大型喷火项目用燃气调压系统的设计_技术研究

摘要

摘要：介绍了喷火设备的用气特点，结合工程实例，探讨了大型喷火项目用燃气调压系统的设计要点。关键词：喷火；喷火设备；燃气调压系统；调压器Design of Gas Pressure Regulation System

摘要：介绍了喷火设备的用气特点，结合工程实例，探讨了大型喷火项目用燃气调压系统的设计要点。

关键词：喷火；喷火设备；燃气调压系统；调压器

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

随着我国燃气事业的快速发展，燃气调压系统在大型喷火项目中的应用越来越广泛。大型喷火项目用气与居民用气特点不同，需按照要求营造出绚烂的喷火效果，比如瞬间大势喷火、火势频繁变换、短时反复喷火、迅速熄火等，这就要求大型喷火项目用燃气调压系统必须能满足供气迅速、供气频繁、流量变换迅速、调压稳定等特殊要求。然而，由于国内外有关喷火项目用燃气调压系统的设计标准规范较少，喷火项目用燃气调压系统的设计和应用在一定程度上受到了限制。本文结合上海飞奥燃气设备有限公司近几年在国内外多个大型喷火项目中的设计实践，对大型喷火项目用燃气调压系统的设计要点进行探讨。

2 喷火设备的用气特点

喷火设备通常由两部分组成：点火系统、喷火系统。点火系统的作用是将喷火系统瞬时点燃，所以它的用气量比较小，流量稳定。喷火系统的结构比较复杂，通常由喷火控制系统、燃气管路系统和喷火装置3部分组成。喷火装置的型式多样，常见的有火炬、火柱、火盆和喷火枪等。

① 瞬时大火势

瞬时大火势在喷火表演中最常见。一般在开场时，要将现场的气氛调动起来，所有的喷火装置必须同时点燃，而且火势要大，此时的瞬时用气量非常大，通常为喷火装置的峰值用气量。但这样的喷火持续时间并不长(几秒或几分)。这种点火方式很容易造成调压设备与喷火装置之间的管路系统内的压力瞬时降低，影响喷火火势，甚至熄火。

② 瞬时熄火

喷火表演中的熄火通常有两种形式，一种是火焰越来越小，逐渐熄灭，即缓慢熄火，其用气特点是燃气量逐渐降至最低，燃气压力变化不大，比较稳定；另一种是瞬时熄火，所有喷火装置同时熄火，熄火时间很短，给人一种嘎然而止的感觉。瞬时熄火的用气特点是将峰值用气量在极短的时间内(通常小于1s)减至零，很容易造成调压设备与喷火装置之间的管路系统内的压力瞬时上升，甚至超压。

③ 频繁变换火势

喷火表演的另一种情况是频繁点火、熄火和变换火势。频繁变换火势使得喷火装置的用气量忽大忽小，极不均衡。火势变换的频率也非常高，一天之内可能有几十次。虽然火势变换频繁，但是燃气供应系统的压力必须稳定，才能保证喷火的最佳效果。

3 调压系统的设计要点

由于天然气的成分比较单一，燃烧后的火焰颜色不绚烂，所以喷火设备使用的介质多为人工煤气，或添加了人工煤气的其他介质。因为人工煤气有一定的腐蚀性，所以喷火系统用调压器必须耐腐蚀，其皮膜或易损件宜为含氟橡胶。

3.1 点火

喷火装置的点火瞬间用气量很大，为保证调压设备和喷火装置之间的管路系统内的压力，不会因为瞬时用气量大而变得过低，必须对调压器正确选型，并设置合理的下游管道容积。

① 调压器的选择

按照作用方式不同，燃气调压器可分为直接作用式调压器和间接作用式调压器。直接作用式调压器响应迅速，其通常的响应时间小于3s；而间接作用式调压器虽在调压精度方面优于直接作用式调压器，但响应时间较长。因此，在喷火项目中应优先选择直接作用式调压器。

② 下游管道容积的设置

下游管道容积是指调压器出口与喷火装置之间的管道容积。由于调压器需要2～3s的响应时间才能将阀口全部打开，因此当喷火装置点火后，管道内的燃气迅速消耗，而调压器此时未能完全响应，下游管道内的压力迅速下降。如下游管道容积过小，压力会很快降至喷火设备的最低工作压力，造成熄火。因此，必须在下游设置合适的缓冲管道容积。

缓冲管道容积的设置通常有两种方法：一种是过盈计算方法，需结合供气电磁阀的开启时间、喷火设备的用气量、喷火设备的熄火压力、调压系统的响应时间和调压器的流量系数等综合计算，并考虑一定的管道容积余量。另一种是实验验证方法，即在实验室模拟实际情况来验证管道容积是否能满足使用要求。例如：在香港海洋公园大型喷火项目中，已知喷火设备的最大用气量为6000m³/h，受场地限制，喷火设备下游为长30m、公称直径为250mm的缓冲管道。为验证此管道容积是否能满足使用要求，特进行实验验证。通过在上海飞奥燃气设备有限公司阀门与调压实验室进行的模拟试验，得到了调压系统的出口压力曲线，见图1中的A、B段。

已知调压系统上游的压力为110kPa，调压系统出口压力设定值为30kPa。由图2可知，试验开始时喷火设备处于关闭状态，此时管道内的燃气压力为38kPa(见A段)；当试验进行到16s左右时，喷火设备突然点燃，出口压力陡降至15kPa左右，之后压力回升至30kPa，调压系统稳定工作(见B段)。因此，我们可以判断：如果喷火设备可以接受最低15kPa的工作压力，则30m长、DN 250mm的缓冲管道可以满足使用要求。

3.2 熄火

当喷火结束且供气电磁阀关闭后，调压器仍会继续供气，下游管道内的压力会迅速上升，直至调压器完全关闭。此时如果下游有足够的管道容积，上升的压力将不会太高。同样可以采用过盈计算方法，结合供气电磁阀的关闭时间、喷火设备的用气量、喷火设备下次开启时的最大允许工作压力、调压系统的响应时间和调压器的流量系数等综合计算管道容积，并考虑一定的管道容积余量。

此外，也可以采用实验验证方法。仍以香港海洋公园大型喷火项目为例，调压系统的出口压力曲线见图1中的C段。当突然熄火时，下游压力迅速上升，仅经过2s就上升至71kPa左右。由于该项目使用的供气电磁阀只有在压力低于50kPa时才能正常工作，故必须将出口压力降至50kPa以下，才能保证喷火设备下次正常开启。因此我们在调压系统的出口段设置了一个降压装置，将其压力设定为43kPa，该压力既可以保证供气电磁阀正常开启，又可以保证不供气时调压器能处于关闭状态。

3.3 频繁喷火

频繁喷火要求燃气调压器能反复启闭。但是许多燃气调压器制造厂家不愿提供调压器反复启闭的可靠性试验数据，因此很难判定所选调压器是否能满足反复启闭的要求。在选择燃气调压器时，建议选择大型的燃气调压器制造厂家，并要求其提供调压器反复启闭可靠性试验报告，反复启闭次数宜能达到30×10⁴次以上。

3.4 并联均衡供气

通过多个喷火项目的工程实践，我们发现采用双路调压器并联调压，既可实现大流量供气，又可节约成本。

双路调压器并联调压方式也在香港海洋公园大型喷火项目中得到了应用。其最大用气量为6000m³/h，如果采用单路调压方式，调压器的公称直径为200mm。公称直径如此大的调压器不但价格昂贵，而且供货周期长，因此我们尝试着采用双路调压器并联调压方式。通过计算得知，只需要2个DN 100mm的调压器便可满足最大使用流量要求。为了判断双路调压器是否可以均衡供气，是否存在干扰，调压精度能否保证，特进行了实验验证。

为了测量双路调压器供气时的阀口开度是否均衡，我们采用了激光测位仪，对调压器的运动行程进行同步测量。根据调压器位置不同，分为并联上调压器和并联下调压器，并联下调压器随喷火设备运行的阀口开度见图2，图2与图1在时间上相对应。

双路调压器并联调压的试验数据见表1。并联上调压器和并联下调压器的阀口开度基本相同。因此，当出口压力设置相同时，采用并联调压，可以实现均衡供气，调压精度为5级。但双路调压器并联调压方式并非所有品牌的调压器均可实现，必须得到试验的有效验证后方可采用。

表1 双路调压器并联调压的试验数据

调压器位置	流量/(m³·h^-1)	进口压力/kPa	出口压力/kPa	阀口开度/mm	调压精度
并联上	5561	113	40.2	8.03	5级
并联下	5528	115	40.2	7.91	5级

4 结论

① 应选择直接作用式调压器。

② 应按照最低的进口压力下满足最大的使用流量进行调压器公称直径选择。

③ 燃气调压系统与喷火装置之间应设置合适的缓冲管道容积，采用过盈计算或实验验证方法。

④ 熄火后如调压器出口压力回升较高，可通过增大缓冲管道容积和设置降压装置的方式解决。

⑤ 应选择反复启闭可靠性高的调压器。

⑥ 选择的调压器要耐介质腐蚀。

⑦ 当流量较大时，可采用并联调压的方式

⑧ 宜能在项目投运前进行试验模拟验证。