摘要：分析信号管的不同设置对直接作用式调压器静态特性的影响，提出了通过改进信号管的设置来优化调压器静态特性的建议。
关键词：直接作用式调压器； 静态特性；信号管；优化
Influence of Signal Tube Installation on Static Characteristics of Direct Acting Regulator
Abstract: The influence of different installations of signal tube on static characteristics of direct acting regulator is analyzed. The suggestion of improving installation of signal tube is proposed to optimize the static characteristics of regulator.
Key words: direct acting regulator；static characteristics；signal tube；optimization
1 概述
调压器作为城镇燃气输配系统中常用的压力调节装置，其主要功能是将上游的来气压力降低至下游用户设备要求的工作压力，并保持燃气压力稳定[1-2]。工程上对城镇燃气调压器的性能主要有如下要求：当气源及城镇燃气负荷发生改变而引起调压器的入口压力和流量发生变化时，调压器能够确保其实际出口压力与设定值的偏差在可接受的范围之内。调压器的性能主要通过调压器的静态特性来体现。
国家燃气用具质量监督检验中心在大量的调压器检验工作过程中，常会发现因信号管的不合理设置导致调压器的静态特性不理想(调压器的出口压力随流量的增大而陡增或陡降)的现象。本文主要针对两款直接作用式调压器，通过实验研究信号管的设置形式对直接作用式调压器静态特性的影响。希望本文能够提高调压器的设计者及生产者对调压器信号管设计及安装的重视程度，帮助其解决信号管的不合理设置对调压器静态特性产生不良影响的问题。
2 常见的信号管设置形式
调压器信号管的作用是将调压器出口管道的压力反馈至调压器，进而实现调压器的调压和稳压功能。直接作用式调压器的信号管设置形式通常分为内取压和外取压两种。
采用内取压信号管的某型号直接作用式调压器的工作原理见图1。该调压器的信号管3在管道内部取压，将调压器出口管道4的压力反馈至调压器的低压腔体2。
采用外取压形式信号管的某型号直接作用式调压器的工作原理见图2。该调压器的信号管3在管道外部取压，将调压器出口管道4的压力反馈至调压器的低压腔体2。
3 信号管的设置对调压器静态特性的影响
3.1 调压器的静态特性
调压器的静态特性是指调压器实际出口压力随进口压力和流量变化的特性[3]。合格的调压器要求其出口压力随进口压力和流量的变化满足标称的稳压精度等级(AC)、关闭压力等级(SG)、每条静特性曲线的关闭压力区等级(SZ)和每族静特性曲线的静特性线族关闭压力区等级(SZP)。
根据GB 27790-2011《城镇燃气调压器》(以下简称GB 27790-2011)的规定，城镇燃气调压器静态特陛的合格与否需要通过静态特性实验并根据实验数据绘制静态特性曲线图来判定。对某一型号的城镇燃气调压器(标称参数见表l、2)进行静态特性实验，并按照GB 27790-2011第
图3中，横轴为管道流量，纵轴为调压器的出口压力。图3所示的静特性曲线族为调压器出口压力设定值为3.O0 kPa条件下，调压器的进口压力分别为0.2,0.4和0.6 MPa时，调压器实际出口压力随流量变化的曲线。
①调压器的稳压精度等级
调压器的稳压精度(A)是指一族静态特性曲线(图3中根据静态特性实验数据拟合的3条曲线)上，标称流量范围内调压器的出口压力与出口压力设定值间的最大正偏差和最大负偏差绝对值的平均值相对出口压力设定值的比值。稳压精度等级(AC)即为稳压精度(A)乘以l00。
式中 A——调压器的稳压精度
p2，+——高于出口压力设定值的调压器出口压力，Pa
p2，-——低于出口压力设定值的调压器出口压力，Pa
p2，s——调压器的出口压力设定值，Pa
式中 Ac——调压器的稳压精度等级
如图3所示，稳压精度压力下限值为2.7 kPa，稳压精度压力上限值为3.3 kPa。合格的调压器要求在标称的流量范围内，调压器的出口压力曲线在稳压精度压力下限和上限之间。图3为调压器出口压力设定值为3.00 kPa时的静特性曲线图，以调压器入口压力为0.6 MPa的静特性曲线为例，如表2所示，该调压器在此种工况条件下的标称最小流量为
②调压器的关闭压力等级
关闭压力为调压器调节元件处于关闭位置时，静态特性线上零流量处的出口压力(从开始关闭点流量减少至零流量所用的时间应大于调压器关闭的响应时间)。关闭压力等级(SG)为调压器的关闭压力与出口压力设定值之差对出口压力设定值之比乘以100。
式中 Sg——调压器的关闭压力等级
pb——调压器的关闭压力，Pa
如图3所示，调压器的标称关闭压力(关闭压力等级线的纵坐标值)为3.6 kPa。合格的调压器要求所有静态特性曲线与纵轴的交点均在关闭压力等级线的下方，即该调压器的实际关闭压力等级Sg不大于20。
③调压器的关闭压力区等级
每条静特性曲线的关闭压力区等级(SZ)是指调压器的实际最小流量和实际最大流量的比值乘以100。以图3进口压力为0.6 MPa的静特性曲线为例，该工况条件下的静特性曲线的实际最小流量为静特性曲线与稳压精度上限线交点所对应的流量值，实际最大流量为静特性曲线与稳压精度下限线交点所对应的流量值。
式中 Sz——调压器的关闭压力区等级
qmin——调压器的实际最小流量，m3/h
qmax——调压器的实际最大流量，m3/h
合格的调压器要求调压器在每种工况条件下的实际最小流量和实际最大流量的比值乘以l00后不大于标称的关闭压力区等级(SZ)(针对一条静特性曲线而言)。以静特性曲线如图3所示的调压器为例，要求该调压器的实际关闭压力区等级Sz不大于10。
静特性曲线族的关闭压力区等级(SZP)是指静特性线族上，最大进口压力下的实际最小流量和最小进口压力下的实际最大流量的比值乘以l00。
式中Sz，p——调压器静特性线族的关闭压力区等级
qpmax,min——静特性线族上调压器最大进口压力下的实际最小流量，m3/h
qpmin,max——静特性线族上调压器最小进口压力下的实际最大流量，m3/h
合格的调压器要求调压器每族静特性曲线上，最大进口压力下的实际最小流量和最小进口压力下的实际最大流量的比值乘以l00后不大于标称的静特性线族的关闭压力区等级(SZP)(针对一族静特性曲线而言)。以静特性曲线如图3所示的调压器为例，要求该调压器静特性线族的实际关闭压力区等级Sz，p不大于10。
④两款直接作用式调压器的标称参数
本文为了研究信号管的设置对调压器静态特性的影响，采用两款直接作用式调压器进行各项实验，其标称参数见表3。
3.2 三大效应对调压器静态特性的影响[4]
理想的调压器在正常工作的流量范围内均应保持出口压力为定值，如图4的曲线1所示。但是由于薄膜效应、弹簧效应和壳体效应的综合作用，调压器的出口压力随着流量的增加，以一定的速率逐渐降低。调压器仅受薄膜效应、弹簧效应和壳体效应影响时的实际出口压力如图4的曲线2所示。
①薄膜效应
薄膜效应是指调压器随着流量的增大，阀口在向下移动的过程中薄膜的有效面积增大，因薄膜两侧受力平衡而导致调压器出口压力下降的现象。
②弹簧效应
弹簧效应是指调压器随着流量的增大，阀口在向下移动的过程中弹簧力不断减小，为实现弹簧力与反向力的平衡而导致调压器出口压力下降的现象。
③壳体效应
壳体效应是指由于调压器的壳体结构导致通过调压器气流产生压力损失的现象。对于同一台调压器而言，气流的压力损失量与流量成正比。
④三大效应的影响
调压器受薄膜效应、弹簧效应和壳体效应的综合影响时，出口压力随流量的增大而不断降低。每台调压器受三大效应的影响情况取决于调压器的结构形式。三大效应显著的调压器可能出现出口压力随流量的增大而陡降的现象。
3.3 取压形式对调压器静态特性的影响
①取压形式对信号管压力的影响
对调压器A进行改装，分别采用内取压和外取压形式的信号管。外取压形式信号管为管壁处取压，管壁处流体的速度为零，故采用此种取压方式获得的压力为出口管道的静压，即出口管道的实际压力。将内取压形式的信号管水平置于出口管路的中心位置，前端管口背向来流方向，如图1所示。由于内取压信号管内置于管道流场中，会对流场产生扰动，造成能量损失，因此同种工况、同一过流断面条件下，内取压信号管压力稍低于外取压信号管压力，存在一定的负偏差。内取压形式信号管的设置力求将信号管对出口管道流场的影响降至最小，尽可能避开气流动压对信号管压力的影响[5]。气流动压的表达式见式(6)。
式中 pd——气流动压，Pa
ρ——气流密度，kg/m3
υ——气流速度，m/s
图5为调压器A在入口压力为0.6 MPa，出口压力设定值为7.00 kPa工况下，内取压形式信号管压力与外取压形式信号管压力(出口管道实际压力)随流量的变化。
由图5可知，只要内取压形式的信号管设置得合理(尽可能减小对管道流场的影响并避开动压和低压区影响)，外取压和内取压形式信号管的压力偏差就能够在可接受的范围内。
②不同取压形式信号管时的静态特性曲线
调压器A采用不同取压形式信号管时的静态特性曲线(出口压力设定值为7.00 kPa)见图6、7。
由图6、7可知，对于三大效应不显著的调压器(如调压器A)，信号管的取压位置设置得较为合理时，调压器采用内取压或外取压形式的信号管，其静态特性均可以满足标称的稳压精度等级Ac=15、关闭压力等级Sg=20、关闭压力区等级Sz=20和静特性线族的关闭压力区等级Sz,p=20。且合理设置的内取压信号管压力与外取压信号管压力的微小负偏差可以对三大效应进行适当的补偿：调压器的静态特性曲线相对更加平缓，调压器的出口压力相对更加稳定。
3.4 压力恢复区对调压器静态特性的影响
从调压器的阀口附近至出口管路的主体流场之间，存在一个压力恢复区[6]。
①压力恢复区的位置及成因
如图8所示，调压器可等效为孔板节流装置。由于阀口处过流断面急剧收缩，该处的流速急剧上升，动压急剧上升，则阀口处的静压急剧下降直至大幅低于出口管路主体流场压力p2。阀口后的出口管道中，过流断面逐渐恢复原状，静压也随之逐渐恢复至出口管路主体流场压力p2。从调压器阀口至出口管道的主体流场形成了如图8所示的压力恢复区。
对于同一台调压器而言，压力恢复区的范围与流量有关：流量越大，阀口处的静压相对于出口管路主体流场压力的负偏差值越大(图8中的压力曲线最低点越低)，压力恢复区的范围也越大。
②内取压位置对调压器静态特性的影响
当调压器A采用内取压形式的信号管，且信号管的取压位置位于压力恢复区中时，信号管压力与出口管道实际压力(出口管道主体流场压力)存在负偏差。若信号管的取压位置位于如图8所示的压力曲线最低点处，信号管压力负偏差现象最为显著。图9为调压器A的内取压信号管取压位置位于压力恢复区中时的压力偏差(调压器的出口压力设定值为7.O0 kPa，入口压力为0.6 MPa)。
如图9所示，信号管在压力恢复区中取压时，信号管与出口管道压力的负偏差值随流量的增加不断加大，且远大于如图5所示的同种工况下主体流场中取压的偏差值。此大幅度压力负偏差值的存在，导致当出口管道的压力值达到或高于调压器出口压力设定值时，信号管反馈至调压器低压腔体的压力值始终低于出口压力的设定值，则调压器的阀口持续开大，出口管道的压力则随之以越来越快的速率不断增大，故而出现调压器出口压力随流量的增大而陡增的现象。此种情况下调压器A的静态特性曲线(出口压力设定值为7.O0 kPa)见图l0。
如图l0所示，此种信号管取压位置的设置导致调压器A的静态特性无法满足表3的标称性能参数要求。以图l0中入口压力为0.6 MPa的静态特性曲线为例(出口压力设定值为7.O0 kPa，标称工作流量范围为50～800 m3/h)，当调压器的流量达到
4 调压器静态特性的优化分析
通过合理设置信号管的形式和取压位置，可以防止调压器的出口压力随流量的增大而陡增或陡降。
4.1 防止出口压力陡增的措施
对于三大效应不显著的调压器(如调压器A)，若能够避开压力恢复区的影响，即可防止信号管压力与调压器出口管道压力存在如图9所示的较大负偏差，进而可以防止调压器出口压力随流量的增大而陡增的现象：当调压器A采用外取压形式的信号管或采用内取压形式的信号管(设置方式同3.3中①)时，均具有良好的静态特性，调压器出口压力设定值为7.O0kPa时的静态特性曲线如图6、7所示。
4.2 补偿三大效应影响的措施
根据3.3节的分析可知，外取压信号管的设置形式能够真实地反映调压器的出口压力随流量的变化关系，故对薄膜效应、弹簧效应和壳体效应显著的调压器B进行改装，采用外取压形式信号管，并进行静态特性实验。调压器B在三大效应综合作用下的静态特性曲线见图ll(出口压力设定值为7.00kPa)。
将调压器B进行改装，将其信号管设置为内取压形式，并将取压位置设置于压力恢复区中，在同样的工况下对其进行静态特性实验，得到如图12所示的静态特性曲线。
根据图11和图l2的对比可知，调压器B采用内取压信号管时，在标称的稳压精度等级(Ac=15)条件下，正常工作的流量范围大幅拓宽。以入口压力为0.6 MPa的压力曲线为例，调压器B采用外取压形式信号管时，该调压器的最大正常工作流量为1
若调压器B采用内取压信号管时的标称工作流量范围与调压器B采用外取压信号管时的正常
工作流量范围一致，则采用内取压形式信号管的调压器B的实际稳压精度等级可达到Ac=10。
由此可知，对于三大效应显著的调压器，通过对取压负偏差的合理应用，可以补偿三大效应对调压器出口压力的影响，进而优化调压器的静态特性。
4.3 调压器信号管的合理设置
根据以上分析可知，通过合理设置信号管的形式和取压位置，可以优化调压器的静态特性。
对于三大效应不显著的调压器(如调压器A)，宜采用外取压信号管或采用设置合理的内取压信号管。采用外取压信号管时，信号管的设置形式能够真实地反映调压器的出口压力随流量的变化关系，调压器A在出口压力设定值为7.00 kPa时的静态特性曲线如图6所示。采用内取压信号管时，若内取压信号管的取压口位于如图8所示的压力恢复区中时，可能出现如图10所示的调压器出口压力随流量的增大而陡增的现象。故三大效应不显著的调压器采用内取压信号管时，信号管的取压口应避开压力恢复区的影响，宜设置于主体流场中。合理设置内取压信号管位置的调压器A的静态特性曲线如图7所示(出口压力设定值为7.00 kPa)。
三大效应显著的调压器(如调压器B)，可能出现出口压力随流量的增大而陡降的现象，如图11所示。调压器B采用内取压信号管并将信号管取压口设置于压力恢复区中，利用信号管的取压负偏差补偿调压器B的三大效应，可以优化调压器的静态特性(出口压力设定值为7.00 kPa时的静特性曲线如图l2所示)：能够提高调压器标称流量范围内的稳压精度等级，或者扩大标称稳压精度等级下的正常工作流量范围。
但需注意，信号管取压形式的选取和内取压形式信号管最佳取压位置的确定与调压器的结构形式、制造材料、入口压力范围、出口压力范围、出口管径和出口管道布置等诸多因素相关，需要根据实验来确定。
5 结论
①当内取压形式的信号管设置得合理(尽可能减小对管道流场的影响并避开动压和压力恢复区的影响)时，内取压形式信号管的压力与外取压形式信号管的压力偏差能够在可接受的范围内，相应的调压器静态特性曲线差别不大。
②压力恢复区内的压力低于调压器的实际出口压力。信号管在压力恢复区中不同位置的取压值不同：取压值随信号管取压位置逐渐脱离压力恢复区而逐渐趋近于调压器的实际出口压力。
③压力恢复区有可能导致信号管压力与实际出口压力存在较大的负偏差，调压器阀口开度过大，进而导致调压器出口压力随流量的增大而陡增的现象。
④通过对取压负偏差的合理利用，可以有效地提升调压器的出口压力，进而在一定程度上补偿薄膜效应、弹簧效应和壳体效应对调压器出口压力的影响，提高调压器标称流量范围内的稳压精度等级，或者扩大标称稳压精度等级下的正常工作流量范围，优化调压器的静态特性。
⑤信号管取压形式的合理选取和内取压形式信号管最佳取压位置的确定与诸多因素相关，需要根据实验来确定。
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[6] 裴蕾，齐旭，薛岩铭.动压和弹簧效应对调压器的影响及补偿技术[J].城市燃气，2006(10)：10-14、44.
本文作者：张乃方翟军 岳明 陈浩 李军 王洪林 皮洋
作者单位：中国市政工程华北设计研究总院，
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