使用IP转换器实现燃气远程调压

摘 要

摘要：探讨了使用IP转换器实现燃气远程调压的技术方案，在安全稳定运行的基础上降低了远程调压的造价。通过实验证明了调压器的出口压力与IP转换器的输入电流成线性关系。关键词
摘要：探讨了使用IP转换器实现燃气远程调压的技术方案，在安全稳定运行的基础上降低了远程调压的造价。通过实验证明了调压器的出口压力与IP转换器的输入电流成线性关系。
关键词：IP转换器；远程调压；电动执行机构
Achieving Remote Gas Pressure Regulation by Using IP Transducer
LU Yan
Abstract：The technical scheme of achieving remote gas pressure regulation by using IP transducer is discussed. The cost for remote gas pressure regulation is reduced on the basis of safe and stable operation. The linear relationship between the outlet pressure of regulator and the input current of IP transducer is proved by experiments.
Key words：IP transducer；remote pressure regulation；electric actuating mechanism
   对于门站和高-中压调压站，除了吸收国内厂站设计、建造、运行的宝贵经验，还应拓宽思路，在条件允许的情况下采用相关领域的先进技术，以达到降低成本、保障安全稳定运行的目的。
   本文对一个工业领域运用多年、中下游燃气场站鲜有应用的远程调压方案进行探讨。
1 原有燃气远程调压方案
   门站和高-中压调压站最主要的功能是计量和调压，计量一般采用超声波流量计或涡轮流量计配合流量计算机进行，而调压为了追求高精度的调压效果，一般采用指挥器式调压器。除此之外，就是厂站的监控系统，要求对厂站各管道的温度、压力、流量、阀位、燃气泄漏等情况进行全面采集，形成报表，上传至城市管网SCADA系统。其中，对温度、压力、流量及燃气泄漏等情况的采集，在现场1区就使用了集成的电子元件，如温度变送器、压力变送器、流量计算机、探头传感器，可以精确快速地上传数字量信号、RS485协议数据等。仅有调压装置，作为一款机械传动的设备，需要加装信号发生器以实现阀位远传，加装电动马达以驱动传动机构调节弹簧。
    图1是集成了阀位远传和远程控制调压的电动执行机构与指挥器式调压器连接工作的示意图。这种工作方式技术原理比较完善，指挥器、电动执行机构都是成熟产品，整套方案应用成熟。
 
2 使用IP转换器实现燃气远程调压的方案
    皮膜作为调压器中靠近中心结构的部件，拆装比较麻烦，且其厚度、材质、面积、形状对调压效果都会产生影响，其中任何一个因素都难以与调压效果实现线性匹配。而弹簧可以简单地通过改变长度等参数来实现这一线性匹配，且库存保管条件要求低，因此现有的燃气远程调压方案都是在调压器弹簧连杆上做文章。当现场需要改变压力时，通常是在弹性范围内拧松或拧紧弹簧，超出范围时更换另一范围的弹簧。在这样的惯性思维下，原有燃气远程调压方案就采用了直接驱动电动马达拧弹簧来实现。
    回顾调压器的工作原理，不难发现，影响调压的因素有弹簧、皮膜、皮膜上下方压力差。调压器调压的工作原理见图2。
 
    IP转换器参与调压控制是通过改变皮膜上下方压力差得以实现。IP转换器作为电气转换器的一种，是将电动仪表的标准直流信号(0～10mA或4～20mA)转换成气动仪表的标准气压信号。
    使用IP转换器远程调压的工作原理见图3，IP转换器的输出气体端连接皮膜上方。当IP转换器接收到的模拟信号量变大，背压区压力升高，压力差使皮膜及阀口连杆向下运动，阀口开度增大，下游压力升高；当IP转换器接收到的模拟信号量变小，背压区压力降低，压力差使皮膜及阀El连杆向上运动，阀口开度减小，下游压力降低。整个控制过程平缓且无需强外力驱动，大大减小了弹簧的强制动作受压，与正常调压时各部件动作幅度无异。
 
    用在指挥器式调压器上时，IP转换器输出气体端只需连接指挥器大气腔。
    通过分析可以推断出调压器的出口压力与IP转换器接收的电流信号呈线性关系。下面设计实验进行验证。
3 远程调压线性关系的实验验证
   ① 实验原理
   IP转换器输入电流作为变量1，调压器出口压力作为变量2，理想状况下变量1和变量2的最小值对应关系、最大值对应关系、中间值对应关系3个基准作为实验的已知条件，改变变量1至全区间，测出变量2对应的区间。
    IP转换器输入电流与调压器出口压力对应关系的理想状况是4～20mA对应0.02～0.3MPa。即已知条件为4mA对应0.02MPa，或者20mA对应0.3MPa，或者15mA对应0.3MPa，再逐步测出IP转换器输入电流4～20mA对应的IP转换器出口压力及调压器出口压力，以获得4～20mA输入电流与各压力的对应关系。
   ② 实验步骤
   将一台指挥器式调压器的背压区接通IP转换器的输出气体端(见图3)，进行3个步骤的实验，实验中调压器的入口压力和IP转换器的入口压力均为0.5MPa。
    步骤一：以4mA对应0.02MPa为基准，IP转换器的输入电流为4mA，设置调压器弹簧的初始压力为0.02MPa，逐步增大IP转换器的输入电流，直至20mA。实验数据见表1。
表1 以4mA对应0.02MPa为基准时，IP转换器输入电流和IP转换器、调压器的出口压力
IP转换器输入电流/mA
IP转换器出口压力/MPa
调压器出口压力/MPa
4
0.000
0.000
5
0.000
0.000
6
0.025
0.020
7
0.060
0.043
8
0.100
0.070
9
0.120
0.100
10
0.150
0.127
11
0.180
0.154
12
0.210
0.180
13
0.240
0.209
14
0.260
0.237
15
0.290
0.260
16
0.320
0.286
17
0.340
0.314
18
0.360
0.341
19
0.390
0.365
20
0.420
0.389
   步骤二：以20mA对应0.3MPa为基准，IP转换器的输入电流为20mA，设置调压器弹簧的初始压力为0.33MPa(考虑了10%的运行压降)。进行调压器初始压力调节时，为避免皮膜上下方压差突然增大造成损害，先将调压器弹簧螺母调松，放散，从4mA起逐步增大IP转换器的输入电流，直至20mA。此时弹簧螺母已经是最松的状态，对应调压器出口压力最小为0.385MPa，不能调至0.33MPa。因此，选取20mA以下的输入电流对应0.33MPa，输入电流为19mA时也无法将调压器出口压力调至0.33MPa，因此选取18mA对应0.33MPa，再重复步骤一。实验数据见表2。
表2 以20mA对应0.3MPa为基准时，IP转换器输入电流和IP转换器、调压器的出口压力
IP转换器输入电流/mA
IP转换器出口压力/MPa
调压器出口压力/MPa
4
0.000
0.000
5
0.000
0.000
6
0.025
0.010
7
0.050
0.034
8
0.075
0.060
9
0.120
0.090
10
0.140
0.120
11
0.170
0.145
12
0.200
0.173
13
0.220
0.200
14
0.250
0.228
15
0.280
0.253
16
0.310
0.280
17
0.330
0.305
18
0.360
0.330
19
0.384
0.375
20
0.410
0.385
    步骤三：以15mA对应0.3MPa为基准，IP转换器输入电流为15mA，设置调压器弹簧的初始压力为0.33MPa(考虑了10%的运行压降)。调整好调压器弹簧螺母后，放散，从4mA起逐步增大IP转换器输入电流，直至20mA。实验数据见表3。
表3 以15mA对应0.3MPa为基准时，IP转换器输入电流和IP转换器、调压器的出口压力
IP转换器输入电流/mA
IP转换器出口压力/MPa
调压器出口压力/MPa
4
0.000
0.058
5
0.000
0.059
6
0.010
0.085
7
0.050
0.116
8
0.082
0.141
9
0.120
0.169
10
0.140
0.197
11
0.163
0.223
12
0.200
0.252
13
0.220
0.275
14
0.250
0.303
15
0.280
0.330
16
0.300
0.356
17
0.330
0.379
18
—
—
19
—
—
20
—
—
    从实验数据可以分析得出，选择了合适的对应关系，则4～20mA与调压器出口压力线性相关，与常规高精度调压器正常工作实现的精度曲线无异。
4 2套燃气远程调压方案的比较
    ① 使用IP转换器实现远程调压的方案，其主体设备仅为IP转换器，体积小，动作原理简单，产品成熟，安装使用都非常方便。原有方案中阀位远传和远程控制装置包括电机、伺服放大器、传动机构、减速箱，控制原理决定了其设备成本高；且大部分品牌的产品采用分体设计，对现场安装提出了更高的要求。
   ② 使用IP转换器实现远程调压的方案，仅需弱电，可共用现场弱电箱，动力装置仅需与现场其他气动装置一致，或直接采用氮气瓶，施工简捷。原有方案远程控制所需的电动马达需要1区强电供电，尤其在1区无其他强电需求的情况下，设计、施工工作量增大。
  ③ 使用IP转换器实现远程调压的方案，在不更换弹簧的情况下，可线性扩大调压器出口压力范围，原有方案无法做到。
   ④ 使用IP转换器实现远程调压的方案，节省设备造价50%以上。
5 结语
    使用IP转换器实现远程调压控制同原有的电动执行机构远程控制一样，涉及若干设备的配合，因此实际使用时，需要现场反复调试，以获得最佳的模拟信号值与调压值线性对应的区间，才能实现最佳的运行效果。
 
(本文作者：卢燕 广州多美时燃气设备有限公司 广东广州 510170)