大型噴火項目用燃氣調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要

摘要：介紹了噴火設(shè)備的用氣特點，結(jié)合工程實例，探討了大型噴火項目用燃氣調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)計要點。關(guān)鍵詞：噴火；噴火設(shè)備；燃氣調(diào)壓系統(tǒng)；調(diào)壓器Design of Gas Pressure Regulation System
摘要：介紹了噴火設(shè)備的用氣特點，結(jié)合工程實例，探討了大型噴火項目用燃氣調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)計要點。
關(guān)鍵詞：噴火；噴火設(shè)備；燃氣調(diào)壓系統(tǒng)；調(diào)壓器
Design of Gas Pressure Regulation System for Large-scale Flaming Project
HU Guibao
Abstract：The gas use characteristics of flaming equipment are introduced.The design points of gas pressure regulation system for large-scale flaming project are discussed with an engineering example.
Key words：flaming；flaming equipment；gas pressure regulation system；regulator
1 概述
   隨著我國燃氣事業(yè)的快速發(fā)展，燃氣調(diào)壓系統(tǒng)在大型噴火項目中的應(yīng)用越來越廣泛。大型噴火項目用氣與居民用氣特點不同，需按照要求營造出絢爛的噴火效果，比如瞬間大勢噴火、火勢頻繁變換、短時反復(fù)噴火、迅速熄火等，這就要求大型噴火項目用燃氣調(diào)壓系統(tǒng)必須能滿足供氣迅速、供氣頻繁、流量變換迅速、調(diào)壓穩(wěn)定等特殊要求。然而，由于國內(nèi)外有關(guān)噴火項目用燃氣調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范較少，噴火項目用燃氣調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用在一定程度上受到了限制。本文結(jié)合上海飛奧燃氣設(shè)備有限公司近幾年在國內(nèi)外多個大型噴火項目中的設(shè)計實踐，對大型噴火項目用燃氣調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)計要點進行探討。
2 噴火設(shè)備的用氣特點
    噴火設(shè)備通常由兩部分組成：點火系統(tǒng)、噴火系統(tǒng)。點火系統(tǒng)的作用是將噴火系統(tǒng)瞬時點燃，所以它的用氣量比較小，流量穩(wěn)定。噴火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常由噴火控制系統(tǒng)、燃氣管路系統(tǒng)和噴火裝置3部分組成。噴火裝置的型式多樣，常見的有火炬、火柱、火盆和噴火槍等。
   ① 瞬時大火勢
   瞬時大火勢在噴火表演中最常見。一般在開場時，要將現(xiàn)場的氣氛調(diào)動起來，所有的噴火裝置必須同時點燃，而且火勢要大，此時的瞬時用氣量非常大，通常為噴火裝置的峰值用氣量。但這樣的噴火持續(xù)時間并不長(幾秒或幾分)。這種點火方式很容易造成調(diào)壓設(shè)備與噴火裝置之間的管路系統(tǒng)內(nèi)的壓力瞬時降低，影響噴火火勢，甚至熄火。
   ② 瞬時熄火
   噴火表演中的熄火通常有兩種形式，一種是火焰越來越小，逐漸熄滅，即緩慢熄火，其用氣特點是燃氣量逐漸降至最低，燃氣壓力變化不大，比較穩(wěn)定；另一種是瞬時熄火，所有噴火裝置同時熄火，熄火時間很短，給人一種嘎然而止的感覺。瞬時熄火的用氣特點是將峰值用氣量在極短的時間內(nèi)(通常小于1s)減至零，很容易造成調(diào)壓設(shè)備與噴火裝置之間的管路系統(tǒng)內(nèi)的壓力瞬時上升，甚至超壓。
   ③ 頻繁變換火勢
   噴火表演的另一種情況是頻繁點火、熄火和變換火勢。頻繁變換火勢使得噴火裝置的用氣量忽大忽小，極不均衡?；饎葑儞Q的頻率也非常高，一天之內(nèi)可能有幾十次。雖然火勢變換頻繁，但是燃氣供應(yīng)系統(tǒng)的壓力必須穩(wěn)定，才能保證噴火的最佳效果。
3 調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)計要點
    由于天然氣的成分比較單一，燃燒后的火焰顏色不絢爛，所以噴火設(shè)備使用的介質(zhì)多為人工煤氣，或添加了人工煤氣的其他介質(zhì)。因為人工煤氣有一定的腐蝕性，所以噴火系統(tǒng)用調(diào)壓器必須耐腐蝕，其皮膜或易損件宜為含氟橡膠。
3.1 點火
    噴火裝置的點火瞬間用氣量很大，為保證調(diào)壓設(shè)備和噴火裝置之間的管路系統(tǒng)內(nèi)的壓力，不會因為瞬時用氣量大而變得過低，必須對調(diào)壓器正確選型，并設(shè)置合理的下游管道容積。
   ① 調(diào)壓器的選擇
   按照作用方式不同，燃氣調(diào)壓器可分為直接作用式調(diào)壓器和間接作用式調(diào)壓器。直接作用式調(diào)壓器響應(yīng)迅速，其通常的響應(yīng)時間小于3s；而間接作用式調(diào)壓器雖在調(diào)壓精度方面優(yōu)于直接作用式調(diào)壓器，但響應(yīng)時間較長。因此，在噴火項目中應(yīng)優(yōu)先選擇直接作用式調(diào)壓器。
   ② 下游管道容積的設(shè)置
   下游管道容積是指調(diào)壓器出口與噴火裝置之間的管道容積。由于調(diào)壓器需要2～3s的響應(yīng)時間才能將閥口全部打開，因此當(dāng)噴火裝置點火后，管道內(nèi)的燃氣迅速消耗，而調(diào)壓器此時未能完全響應(yīng)，下游管道內(nèi)的壓力迅速下降。如下游管道容積過小，壓力會很快降至噴火設(shè)備的最低工作壓力，造成熄火。因此，必須在下游設(shè)置合適的緩沖管道容積。
    緩沖管道容積的設(shè)置通常有兩種方法：一種是過盈計算方法，需結(jié)合供氣電磁閥的開啟時間、噴火設(shè)備的用氣量、噴火設(shè)備的熄火壓力、調(diào)壓系統(tǒng)的響應(yīng)時間和調(diào)壓器的流量系數(shù)等綜合計算，并考慮一定的管道容積余量。另一種是實驗驗證方法，即在實驗室模擬實際情況來驗證管道容積是否能滿足使用要求。例如：在香港海洋公園大型噴火項目中，已知噴火設(shè)備的最大用氣量為6000m3/h，受場地限制，噴火設(shè)備下游為長30m、公稱直徑為250mm的緩沖管道。為驗證此管道容積是否能滿足使用要求，特進行實驗驗證。通過在上海飛奧燃氣設(shè)備有限公司閥門與調(diào)壓實驗室進行的模擬試驗，得到了調(diào)壓系統(tǒng)的出口壓力曲線，見圖1中的A、B段。
 

已知調(diào)壓系統(tǒng)上游的壓力為110kPa，調(diào)壓系統(tǒng)出口壓力設(shè)定值為30kPa。由圖2可知，試驗開始時噴火設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，此時管道內(nèi)的燃氣壓力為38kPa(見A段)；當(dāng)試驗進行到16s左右時，噴火設(shè)備突然點燃，出口壓力陡降至15kPa左右，之后壓力回升至30kPa，調(diào)壓系統(tǒng)穩(wěn)定工作(見B段)。因此，我們可以判斷：如果噴火設(shè)備可以接受最低15kPa的工作壓力，則30m長、DN 250mm的緩沖管道可以滿足使用要求。

3.2 熄火
當(dāng)噴火結(jié)束且供氣電磁閥關(guān)閉后，調(diào)壓器仍會繼續(xù)供氣，下游管道內(nèi)的壓力會迅速上升，直至調(diào)壓器完全關(guān)閉。此時如果下游有足夠的管道容積，上升的壓力將不會太高。同樣可以采用過盈計算方法，結(jié)合供氣電磁閥的關(guān)閉時間、噴火設(shè)備的用氣量、噴火設(shè)備下次開啟時的最大允許工作壓力、調(diào)壓系統(tǒng)的響應(yīng)時間和調(diào)壓器的流量系數(shù)等綜合計算管道容積，并考慮一定的管道容積余量。
    此外，也可以采用實驗驗證方法。仍以香港海洋公園大型噴火項目為例，調(diào)壓系統(tǒng)的出口壓力曲線見圖1中的C段。當(dāng)突然熄火時，下游壓力迅速上升，僅經(jīng)過2s就上升至71kPa左右。由于該項目使用的供氣電磁閥只有在壓力低于50kPa時才能正常工作，故必須將出口壓力降至50kPa以下，才能保證噴火設(shè)備下次正常開啟。因此我們在調(diào)壓系統(tǒng)的出口段設(shè)置了一個降壓裝置，將其壓力設(shè)定為43kPa，該壓力既可以保證供氣電磁閥正常開啟，又可以保證不供氣時調(diào)壓器能處于關(guān)閉狀態(tài)。
3.3 頻繁噴火
    頻繁噴火要求燃氣調(diào)壓器能反復(fù)啟閉。但是許多燃氣調(diào)壓器制造廠家不愿提供調(diào)壓器反復(fù)啟閉的可靠性試驗數(shù)據(jù)，因此很難判定所選調(diào)壓器是否能滿足反復(fù)啟閉的要求。在選擇燃氣調(diào)壓器時，建議選擇大型的燃氣調(diào)壓器制造廠家，并要求其提供調(diào)壓器反復(fù)啟閉可靠性試驗報告，反復(fù)啟閉次數(shù)宜能達到30×104次以上。
3.4 并聯(lián)均衡供氣
    通過多個噴火項目的工程實踐，我們發(fā)現(xiàn)采用雙路調(diào)壓器并聯(lián)調(diào)壓，既可實現(xiàn)大流量供氣，又可節(jié)約成本。
    雙路調(diào)壓器并聯(lián)調(diào)壓方式也在香港海洋公園大型噴火項目中得到了應(yīng)用。其最大用氣量為6000m3/h，如果采用單路調(diào)壓方式，調(diào)壓器的公稱直徑為200mm。公稱直徑如此大的調(diào)壓器不但價格昂貴，而且供貨周期長，因此我們嘗試著采用雙路調(diào)壓器并聯(lián)調(diào)壓方式。通過計算得知，只需要2個DN 100mm的調(diào)壓器便可滿足最大使用流量要求。為了判斷雙路調(diào)壓器是否可以均衡供氣，是否存在干擾，調(diào)壓精度能否保證，特進行了實驗驗證。
    為了測量雙路調(diào)壓器供氣時的閥口開度是否均衡，我們采用了激光測位儀，對調(diào)壓器的運動行程進行同步測量。根據(jù)調(diào)壓器位置不同，分為并聯(lián)上調(diào)壓器和并聯(lián)下調(diào)壓器，并聯(lián)下調(diào)壓器隨噴火設(shè)備運行的閥口開度見圖2，圖2與圖1在時間上相對應(yīng)。
   雙路調(diào)壓器并聯(lián)調(diào)壓的試驗數(shù)據(jù)見表1。并聯(lián)上調(diào)壓器和并聯(lián)下調(diào)壓器的閥口開度基本相同。因此，當(dāng)出口壓力設(shè)置相同時，采用并聯(lián)調(diào)壓，可以實現(xiàn)均衡供氣，調(diào)壓精度為5級。但雙路調(diào)壓器并聯(lián)調(diào)壓方式并非所有品牌的調(diào)壓器均可實現(xiàn)，必須得到試驗的有效驗證后方可采用。
表1 雙路調(diào)壓器并聯(lián)調(diào)壓的試驗數(shù)據(jù)
調(diào)壓器位置
流量/(m3·h-1)
進口壓力/kPa
出口壓力/kPa
閥口開度/mm
調(diào)壓精度
并聯(lián)上
5561
113
40.2
8.03
5級
并聯(lián)下
5528
115
40.2
7.91
5級
4 結(jié)論
   ① 應(yīng)選擇直接作用式調(diào)壓器。
    ② 應(yīng)按照最低的進口壓力下滿足最大的使用流量進行調(diào)壓器公稱直徑選擇。
    ③ 燃氣調(diào)壓系統(tǒng)與噴火裝置之間應(yīng)設(shè)置合適的緩沖管道容積，采用過盈計算或?qū)嶒烌炞C方法。
    ④ 熄火后如調(diào)壓器出口壓力回升較高，可通過增大緩沖管道容積和設(shè)置降壓裝置的方式解決。
    ⑤ 應(yīng)選擇反復(fù)啟閉可靠性高的調(diào)壓器。
⑥ 選擇的調(diào)壓器要耐介質(zhì)腐蝕。
⑦ 當(dāng)流量較大時，可采用并聯(lián)調(diào)壓的方式
⑧ 宜能在項目投運前進行試驗?zāi)M驗證。
 
(本文作者：胡貴寶 上海飛奧燃氣設(shè)備有限公司 常規(guī)產(chǎn)品與工程事業(yè)部 上海 201201)