使用IP轉換器實現燃氣遠程調壓

摘 要

摘要：探討了使用IP轉換器實現燃氣遠程調壓的技術方案，在安全穩定運行的基礎上降低了遠程調壓的造價。通過實驗證明了調壓器的出口壓力與IP轉換器的輸入電流成線性關系。關鍵詞
摘要：探討了使用IP轉換器實現燃氣遠程調壓的技術方案，在安全穩定運行的基礎上降低了遠程調壓的造價。通過實驗證明了調壓器的出口壓力與IP轉換器的輸入電流成線性關系。
關鍵詞：IP轉換器；遠程調壓；電動執行機構
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
   對于門站和高-中壓調壓站，除了吸收國內廠站設計、建造、運行的寶貴經驗，還應拓寬思路，在條件允許的情況下采用相關領域的先進技術，以達到降低成本、保障安全穩定運行的目的。
   本文對一個工業領域運用多年、中下游燃氣場站鮮有應用的遠程調壓方案進行探討。
1 原有燃氣遠程調壓方案
   門站和高-中壓調壓站最主要的功能是計量和調壓，計量一般采用超聲波流量計或渦輪流量計配合流量計算機進行，而調壓為了追求高精度的調壓效果，一般采用指揮器式調壓器。除此之外，就是廠站的監控系統，要求對廠站各管道的溫度、壓力、流量、閥位、燃氣泄漏等情況進行全面采集，形成報表，上傳至城市管網SCADA系統。其中，對溫度、壓力、流量及燃氣泄漏等情況的采集，在現場1區就使用了集成的電子元件，如溫度變送器、壓力變送器、流量計算機、探頭傳感器，可以精確快速地上傳數字量信號、RS485協議數據等。僅有調壓裝置，作為一款機械傳動的設備，需要加裝信號發生器以實現閥位遠傳，加裝電動馬達以驅動傳動機構調節彈簧。
    圖1是集成了閥位遠傳和遠程控制調壓的電動執行機構與指揮器式調壓器連接工作的示意圖。這種工作方式技術原理比較完善，指揮器、電動執行機構都是成熟產品，整套方案應用成熟。
 
2 使用IP轉換器實現燃氣遠程調壓的方案
    皮膜作為調壓器中靠近中心結構的部件，拆裝比較麻煩，且其厚度、材質、面積、形狀對調壓效果都會產生影響，其中任何一個因素都難以與調壓效果實現線性匹配。而彈簧可以簡單地通過改變長度等參數來實現這一線性匹配，且庫存保管條件要求低，因此現有的燃氣遠程調壓方案都是在調壓器彈簧連桿上做文章。當現場需要改變壓力時，通常是在彈性范圍內擰松或擰緊彈簧，超出范圍時更換另一范圍的彈簧。在這樣的慣性思維下，原有燃氣遠程調壓方案就采用了直接驅動電動馬達擰彈簧來實現。
    回顧調壓器的工作原理，不難發現，影響調壓的因素有彈簧、皮膜、皮膜上下方壓力差。調壓器調壓的工作原理見圖2。
 
    IP轉換器參與調壓控制是通過改變皮膜上下方壓力差得以實現。IP轉換器作為電氣轉換器的一種，是將電動儀表的標準直流信號(0～10mA或4～20mA)轉換成氣動儀表的標準氣壓信號。
    使用IP轉換器遠程調壓的工作原理見圖3，IP轉換器的輸出氣體端連接皮膜上方。當IP轉換器接收到的模擬信號量變大，背壓區壓力升高，壓力差使皮膜及閥口連桿向下運動，閥口開度增大，下游壓力升高；當IP轉換器接收到的模擬信號量變小，背壓區壓力降低，壓力差使皮膜及閥El連桿向上運動，閥口開度減小，下游壓力降低。整個控制過程平緩且無需強外力驅動，大大減小了彈簧的強制動作受壓，與正常調壓時各部件動作幅度無異。
 
    用在指揮器式調壓器上時，IP轉換器輸出氣體端只需連接指揮器大氣腔。
    通過分析可以推斷出調壓器的出口壓力與IP轉換器接收的電流信號呈線性關系。下面設計實驗進行驗證。
3 遠程調壓線性關系的實驗驗證
   ① 實驗原理
   IP轉換器輸入電流作為變量1，調壓器出口壓力作為變量2，理想狀況下變量1和變量2的最小值對應關系、最大值對應關系、中間值對應關系3個基準作為實驗的已知條件，改變變量1至全區間，測出變量2對應的區間。
    IP轉換器輸入電流與調壓器出口壓力對應關系的理想狀況是4～20mA對應0.02～0.3MPa。即已知條件為4mA對應0.02MPa，或者20mA對應0.3MPa，或者15mA對應0.3MPa，再逐步測出IP轉換器輸入電流4～20mA對應的IP轉換器出口壓力及調壓器出口壓力，以獲得4～20mA輸入電流與各壓力的對應關系。
   ② 實驗步驟
   將一臺指揮器式調壓器的背壓區接通IP轉換器的輸出氣體端(見圖3)，進行3個步驟的實驗，實驗中調壓器的入口壓力和IP轉換器的入口壓力均為0.5MPa。
    步驟一：以4mA對應0.02MPa為基準，IP轉換器的輸入電流為4mA，設置調壓器彈簧的初始壓力為0.02MPa，逐步增大IP轉換器的輸入電流，直至20mA。實驗數據見表1。
表1 以4mA對應0.02MPa為基準時，IP轉換器輸入電流和IP轉換器、調壓器的出口壓力
IP轉換器輸入電流/mA
IP轉換器出口壓力/MPa
調壓器出口壓力/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
   步驟二：以20mA對應0.3MPa為基準，IP轉換器的輸入電流為20mA，設置調壓器彈簧的初始壓力為0.33MPa(考慮了10%的運行壓降)。進行調壓器初始壓力調節時，為避免皮膜上下方壓差突然增大造成損害，先將調壓器彈簧螺母調松，放散，從4mA起逐步增大IP轉換器的輸入電流，直至20mA。此時彈簧螺母已經是最松的狀態，對應調壓器出口壓力最小為0.385MPa，不能調至0.33MPa。因此，選取20mA以下的輸入電流對應0.33MPa，輸入電流為19mA時也無法將調壓器出口壓力調至0.33MPa，因此選取18mA對應0.33MPa，再重復步驟一。實驗數據見表2。
表2 以20mA對應0.3MPa為基準時，IP轉換器輸入電流和IP轉換器、調壓器的出口壓力
IP轉換器輸入電流/mA
IP轉換器出口壓力/MPa
調壓器出口壓力/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
    步驟三：以15mA對應0.3MPa為基準，IP轉換器輸入電流為15mA，設置調壓器彈簧的初始壓力為0.33MPa(考慮了10%的運行壓降)。調整好調壓器彈簧螺母后，放散，從4mA起逐步增大IP轉換器輸入電流，直至20mA。實驗數據見表3。
表3 以15mA對應0.3MPa為基準時，IP轉換器輸入電流和IP轉換器、調壓器的出口壓力
IP轉換器輸入電流/mA
IP轉換器出口壓力/MPa
調壓器出口壓力/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
—
—
    從實驗數據可以分析得出，選擇了合適的對應關系，則4～20mA與調壓器出口壓力線性相關，與常規高精度調壓器正常工作實現的精度曲線無異。
4 2套燃氣遠程調壓方案的比較
    ① 使用IP轉換器實現遠程調壓的方案，其主體設備僅為IP轉換器，體積小，動作原理簡單，產品成熟，安裝使用都非常方便。原有方案中閥位遠傳和遠程控制裝置包括電機、伺服放大器、傳動機構、減速箱，控制原理決定了其設備成本高；且大部分品牌的產品采用分體設計，對現場安裝提出了更高的要求。
   ② 使用IP轉換器實現遠程調壓的方案，僅需弱電，可共用現場弱電箱，動力裝置僅需與現場其他氣動裝置一致，或直接采用氮氣瓶，施工簡捷。原有方案遠程控制所需的電動馬達需要1區強電供電，尤其在1區無其他強電需求的情況下，設計、施工工作量增大。
  ③ 使用IP轉換器實現遠程調壓的方案，在不更換彈簧的情況下，可線性擴大調壓器出口壓力范圍，原有方案無法做到。
   ④ 使用IP轉換器實現遠程調壓的方案，節省設備造價50%以上。
5 結語
    使用IP轉換器實現遠程調壓控制同原有的電動執行機構遠程控制一樣，涉及若干設備的配合，因此實際使用時，需要現場反復調試，以獲得最佳的模擬信號值與調壓值線性對應的區間，才能實現最佳的運行效果。
 
(本文作者：盧燕 廣州多美時燃氣設備有限公司 廣東廣州 510170)