燃气调压器机械设计思路及优化方案

燃气调压器机械设计思路及优化方案

游锦堂

长青热能科技（中山）有限公司 广东中山 528400

摘要：燃气调压器是燃气输送使用场合中最常见的一种应用装置，其设计合理是燃气装置使用安全的有力保障，本文从燃气调压器机械设计和应用思路来探讨燃气调压器的优化方向。

关键字：燃气调压器，调压器设计，调压器优化

燃气调压器是燃气输配中的核心设备之一。城镇供气系统一般采用“高压供气，低压入户”的策略。先把燃气压力提高，压缩，然后通过专用燃气管道把高压的燃气输送到各个站点，再通过调压器把高压气体减压和稳压，供终端用户使用。燃气调压器的性能和可靠性对保证居民用气安全具有重大意义。输出压力稳定和使用安全是调压器重要的指标，若燃气调压器的压力波动范围较大，轻则导致燃气具如灶具不能使用，重则会引起不完全燃烧，一氧化碳排放超标影响人体健康。更严重的更可因泄漏而引起爆炸、火灾等安全事故。所以，在压力稳定上要下功夫。

1 燃气调压器的重要性分析

由于调压器使用不当会出现巨大的安全风险，因此，设计上需要将保障其使用安全性放到最高位置。另外，压力稳定与否直接影响到用户的使用体验，所以，设计上还需考虑性能上的优化。以下是设计思路：

1.1 安全性

安全性是调压器第一考虑的问题。在设计时，必须考虑到使用环境适应性。例如使用的压力，温度，输出负荷，内外介质的腐蚀性，抗机械冲击，抗力矩性，寿命等等。

气密性是调压器重要关注点。调压器一般由多段调压机构组成。以便达到调压的稳定性。而各段调压机构之间，各个连接部件之间往往需要进行气密的保障。防止燃气从该处泄漏出来。所以，每个生产厂家，都要在提高气密可靠度方面实施较严格标准和措施。多螺钉法兰配优质橡胶锁紧密封和管螺纹填充优质密封剂锁紧是比较常用的方法。调压器安装调试完毕后，要进行高低温状态下的时效性气密测试，以确保其在恶劣的使用条件下仍能满足气密要求，保障安全。

1.2 使用体验

谈调压器的使用体验，主要是讲调压器的调压特性。

从燃气的使用来看，燃烧工况越好，其应用效率就越高。而影响燃烧工况的主要因素就是燃气的供气稳定性。拿天然气为例，国家标准中，使用压力为2.16KPa±0.32KPa，偏差不能大于0.32KPa，否则会出现诸如功率不足，烟气超标等问题。可见，调压器的供气压力和稳压性能非常重要。

燃气调压器分单级调压和多级调压。单级调压器，其性能静特性曲线比较陡。输出压力波动比较大。气具火焰不稳。影响用户体验。为了提高稳压精度，多级调压及反馈机构的设计就应运而生。多级调压调压器是将多个调压机构设计到一起，同时利用特定结构把出口压力反馈到各级调压器机构处，达到各调压机构协作活动，稳定输气压力的目的。

事实证明，多级反馈调压器（大致结果图可参考图2），性能对比单级调压器有大幅提升。而且流量能力大，稳压精度高的特点，可以保障在燃气应用时的效率性，减少耗损。深受用户喜爱。

2 燃气调压器的应用原理

图1：单级调压器 图2多级调压器

如图1所示，是一个单级调压器，由阀体，阀盖，皮膜，托盘，联动阀芯，阀垫，调压弹簧，调压螺塞等组成。当出口端气体流走，压力降低，皮膜M会因压力降低而下降，阀垫Q下移打开阀口，高压气体又进来补充，达到一个动态压力平衡，于是可以得到相对稳定的低压输出。其输出的压力可通过调压弹簧D来调节大小。这就是调压器的工作过程。

图2是多级调压器，其原理上面1.2点已经谈及。

多级调压器还可以配合其他输配部件组合成一个调压箱，以便使用与多用户，高精度，高负荷场合的使用需要。例如可以增加残液残渣过滤器来保护阀垫关阀可靠性；增加自闭阀门，自动切断以应对突发的欠压超压情况等等。

3燃气调压器设计的优化方向

针对安全性，效益性要求，调压器的设计优化需要从多方面进行考虑。主要是从以下几个方面进行：

3.1燃气调压器材料的优化

燃气调压器的部件必须运作良好，才能发挥出其性能。所以，其所选用材料必须能在恶劣环境下正常运行。

拿皮膜为例，其材料是橡胶。首先它要经得住芳香烃类气体和液体的腐蚀，要求能通过B溶液的浸泡试验。这用一般的丁腈橡胶是比较吃力的，应该使用含氟的配方以增强抗腐性。另外，应添加抗冻增塑剂以适应冬天低温要求。为了增强抗压抗拉能力，可在皮膜不接触燃气的一面设计一层增强纤维。

又如阀体阀盖，传统的做法是采用球墨铸铁材料，但制造工艺粗糙，能耗高，容易生锈。可优化成铸造铝合金，有加工成本低，不会生锈，重量轻便等优点。

3.2燃气调压器结构的优化

某些调压器工作压力较高，要减压到低压场合则必须采用省力机构，例如杠杆。对于用户端的调压器，采用杠杆结构的情况比较普遍。如图3中方案A是杠杆结构，它是能满足使用要求的。不过它有一个不完美的地方是，杠杆的运动是绕支点的圆周运动，导致封闭高压口的胶垫（2）在关闭阀口时不是平压，而是侧压。关闭不易，又容易导致胶垫（2）磨损失效。因此，我们设计了方案B，中间加了一个滑动杆（4），把杠杆的圆周运动转化成直线运动。这样胶垫（2）在关闭阀口时变成正压。解决了关闭不好和易磨损的问题。事实证明，采用了方案B结构的产品性能更佳，耐用性更好。

图3：调压杠杆结构的两种方案

3.3 调压弹簧设计优化

调压弹簧是决定调压器输出压力的关键零件。而刚度是调压弹簧的关键指标。我们可根据公式计算弹簧刚度，（根据各种弹簧材料不同）其计算公式如下：

其中，K代表弹簧刚度，G代表切变模量，d代表钢丝直径，D则代表弹簧中径，n则代表有效圈数。

调压弹簧在设计时，其优化步骤如下：

求解皮膜有效面积A→计算出口压力下的受力F→求解弹簧压缩量x→求解弹簧的刚度k→求解弹簧中径D→选取合适的钢丝直径d→求解弹簧有效圈数n

设计中注意防止因弹簧弹力不够而出现并紧的情况。其优化手段是必须预留弹力安全空间。例如，理论上需要弹力为N的话，设计弹簧力成1.5N。避免调压失效风险发生。

3.4 阀杆稳定性设计及优化

在燃气调压器的开关时，阀杆是主要承压零件，因此，对于阀杆的设计来说，除了满足其抗拉强度之外，还需要考虑其承压能力。阀杆应使用刚度较大的金属件，以保证反映迅速。有条件的话，可以使用不锈钢材，也可以使用铝材。但不能使用塑料件。

4 燃气调压器设计和优化的注意事项

4.1 压力调节与监控

燃气调压器的主要作用就是进行燃气压力调节，稳定的压力输出是其优化的重点，因此，在实际优化和设计时，应对各个参数进行监控和分析。如：规避调节机构过早关闭，造成的低压现象；另一方面要防止阻力过大机构不灵活，导致阀座关闭时间过长，造成的超压现象。必须通过合理的压力调节及反馈监控，去除阻力等因素，保障燃气调压器的合理应用。

4.2 切断压力与放散压力的选择

燃气调压器的功能扩展包括切断压力和释放压力两种模式，在一般情况下，需要将两者结合操作，才能够保障燃气调节效率，因此，在进行设计和优化中，需要根据实际情况来对其进行切断和放散的操作，如压力过高时，可以先放散后切断，而压力过低时，可以先切断后放散，总之，在进行此类设计时，因以安全性和稳定性为原则。

4.3加强调压系统的合理设计

在改进方面，需要从其合理性进行出发和考虑，通过调节其操作顺序、燃气通道的合理设计、传输压力调节、材料设计等进行改进。这就需要设计者对各类燃气调压器的装置更加熟悉，同时，对各种材质以及运作模式较为了解，才能够设计出更加合理的调压系统。

结语

通过对调压器的材料，结构，调压弹簧，以及阀杆稳定性，可以提高一个调压器的性能稳定性和安全性，保证燃气调压器在合理范围内的放心使用。同时，兼顾对气压、环境变化、调压能力等做多方面考虑，能最终实现燃气调压器的品质升级。通过对燃气调压器的优化和改进，将其响应速度、调压精度和范围、过流能力、压力损耗等控制在更好的范围内，满足人们日益增长的性能和质量要求。

参考文献：

1. 杨成宇,谭川东,唐家辉,陈浩,夏有强,刘小平.燃气调压器概念式优化设计[J].内江科技,2018:47-48.

2. 董理.燃气调压器的压力调节浅析[J].百科论坛电子杂志,2019:712.

3. 樊拓,郑晓晴,尹英飞.燃气调压器的应用研究[J].建筑工程技术与设计,2018:719.