大型噴火項目用燃氣調壓系統(tǒng)的設計

1概述
  隨著我國燃氣事業(yè)的快速發(fā)展，燃氣調壓系統(tǒng)在大型噴火項目中的應用越來越廣泛。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、短時反復噴火、迅速熄火等，這就要求大型噴火項目用燃氣調壓系統(tǒng)必須能滿足供氣迅速、供氣頻繁、流量變換迅速、調壓穩(wěn)定等特殊要求。然而，由于國內外有關噴火項目用燃氣調壓系統(tǒng)的設計標準規(guī)范較少，噴火項目用燃氣調壓系統(tǒng)的設計和應用在一定程度上受到了限制。本文結合上海飛奧燃氣設備有限公司近幾年在國內外多個大型噴火項目中的設計實踐，對大型噴火項目用燃氣調壓系統(tǒng)的設計要點進行探討。
2噴火設備的用氣特點
    噴火設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)的結構比較復雜，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，要將現場的氣氛調動起來，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壓設備與噴火裝置之間的管路系統(tǒng)內的壓力瞬時降低，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(通常小于1 s)減至零，很容易造成調壓設備與噴火裝置之間的管路系統(tǒng)內的壓力瞬時上升，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。火勢變換的頻率也非常高，一天之內可能有幾十次。雖然火勢變換頻繁，但是燃氣供應系統(tǒng)的壓力必須穩(wěn)定，才能保證噴火的****效果。
3調壓系統(tǒng)的設計要點
由于天然氣的成分比較單一，燃燒后的火焰顏色不絢爛，所以噴火設備使用的介質多為人工煤氣，或添加了人工煤氣的其他介質。因為人工煤氣有一定的腐蝕性，所以噴火系統(tǒng)用調壓器必須耐腐蝕，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，為保證調壓設備和噴火裝置之間的管路系統(tǒng)內的壓力，不會因為瞬時用氣量大而變得過低，必須對調壓器正確選型，并設置合理的下游管道容積。
    按照作用方式不同，燃氣調壓器可分為直接作用式調壓器和間接作用式調壓器。直接作用式調壓器響應迅速，其通常的響應時間小于3 s；而間接作用式調壓器雖在調壓精度方面優(yōu)于直接作用式調壓器，但響應時間較長。因此，在噴火項目中應優(yōu)先選擇直接作用式調壓器。
  ②下游管道容積的設置
  下游管道容積是指調壓器出口與噴火裝置之間的管道容積。由于調壓器需要2～3 s的響應時間才能將閥口全部打開，因此當噴火裝置點火后，管道內的燃氣迅速消耗，而調壓器此時未能完全響應，下游管道內的壓力迅速下降。如下游管道容積過小，壓力會很快降至噴火設備的最低工作壓力，造成熄火。因此，必須在下游設置合適的緩沖管道容積。
    緩沖管道容積的設置通常有兩種方法：一種是過盈計算方法，需結合供氣電磁閥的開啟時間、噴火設備的用氣量、噴火設備的熄火壓力、調壓系統(tǒng)的響應時間和調壓器的流量系數等綜合計算，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，已知噴火設備的****用氣量為6 000 m3／h，受場地限制，噴火設備下游為長30 m、公稱直徑為250 mm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備有限公司閥門與調壓實驗室進行的模擬試驗，得到了調壓系統(tǒng)的出口壓力曲線，見圖1中的A、B段。
已知調壓系統(tǒng)上游的壓力為110 kPa，調壓系統(tǒng)出口壓力設定值為30 kPa。由圖2可知，試驗開始時噴火設備處于關閉狀態(tài)，此時管道內的燃氣壓力為38 kPa(見A段)；當試驗進行到16 s左右時，噴火設備突然點燃，出口壓力陡降至15 kPa左右，之后壓力回升至30 kPa，調壓系統(tǒng)穩(wěn)定工作(見B段)。因此，我們可以判斷：如果噴火設備可以接受最低15 kPa的工作壓力，則30 m長、DN 250 mm的緩沖管道可以滿足使用要求。
3．2熄火
    當噴火結束且供氣電磁閥關閉后，調壓器仍會繼續(xù)供氣，下游管道內的壓力會迅速上升，直至調壓器完全關閉。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，結合供氣電磁閥的關閉時間、噴火設備的用氣量、噴火設備下次開啟時的****允許工作壓力、調壓系統(tǒng)的響應時間和調壓器的流量系數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，調壓系統(tǒng)的出口壓力曲線見圖1中的C段。當突然熄火時，下游壓力迅速上升，僅經過2 s就上升至71 kPa左右。由于該項目使用的供氣電磁閥只有在壓力低于50 kPa時才能正常工作，故必須將出口壓力降至50 kPa以下，才能保證噴火設備下次正常開啟。因此我們在調壓系統(tǒng)的出口段設置了一個降壓裝置，將其壓力設定為43 kPa，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壓器能處于關閉狀態(tài)。
3．3頻繁噴火
    頻繁噴火要求燃氣調壓器能反復啟閉。但是許多燃氣調壓器制造廠家不愿提供調壓器反復啟閉的可靠性試驗數據，因此很難判定所選調壓器是否能滿足反復啟閉的要求。在選擇燃氣調壓器時，建議
選擇大型的燃氣調壓器制造廠家，并要求其提供調壓器反復啟閉可靠性試驗報告，反復啟閉次數宜能達到30×104次以上。
3．4并聯均衡供氣
    通過多個噴火項目的工程實踐，我們發(fā)現采用雙路調壓器并聯調壓，既可實現大流量供氣，又可節(jié)約成本。
    雙路調壓器并聯調壓方式也在香港海洋公園大型噴火項目中得到了應用。其****用氣量為6 000 m3／h，如果采用單路調壓方式，調壓器的公稱直徑為200 mm。公稱直徑如此大的調壓器不但價格昂貴，而且供貨周期長，因此我們嘗試著采用雙路調壓器并聯調壓方式。通過計算得知，只需要2個DN100 mm的調壓器便可滿足****使用流量要求。為了判斷雙路調壓器是否可以均衡供氣，是否存在干擾，調壓精度能否保證，特進行了實驗驗證。
    為了測量雙路調壓器供氣時的閥口開度是否均衡，我們采用了激光測位儀，對調壓器的運動行程進行同步測量。根據調壓器位置不同，分為并聯上調壓器和并聯下調壓器，并聯下調壓器隨噴火設備運行的閥口開度見圖2，圖2與圖1在時間上相對應。
  雙路調壓器并聯調壓的試驗數據見表1。并聯上調壓器和并聯下調壓器的閥口開度基本相同。因此，當出口壓力設置相同時，采用并聯調壓，可以實現均衡供氣，調壓精度為5級。但雙路調壓器并聯凋壓方式并非所有品牌的調壓器均可實現，必須得到試馬龠的有效驗證后方可采用。

調壓器位置	流量/ (m3.h-1)	進口壓力/ kPa	出口壓力/ kPa	閥口開度/ mm	調壓精度
并聯上	5 561	113	40.2	8.03	5級
并聯下	5 528	115	40.2	7.91	5級

4結論
  ①應選擇直接作用式調壓器。
  ②應按照最低的進口壓力下滿足****的使用流量進行調壓器公稱直徑選擇。
    ③燃氣調壓系統(tǒng)與噴火裝置之間應設置合適的緩沖管道容積，采用過盈計算或實驗驗證方法。
    ④熄火后如調壓器出口壓力回升較高，可通過增大緩沖管道容積和設置降壓裝置的方式解決。
    ⑤應選擇反復啟閉可靠性高的調壓器。
    ⑥選擇的調壓器要耐介質腐蝕。
    ⑦當流量較大時，可采用并聯調壓的方式。
    ⑧宜能在項目投運前進行試驗模擬驗證。