器控制式自力式调压器，819调压器设计压力***高可达10MPa，进口压力范围0.05MPa～8.5MPa，精度***高达到1级；851调压器的设计压力也可以达10MPa，进口压力范围0.1MPa～8MPa，精度***高达到1.5级。
851调压器的膜片同时又是阀瓣，膜片位置(即调压器阀口开度)由膜片上所受的弹簧力、指挥器前压力、调压器进、出口压力间的平衡决定。引自调压器进口腔的燃气、经节流阀***后通过指挥器流到调压器出口。节流阀已经事先调整好，其开度不变。指挥器的开度就决定了指挥器前的压力，而指挥器开度则由膜片上所受的弹簧力与调压器出口压力间的平衡决定。如流量需求增加或进口压力下降，则调压器出口压力降低，指挥器膜片因而移动使指挥器开大。于是指挥器前压力下降调压器膜片上抬，通过流量随着增加而使调压器出口压力回复至原来设置的值。
819和851的工作原理类似，调压器的膜片同时又是阀瓣，但又与851有所不同。膜片的位置即调压器开度是由膜片上所受的弹簧力、膜片上下腔压力间的平衡决定的。膜片上腔压力即调压器的出口压力，膜片下腔压力为指挥器的出口压力。而指挥器的出口压力则由指挥器膜片上所受的弹簧力、调压器进口出口压力间的平衡决定，进口压力事先经过预调器调整不会发生变化。当流量需求增加、或进口压力下降，则调压器出口压力降低，指挥器膜片因而移动使指挥器开大。于是指挥器出口压力下降，调压器膜片上抬，通过调压器流量随着增加而使调压器出口压力回复至原来设置的值。
由此可见，851和819调压器的膜片都同时又是阀瓣。但819膜片下腔所受压力经过预先调整，而851膜片下腔燃气即入口压力，直接受到进口压力波动的影响，因此使得819的调节精度较851要高。但阀门的开度即阀瓣的上下移动的工作原理则完全相同，即阀瓣的移动都是由进口压力、出口压力及流量需求而决定，膜片跟踪这些变化，阀瓣随膜片下的移动跟踪这些变化。从而使调压器出口压力保持稳定。
2 调压器流量特性
虽然851和819阀口移动的工作原理相似，但由于阀体结构的不同，流量特性却有较大的区别，分别见图3和图4。
若以P1、P2和Q分别表示调压器的进出15压力和流量，当P1＜2×P2时(亚临界条件)：
当P1≥2×P2时(临界条件)：
Q=Kg×P1/2 (851) (公式2)
Q=Kg×P1 (819) (公式3)
由于调压器的进出口压力P1、P2和通过的流量Q均可实际测量出来，此时的流量系数Kg可以通过计算获得。通过查流量特性曲线，那么此时的阀口开度则可以得出。因流量特性是某一结构型式阀的固有特性，为验证随机提供的流量特性曲线与实际的符合程度，随机抽取一台DN80、150psi的819进行实验。
3 调压器819开度实验
在调压实验台中，压缩空气系统预先将3个高压储罐的压力达到20MPa，实验***小瞬时流量可以达到3Nm3/h，***大瞬时流量可以达到6500Nm3/h。为测试819在不同进口压力、出口压力以及在流量大小不同条件下调压器的开度，在被测819进出口各设置一台高精度压力变送器，入口端设置一台调压器，一台调节阀门，按图5构建实验流程。由于流量变化范围较大，调压实验台本身具有大小流量自动切换装置，以确保流量计量的准确性，但流程图中有所简化。
对于819调压器，连接在腔体内膜片即阀瓣上的阀口位置指示杆可以准确反映调压器阀瓣的实际开度，实验中采用激光测距仪，可测量出0.01mm的阀口位置变化。实验前先记录了819全开和全关时的激光测距仪度数：阀位全开时测距仪读数为57.5mm，阀位全关时70.3mm，阀口开度上下总行程为12.8mm。为保证数据采样的正确性，在调压器工作状态稳定时才进行采样，采样时计算机可同时自动保存进口压力P1、出口压力P2、出口温度T、瞬时流量Q和实测开度Kc，计算开度K2可根据调压器流量特性及温度补偿计算出来。
调压实验台瞬时流量***大时只能连续供气约10min。根据储气能力和实验时间的限制，实验时分别设为1.3MPa和3.8MPa两种入口压力。在入口压力为1.3MPa时，出口压力分别设为0.3MPa、0.6MPa，0.8MPa，在入口压力为3.8MPa时，出口压力设置为0.2MPa。对调压器在临界和亚临界状态、大开度和小开度状态进行充分实验，819进出口需要适时更换压力变送器以适应***佳量程。
实验在两天内共进行了5次，消耗压缩空气近5000Nm3，采集数据51组，***大瞬时流量达到4352.85Nm3/h，调压器***大开度达到98.125%。计算开度误差分布见图6，图中*个数为误差，第二个数为占所有采样数据的比例。计算出的开度与实测开度误差大于25%的有两组采样仅占1%，小于20%的有50组占98.04%，小于15%的有46组占90.2%，小于5%的占41%。
鉴于记录数据的时刻为人工采样，且为了减少高压气体资源的浪费，工况改变频繁，稳定时间很短，因此不排除由于运行工况时尚未平稳时刻采集的数据，可判为粗大误差而予以排除。限于篇幅仅列出第4次实验的数据(入口压力设定为1.3MPa，出口压力设定为0.6MPa)。实验数据和计算数据如表1所示。
表1 第4次实验数据记录表
|
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
进口压力P1(MPa) |
1.17 |
1.158 |
1.102 |
0.8 |
0.51 |
0.973 |
1.098 |
1.158 |
1.191 |
|
出口压力P2(MPa) |
0.506 |
0.505 |
0.505 |
0.505 |
0.47 |
0.505 |
0.51 |
0.511 |
0.511 |
|
瞬时流量Q(Nm3/h) |
0 |
302.57 |
818.87 |
1899.44 |
2469.69 |
1421.47 |
858.02 |
331.18 |
0 |
|
实测开度Kc(mm) |
70.07 |
69.95 |
69.69 |
68.77 |
62.2 |
69.2 |
69.51 |
69.85 |
70.19 |
|
实测开度K1(%) |
1.8% |
2.7% |
4.8% |
12.0% |
63.3% |
8.6% |
6.2% |
3.5% |
0.9% |
|
计算开度K2(%) |
2.5% |
3.1% |
5.9% |
14.2% |
63.1% |
9.2% |
6.1% |
3.2% |
2.5% |
|
开度误差(%) |
0.7% |
0.4% |
1.1% |
2.2% |
-0.2% |
0.7% |
-0.1% |
-0.4% |
1.7% |
将上述P1、P2、Q和实测开度K1、计算开度K2实验记录和计算数据转换为更直观的图表，见图7。为便于查看。其中瞬时流量的数值经过折算。
从数据和图表可以看出，在流量逐渐提高时，尽管试验台上在被测调压器前设置了1台调压器，但入口压力仍然不能保持，而出口压力基本保持稳定。从开度看，实测开度和计算开度的吻合度很高，计算开度和实测开度两条曲线几乎重合，开度误差远低于管网输配调度的需要。
4 计算开度对输配调度调压器的参考意义
实验数据和图表对比分析表明，根据公式1～3和调压器进出口压力、流量计算出的阀位开度与实际测量的开度具有高度的重合性，验证了调压器阀口开度理论计算结果与直接测量的一致性，即819随机提供的性能参数值得信赖。
对于不能直接测量阀口开度的851调压器，从公式1～3可以看出，流量的计算公式在亚临界时与819完全相同，在临界流时851只有819的一半，对通过流量的影响除了进口、出口压力外，还有流量系数Kg，而Kg与阀口开度具有固定的对应关系。因此，依据可测量的进出口和流量参数，根据公式1～2即可计算出Kg，进而根据851固有的Kg与开度的对应特性得到当前851的计算开度。
由于在输配调度时，瞬时流量受到经常波动的进出口压力变化的影响，难以准确判断调压器的工作状态，而阀口开度则直观得多，而且输配调度和贸易计量的性质不同，阀口开度只要接近真实的阀口开度即可。因此为了获取阀口开度。819可以直接安装测量仪表，而851理论计算出的阀口开度对于输配调度管理人员同样具有直观而有效的参考价值。而对于多路并联运行的调压器，只要测量该路调压器进出口压力和流量，并不受多路并联运行的影响。
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