燃氣調(diào)壓裝置防火安全技術(shù)研究論文

燃氣調(diào)壓裝置防火安全技術(shù)研究摘要：通過對調(diào)壓裝置安全設(shè)備結(jié)構(gòu)、不同應(yīng)用場合調(diào)壓裝置配置的安全可靠性特性分析，整理出火災(zāi)環(huán)境下燃氣調(diào)壓裝置的安全設(shè)備損壞時的各類破壞風(fēng)險，并針對各類破壞風(fēng)險采取的有效技術(shù)措施，并通過試驗方法加以驗證，以達到有效降低風(fēng)險的目標。1概述在城市燃氣應(yīng)用中，調(diào)壓柜、調(diào)壓箱應(yīng)用非常廣泛，調(diào)壓柜一般設(shè)置在路邊或者城鎮(zhèn)小區(qū)附近的公共場所，調(diào)壓箱一般設(shè)置在城鎮(zhèn)小區(qū)內(nèi)建筑物外墻上。周圍環(huán)境如發(fā)生突發(fā)火災(zāi)事故，可能會導(dǎo)致燃氣調(diào)壓裝置故障，主要表現(xiàn)為調(diào)壓及安全設(shè)備失效等，目前國內(nèi)較少研究在火災(zāi)環(huán)境下各類燃氣調(diào)壓設(shè)施避免火災(zāi)發(fā)生時導(dǎo)致的供氣事故所采取的相關(guān)技術(shù)措施。我們通過對調(diào)壓裝置安全設(shè)備結(jié)構(gòu)、不同應(yīng)用場合調(diào)壓裝置配置的安全可靠性特性分析，整理出火災(zāi)環(huán)境下燃氣調(diào)壓裝置的安全設(shè)備損壞時的各類破壞風(fēng)險。針對各類破壞風(fēng)險采取的有效技術(shù)措施，并通過試驗方法加以驗證，以達到有效降低風(fēng)險的目標。2、燃氣調(diào)壓裝置類型及安全可靠性分級2.1燃氣調(diào)壓裝置應(yīng)用分類調(diào)壓裝置的應(yīng)用類別包括：門站、調(diào)壓站和調(diào)壓箱3大類，分類及其編號見表1。表1調(diào)壓裝置應(yīng)用分類及編號序號分類分類號備注應(yīng)用類別進口/出口壓力級制1門站高高壓站A1包括高/次高站高中壓站A2包括次高/中站中中壓站A32調(diào)壓站高高壓站B1包括高/次高站高中壓站B2包括次高/中站中中壓站B3中低壓站B43調(diào)壓柜/箱次高中壓柜/箱C1中中壓柜/箱C2中低壓柜/箱C3低低壓調(diào)壓箱C42.2燃氣調(diào)壓裝置的安全可靠性分級影響燃氣調(diào)壓裝置安全可靠性的因素很多，我們按照燃氣調(diào)壓裝置的系統(tǒng)安全可靠性、設(shè)備防火安全性和外部防護安全性3個因素進行分級。2.2.1燃氣調(diào)壓裝置的系統(tǒng)安全可靠性分級1）燃氣調(diào)壓裝置管道結(jié)構(gòu)的安全可靠性分級燃氣調(diào)壓裝置管道結(jié)構(gòu)的安全可靠性分級見表2。表2燃氣調(diào)壓裝置管道結(jié)構(gòu)的安全可靠性分級表燃氣調(diào)壓裝置管道結(jié)構(gòu)的安全可靠性分級號G1G2G3G4調(diào)壓管道結(jié)構(gòu)形式1+01+12+02+1注：調(diào)壓管道結(jié)構(gòu)中，“+”前一位數(shù)為調(diào)壓路數(shù)，后一位數(shù)為調(diào)壓旁通數(shù)2）調(diào)壓路設(shè)備配置的安全可靠性分級調(diào)壓管路由調(diào)壓設(shè)備（調(diào)壓器）和安全裝置（監(jiān)控器、緊急切斷閥或放散閥）等組成，調(diào)壓路設(shè)備配置的安全可靠性分級見表3。表3調(diào)壓管路設(shè)備配置的安全可靠性分級表3）站控系統(tǒng)的安全可靠性分級燃氣調(diào)壓裝置站控系統(tǒng)的的安全可靠性分級見表4。表4站控系統(tǒng)的的安全可靠性分級表站控系統(tǒng)的的安全可靠性分級號Z0Z1Z2Z3數(shù)據(jù)監(jiān)測無有有有遠程切斷無無有有遠程調(diào)節(jié)（限流、調(diào)壓等）無無無有2.2.2燃氣調(diào)壓裝置設(shè)備防火安全性分級1）調(diào)壓器（包括工作調(diào)壓器和監(jiān)控調(diào)壓器）根據(jù)GB27790-2010《城鎮(zhèn)燃氣調(diào)壓器》，調(diào)壓器按其工作原理分為直接作用式和間接作用式兩種。直接作用式調(diào)壓器為截止閥式結(jié)構(gòu)，在主膜片破損失效狀態(tài)下，該類型的調(diào)壓器一般均處于全開狀態(tài)；間接作用式調(diào)壓器常用結(jié)構(gòu)型式為截止閥式、軸流式和隔膜式等3種結(jié)構(gòu)，其調(diào)節(jié)機構(gòu)通常為指揮器，在主膜片或指揮器膜片破損等失效狀態(tài)下，該類型的調(diào)壓器有全開或全關(guān)兩種狀態(tài)?；馂?zāi)發(fā)生時調(diào)壓器的膜片破損，如調(diào)壓器閥口保持開啟狀態(tài)（失效開啟），出口壓力會突然增高，調(diào)壓裝置下游管道及用氣設(shè)備會面臨超壓危險；如調(diào)壓器閥口保持關(guān)閉狀態(tài)（失效關(guān)閉），由于調(diào)壓器閥口或指揮器損壞，出口壓力會緩慢增高，下游管道及用氣設(shè)施仍會面臨超壓危險。目前城鎮(zhèn)燃氣使用的調(diào)壓器以失效開啟型為主，火災(zāi)后超壓風(fēng)險必須予以考慮。據(jù)此，調(diào)壓器的防火安全分級見表5。表5：調(diào)壓器防火安全分級表調(diào)壓器防火安全等級T0T1火災(zāi)后調(diào)壓器狀態(tài)全開關(guān)閉，有泄漏調(diào)壓器類別所有失效開啟型調(diào)壓器失效關(guān)閉型的調(diào)壓器典型調(diào)壓器原理圖1—設(shè)定元件；2—驅(qū)動器；3—膜片；4—信號管；5—閥座；6—閥墊；7—調(diào)壓器殼體；8—調(diào)節(jié)元件；9—驅(qū)動器殼體；10—呼吸孔1—指揮器；2—過程管；3—驅(qū)動器；4—信號管；5—驅(qū)動腔；6—閥座；7—閥墊；8—調(diào)壓器殼體；9—調(diào)節(jié)元件；10—金屬隔板；11—驅(qū)動器殼體說明火災(zāi)后，膜片3損壞，膜片上下腔壓力一致，調(diào)壓器在工作彈簧（設(shè)定元件1）作用下全開火災(zāi)后，膜片（驅(qū)動器3）損壞，膜片上下腔壓力一致，調(diào)壓器在閥芯輔助彈簧（驅(qū)動器3）作用下關(guān)閉，同時：A、氣體可能會經(jīng)過導(dǎo)閥（指揮器1）系統(tǒng)進入下游管道；B、閥座為橡膠件密封，火災(zāi)后也會導(dǎo)致密封不嚴而泄漏。2）緊急切斷閥按CJ/T335-2010《城鎮(zhèn)燃氣切斷閥和放散閥》，緊急切斷閥按工作原理分為直接作用式和間接作用式兩種；按結(jié)構(gòu)型式，分為截止閥式、軸流式和翻板式等3種；按切斷壓力大小可分為超壓切斷和超壓欠壓切斷2種。當(dāng)緊急切斷閥內(nèi)采用橡膠薄膜時，如緊急切斷閥設(shè)置為超壓切斷，則其薄膜破損時將不能啟動切斷；如緊急切斷閥設(shè)置為超壓/欠壓時切斷，火災(zāi)導(dǎo)致其皮膜破損時啟動欠壓切斷。緊急切斷閥的防火安全分級見表6。表6：緊急切斷閥防火安全分級表緊急切斷閥防火安全分級Q0Q1Q2火災(zāi)后狀態(tài)無法關(guān)閉調(diào)壓器失效后關(guān)閉調(diào)壓器失效前關(guān)閉典型原理圖直接作用式緊急切斷閥間接作用式緊急切斷閥3）全流量放散閥/安全閥按CJ/T335-2010《城鎮(zhèn)燃氣切斷閥和放散閥》，放散閥按工作原理分為直接作用式和間接作用式兩種；按GB/T12241-2005《安全閥一般要求》，安全閥按工作原理分為微啟式、全啟式和先導(dǎo)式等3種。全流量放散閥和安全閥的防火安全分級見表7。表7：全流量放散閥和安全閥的防火安全分級表全流量放散閥/安全閥防火安全分級F1F2F3火災(zāi)后狀態(tài)無放散正常放散，有泄漏正常放散類別間接作用式放散閥閥座材質(zhì)為橡膠的安全閥膜片和閥座材質(zhì)為金屬的安全閥典型原理圖微啟式/全啟式安全閥先導(dǎo)式安全閥說明該結(jié)構(gòu)的放散閥，在火災(zāi)狀態(tài)下，導(dǎo)閥膜片失效，放散閥閥口始終處于關(guān)閉位置（閥芯破壞除外），無法起到放散作用，而且氣體通過膜片直接進入彈簧腔之前有O形圈，在O形圈未受到破壞之前，不會向大氣排放。安全閥，由于沒有膜片，故在火災(zāi)狀態(tài)下，安全閥能起到正常的超壓放空作用（閥芯破壞除外）。但閥座為橡膠件密封，火災(zāi)后也會導(dǎo)致密封不嚴而泄漏。安全閥，由于沒有膜片，故在火災(zāi)狀態(tài)下，安全閥能起到正常的超壓放空作用（閥芯破壞除外）。2.2.3燃氣調(diào)壓裝置外部防護安全性分級燃氣調(diào)壓裝置外部防護安全性分級見表8。表8：燃氣調(diào)壓裝置外部防護安全性分級表燃氣調(diào)壓裝置外部防護安全性分級W0W1W2W3外部防護說明無防護箱體防護建筑物防護圍墻防護2.3國內(nèi)燃氣調(diào)壓裝置安全防范現(xiàn)狀經(jīng)統(tǒng)計了解，目前國內(nèi)燃氣調(diào)壓裝置的系統(tǒng)安全可靠性、防火安全性、外部防護安全性現(xiàn)狀見表9、表10、表11。表9：燃氣調(diào)壓裝置的系統(tǒng)安全可靠性現(xiàn)狀分析表序號大類調(diào)壓裝置分類號調(diào)壓裝置管道結(jié)構(gòu)調(diào)壓路設(shè)備配置站控系統(tǒng)G1G2G3G4S1S2S3S4Z0Z1Z2Z31門站A1●◎◎●●◎A2●◎◎●●◎A3●◎●◎●◎◎2調(diào)壓站B1●◎◎●●◎B2●◎◎●●◎B3●◎●◎●◎◎B4◎●●●●3調(diào)壓柜/箱C1●◎◎●●◎C2●◎◎●●◎C3●●●●●◎C4◎●●●符號說明●表示常用◎表示不常用表10：燃氣調(diào)壓裝置的設(shè)備防火安全性現(xiàn)狀分析表序號大類調(diào)壓裝置分類號調(diào)壓器監(jiān)控調(diào)壓器緊急切斷閥放散閥/安全閥T0T1T0T1Q0Q1Q2F1F2F31門站A1●◎●●◎●A2●◎●●◎●A3●◎●●●2調(diào)壓站B1●●◎●B2●●◎●B3◎●●◎●B4●●●3調(diào)壓柜/箱C1●●◎●C2◎●●◎●C3●●●C4●●符號說明●表示常用◎表示不常用表11：燃氣調(diào)壓裝置的外部防護安全性現(xiàn)狀分析表序號大類調(diào)壓裝置分類號外部防護W0W1W2W31門站A1●A2●A3●2調(diào)壓站B1●B2●B3●B4◎●3調(diào)壓柜/箱C1●C2●C3●C4●符號說明●表示常用◎表示不常用由表9、表10和表11，結(jié)合燃氣調(diào)壓裝置的系統(tǒng)安全可靠性、設(shè)備防火安全性、外部防護安全性等分級分析，可得出以下結(jié)論：1）我國在燃氣調(diào)壓裝置的系統(tǒng)安全可靠性方面已高于EN12186規(guī)定的基本要求。根據(jù)EN12186“Gassupplysystems-Gaspressureregulatingstationsfortransmissionanddistribution-Functionalrequirements”，當(dāng)進口壓力小于0.01MPa時，不需要設(shè)置安全裝置；當(dāng)進出口壓差小于等于1.6MPa時，需要設(shè)置1個安全裝置；當(dāng)進出口壓差大于1.6MPa時，需要設(shè)置2個安全裝置。2）燃氣調(diào)壓裝置的外部防護安全性方面，門站和調(diào)壓站都設(shè)置了圍墻，調(diào)壓裝置與附近建筑物有一定的防火安全間距，站內(nèi)都設(shè)有消防設(shè)施，周圍的火災(zāi)不會對調(diào)壓設(shè)施造成影響；調(diào)壓柜和調(diào)壓箱有外部箱體防護，基本能防范人為破壞。所以，燃氣調(diào)壓裝置的外部防護安全性現(xiàn)狀能滿足使用要求，但調(diào)壓柜/箱主要設(shè)置在公共場所或者城市小區(qū)內(nèi)，周圍環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)從設(shè)備的防火安全性方面進行提升。3）燃氣調(diào)壓裝置的設(shè)備安全性方面，除中低壓和低低壓調(diào)壓裝置外，調(diào)壓器（和監(jiān)控調(diào)壓器）基本能實現(xiàn)T1等級，放散閥/安全閥基本能實現(xiàn)F2等級，而緊急切斷閥僅能實現(xiàn)Q0等級（火災(zāi)狀態(tài)下，無法關(guān)閉）。所以，緊急切斷閥的設(shè)備安全性提升是本文重點考慮方向。3燃氣調(diào)壓裝置火災(zāi)防范技術(shù)方案路線3.1技術(shù)方案緊急切斷閥的火災(zāi)防范從兩個方面進行考慮，分別為：改善緊急切斷閥膜片的耐溫性能，使調(diào)壓器膜片在火災(zāi)破損致使調(diào)壓器出口壓力升高時，緊急切斷閥能超壓切斷；緊急切斷閥在火災(zāi)后感應(yīng)到溫度升高，并在調(diào)壓器和切斷閥膜片破損前，緊急切斷閥能夠提前切斷。為此，我們確定了如下幾種技術(shù)方案，并進行了試驗驗證。1）方案1：將緊急切斷閥在超壓切斷功能基礎(chǔ)上，增加欠壓切斷功能。當(dāng)調(diào)壓器膜片先于緊急切斷閥膜片破損時，調(diào)壓器出口壓力升高至緊急切斷閥設(shè)定壓力后，緊急切斷閥能超壓切斷；而當(dāng)緊急切斷閥膜片先破損時，緊急切斷閥膜片兩側(cè)所受壓差為零，緊急切斷閥能欠壓切斷。2）方案2：將緊急切斷閥膜片由傳統(tǒng)的橡膠膜片改為金屬膜片。由于金屬膜片的熔點明顯要高于橡膠膜片，故在火災(zāi)狀態(tài)下，調(diào)壓器膜片必定先于緊急切斷閥膜片破損，此時，調(diào)壓器出口壓力升高至緊急切斷閥設(shè)定壓力后，緊急切斷閥能超壓切斷。3）方案3：將緊急切斷閥反饋管處增加易熔閥，并使緊急切斷閥具備超壓和欠壓切斷功能，如圖1所示。易熔閥是一個三通閥，在正常環(huán)境溫度下，易熔閥的AB端口導(dǎo)通，緊急切斷閥按正常方式工作；在火災(zāi)狀態(tài)下，環(huán)境溫度達到易熔閥設(shè)定溫度（100℃、130℃或160℃）時，易熔閥內(nèi)的金屬物質(zhì)熔化，易熔閥的BC端口導(dǎo)通，切斷閥膜片腔至易熔閥內(nèi)氣體排出，緊急切斷閥由于欠壓而切斷。圖中，1——進口截斷閥2——進口壓力表3——調(diào)壓器3.1——切斷閥3.2——易熔閥MTV4——出口壓力表5——調(diào)試球閥6——出口截斷閥圖1：方案3工作原理圖4）方案4：將緊急切斷閥反饋管處增加易熔閥，并將易熔閥的C端與進口管道相連，緊急切斷閥僅具備超壓切斷功能，如圖2所示。易熔閥是一個三通閥，在正常環(huán)境溫度下，易熔閥的AB端口導(dǎo)通，緊急切斷閥按正常方式工作；在火災(zāi)狀態(tài)下，環(huán)境溫度達到易熔閥設(shè)定溫度（100℃、130℃或160℃）時，易熔閥內(nèi)的金屬物質(zhì)熔化，易熔閥的BC端口導(dǎo)通，切斷閥膜片腔與進口壓力相連，由于超壓而切斷。圖中，1——進口截斷閥2——進口壓力表3——調(diào)壓器3.1——切斷閥3.2——易熔閥MTV4——出口壓力表5——調(diào)試球閥6——出口截斷閥圖2：方案4工作原理圖3.2試驗驗證我們分別對上述四種技術(shù)方案進行了試驗驗證，試驗方法及結(jié)果如下：3.2.1對方案1的試驗驗證將具有超壓和欠壓切斷功能的緊急切斷閥如圖3所示安裝于測試裝置上，將調(diào)壓器設(shè)定為2kPa、緊急切斷閥設(shè)定為4kPa（超壓）和1.1kPa（欠壓）。圖中，1——進口截斷閥2——進口壓力表3——調(diào)壓器3.1——切斷閥3.2——易熔閥MTV4——出口壓力表5——調(diào)試球閥6——出口截斷閥圖3：方案1工作原理圖步驟A：由1進口截斷閥處向測試裝置通氣0.1MPa，開啟測試閥門5，并用噴火槍對調(diào)壓器膜片腔噴火一段時間后，發(fā)現(xiàn)出口壓力表4顯示壓力突然升高后降為零，同時緊急切斷閥已切斷；打開調(diào)壓器膜片腔，發(fā)現(xiàn)調(diào)壓器膜片已破損。步驟B：更換調(diào)壓器膜片后，再次向測試裝置通氣0.1MPa，開啟測試閥門5，并用噴火槍對緊急切斷閥膜片腔噴火一段時間后，發(fā)現(xiàn)出口壓力表4顯示壓力突然降低直至零，同時緊急切斷閥已切斷；打開緊急切斷閥膜片腔，發(fā)現(xiàn)緊急切斷閥膜片已破損。但是，按步驟B多次重復(fù)試驗后，緊急切斷閥已無法切斷，對緊急切斷閥整體分解后，確定是閥桿變形錯位所致。3.2.2對方案2的試驗驗證將具有超壓功能的緊急切斷閥膜片更換為金屬膜片后如圖3所示安裝于測試裝置上，并將調(diào)壓器設(shè)定為2kPa、緊急切斷閥設(shè)定為4kPa（超壓）。步驟A：由1進口截斷閥處向測試裝置通氣0.1MPa，開啟測試閥門5，用噴火槍同時對調(diào)壓器膜片腔和緊急切斷閥膜片腔噴火一段時間后，發(fā)現(xiàn)出口壓力表4顯示壓力突然升高后降為零，同時緊急切斷閥已切斷；分別打開調(diào)壓器和緊急切斷閥膜片腔，發(fā)現(xiàn)調(diào)壓器膜片已破損、緊急切斷閥膜片正常。步驟B：對安裝了金屬膜片的緊急切斷閥按CJ/T335-2010《城鎮(zhèn)燃氣緊急切斷閥和放散閥》第6章要求進行各項常規(guī)型式試驗，能夠滿足各項性能指標要求。步驟C：對安裝了金屬膜片的緊急切斷閥進行極限工作溫度-20℃和60℃下的切斷精度試驗（緊急切斷閥設(shè)定壓力分別為3.2kPa、4.0kPa和8.1kPa），滿足EN14385:2005”Safetydevicesforgaspressureregulatingstationsandinstallations-Gassafetyshut-offdevicesforinletpressuresupto100bar”中Table10的要求，試驗結(jié)果如表12。表12安裝了金屬膜片的緊急切斷閥極限工作溫度-20℃和60℃下的切斷精度試驗緊急切斷閥設(shè)定壓力kPa試驗溫度℃實測切斷壓力kPa切斷誤差切斷精度備注3.2-203.8520.31%AG303.9021.88%AG303.8520.31%AG30603.5510.94%AG203.5510.94%AG203.5410.63%AG204.0-204.5213.00%AG204.5513.75%AG204.5814.50%AG20604.4511.25%AG204.4611.50%AG204.4010.00%AG108.1-208.606.17%AG108.585.93%AG108.606.17%AG10608.403.70%AG58.504.94%AG58.454.32%AG53.2.3對方案3的試驗驗證將易熔閥置于高低溫箱內(nèi)，其3個接口（A、B和C）分別連接至圖1所示的測試裝置上，并將調(diào)壓器設(shè)定為2kPa、緊急切斷閥設(shè)定為4kPa（超壓）和1.1kPa（欠壓），易熔閥設(shè)定溫度為130℃。由1進口截斷閥處向測試裝置通氣0.1MPa，開啟測試閥門5，將高低溫箱逐步升溫，當(dāng)溫度達到132℃時，C口有氣體排出、出口壓力表4降為零、緊急切斷閥切斷。重復(fù)3次，切斷閥切斷時的溫度分別為125℃、131℃和136℃。3.2.4對方案4的試驗驗證將易熔閥置于高低溫箱內(nèi)，其3個接口（A、B和C