直埋式地下燃?xì)庹{(diào)壓站的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

上海飛奧燃?xì)庠O(shè)備有限公司

王 進(jìn) 施漢龍 曹 暉 石麗麗 胡軼佳

城市發(fā)展進(jìn)程中，建筑和人口密度不斷加大，城市規(guī)劃與燃?xì)庹{(diào)壓設(shè)施之間的矛盾日益突出。埋地式燃?xì)庹{(diào)壓站解決了燃?xì)庹{(diào)壓站原有的占地面積大、周邊環(huán)境不美化和噪聲問題，成為燃?xì)庹{(diào)壓站創(chuàng)新的布置方式。

目前市場上埋地式燃?xì)庹{(diào)壓站的整體結(jié)構(gòu)形式分為兩種[1]：一種是直埋式燃?xì)獾叵抡{(diào)壓站，直接安裝于地下，結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是將切斷閥與過濾網(wǎng)放在同一個(gè)筒體內(nèi)，氣體經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后再流經(jīng)切斷閥，最后到低壓筒體進(jìn)行降壓，這種整體集成式設(shè)計(jì)能減少設(shè)備體積，但因未考慮濾網(wǎng)筒排污問題，濾網(wǎng)更換和檢查都有難度；另一種是傳統(tǒng)箱式埋地燃?xì)庹{(diào)壓站，結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是將調(diào)壓裝置整體置于一個(gè)大箱體內(nèi)，再將整個(gè)大箱體安裝于地下，但需考慮整體箱體向頂部開啟的便利性，使整體尺寸受到限制，從而調(diào)壓裝置的管徑也受限而不易過大，最終導(dǎo)致調(diào)壓裝置的流通能力很小。

1 主要部件設(shè)計(jì)

直埋式燃?xì)庹{(diào)壓站主要部件設(shè)計(jì)中，防水、防腐和排污是必須考慮的首要問題，也是參考規(guī)范T/CECS 10165－2021《直埋式城鎮(zhèn)燃?xì)庹{(diào)壓箱》(以下簡稱調(diào)壓箱規(guī)范)的基本要求。除此以外，站內(nèi)儀表、閥門的操作與維修方便性，濾芯更換的方便性，調(diào)壓站整體成本、智能化設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。著眼以上關(guān)鍵點(diǎn)，直埋式調(diào)壓站采用分體式設(shè)計(jì)更能貼近以上需求，結(jié)構(gòu)簡單明晰，操作維護(hù)便利，具有更廣泛的擴(kuò)展性。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

直埋式地下調(diào)壓站分體式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，

圖1 直埋式地下調(diào)壓站分體式結(jié)構(gòu)

由6 個(gè)模塊組成：進(jìn)口模塊、過濾模塊、切斷模塊、調(diào)壓模塊、出口模塊、放散模塊。每個(gè)模塊各自獨(dú)立，因此在各自維修過程均不會(huì)影響其他模塊的部件，且操作、巡檢中一目了然，站內(nèi)儀表、閥門操作與維修也比較簡單方便。前5 個(gè)模塊間采用焊接方式進(jìn)行連接，減少了法蘭接口，避免埋地狀態(tài)因土壤支架沉降引起調(diào)壓站法蘭失效而造成燃?xì)庑孤?，且泄漏的燃?xì)鈺?huì)在土壤中擴(kuò)散或積聚，難以監(jiān)測。各模塊間的連接方式參考調(diào)壓箱規(guī)范中5.1.7：直埋式調(diào)壓箱與外部燃?xì)夤艿赖倪B接應(yīng)采用焊接連接型式。直埋式地下調(diào)壓站中所有的設(shè)備采用上裝式，觀察、檢修過程中均可在地面觸手可及，可同樣參考滿足調(diào)壓箱規(guī)范中5.1.4c)直埋式調(diào)壓箱箱體應(yīng)為地面操作與維護(hù)的結(jié)構(gòu)。

直埋式地下調(diào)壓站的排污集中在圖1 中過濾模塊的底部，通過大半徑彎頭連接，將排污口延伸至操作箱內(nèi)，便于在上部統(tǒng)一檢修、監(jiān)測等操作。每個(gè)分體模塊上部需操作的部件均設(shè)置在獨(dú)立的小操作箱內(nèi)，在地面上均可觸手可及。

1.2 防護(hù)部件設(shè)計(jì)

用于防護(hù)的操作箱直接影響整體設(shè)備的操作、維護(hù)及整體使用壽命，因此防護(hù)部件也是直埋式地下調(diào)壓站中的關(guān)鍵設(shè)備。英國燃?xì)鈱I(yè)學(xué)會(huì)IGEM行業(yè)規(guī)范推薦操作箱容積低于0.5 m3，箱體上可不設(shè)置通風(fēng)設(shè)施，并不應(yīng)使用減少自由體積的可拆卸方式[2]。此設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，一是可取消傳統(tǒng)埋地式調(diào)壓箱設(shè)置對流通風(fēng)管，二是可減少各功能模塊操作箱的受力。每個(gè)功能模塊上部獨(dú)立設(shè)置的操作箱容積均小于0.5 m3，由鋼材制作的操作箱體下部與設(shè)備整體均采用焊接式連接，頂部開蓋。

為提高整體設(shè)備的使用壽命，操作箱需具備一定的防水、防腐能力，從而保證裝置的安全運(yùn)行。對操作箱的箱體平面密封結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行了以下兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，見圖2。

圖2 箱體平面密封結(jié)構(gòu)

第一種設(shè)計(jì)：密封件下方安裝固定在操作箱箱體平面處，如圖2a)所示。箱體采用雙重密封防護(hù)措施，第一層是靠箱蓋與密封墊壓緊所起到的防護(hù)；第二層防護(hù)來源于采用箱體向上折邊的結(jié)構(gòu)，當(dāng)水位低于折邊高度可有效避免外部水進(jìn)入操作箱內(nèi)。為應(yīng)對上述安裝方式和便于密封墊的安裝，并考慮整體尺寸及折邊不易過寬的要求，箱體四角處的密封件需采用拼接形式，并采用條形狀可彎曲的多孔型材料進(jìn)行安裝。最后將此安裝完成后的操作箱體整體浸沒在水池中，在閉水試驗(yàn)中出現(xiàn)了滲水現(xiàn)象。該結(jié)果表明此設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)無法保證密封墊的環(huán)形密封。

第二種設(shè)計(jì)：密封件采用硬度HB40-70 的多硅膠材料，嵌在箱蓋內(nèi)平面的環(huán)槽內(nèi)，密封墊整體成型形成“O”型密封，如圖2b)所示。此密封結(jié)構(gòu)同樣具有雙重密封結(jié)構(gòu)，第一層是箱體的折邊(可有效限制低水位進(jìn)入箱體內(nèi))，第二層是整體成型的密封墊。經(jīng)過60 h 閉水試驗(yàn)，能有效阻止外部水的滲入。該結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)可有效地防止一定時(shí)間段內(nèi)雨水的滲入。

上述2 種防護(hù)部件的設(shè)計(jì)有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)傳統(tǒng)地下調(diào)壓箱中的自然通風(fēng)管，通風(fēng)效果有限，尺寸較大，不利于周邊環(huán)境的美化。獨(dú)立操作箱體方式可避免傳統(tǒng)地下調(diào)壓箱通風(fēng)管的設(shè)置問題，有效改善對周邊環(huán)境的影響。

(2)操作箱由鋼材制作，鋼材的抗彎能力取決于形狀、屈服強(qiáng)度、化學(xué)成分等因素?？箯潖?qiáng)度的計(jì)算見式(1)：

式中：f——抗彎強(qiáng)度，MPa；

F——外載荷力，N；

L——測試臺(tái)支撐鋼板間距，mm；

b——鋼板寬度，mm；

h——鋼板厚度，mm。

獨(dú)立操作箱體的截面積和寬度b變小，b變小后會(huì)導(dǎo)致f變大，即抗彎能力得到大大的提升。

1.3 智能化部件設(shè)計(jì)

埋地式調(diào)壓站通常布置在地下或半地下，不便直面觀察，因此智能化的設(shè)計(jì)尤為重要。調(diào)壓站內(nèi)的智能部件設(shè)計(jì)體現(xiàn)在整站壓力的遠(yuǎn)程監(jiān)測、切斷狀態(tài)的監(jiān)測、壓力的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。

壓力的遠(yuǎn)程監(jiān)控可采用在地下調(diào)壓站的各路進(jìn)口及調(diào)壓出口處、過濾器進(jìn)出口處設(shè)置取樣口，連接至裝置旁的小型多通道智能控制器方式來實(shí)現(xiàn)。控制器采用數(shù)字傳感器、嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，對進(jìn)出口壓力、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集、自動(dòng)上傳和自動(dòng)報(bào)警。當(dāng)壓力、差壓或溫度數(shù)據(jù)超限時(shí)，或切斷閥狀態(tài)開關(guān)量狀態(tài)變化時(shí)，智能控制器會(huì)實(shí)時(shí)上傳并發(fā)送報(bào)警短信至調(diào)壓站操作人員手機(jī)上，能幫助燃?xì)夤颈O(jiān)測地下調(diào)壓站壓力，有效解決突發(fā)性壓力異常等問題，降低風(fēng)險(xiǎn)，減少損失。

另外可通過對調(diào)壓器加裝某品牌的PAX 系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過接收控制信號來執(zhí)行壓力的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。PAX 系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的線性輸出桿可控制彈簧，調(diào)節(jié)調(diào)壓器的設(shè)定壓力，從而可遠(yuǎn)程改變調(diào)壓站的出口壓力。

1.4 防腐設(shè)計(jì)

埋地式調(diào)壓站中，防腐設(shè)計(jì)的選擇也很關(guān)鍵。目前國內(nèi)埋地防腐材料技術(shù)已有了很大的提高，不再是采用傳統(tǒng)石油瀝青或環(huán)氧煤瀝青結(jié)構(gòu)的“四油三布”防腐方式，而是采用一種100%固含量、雙組份、可快速固化、現(xiàn)場噴涂成型的高性能材料。此材料一般有較高的交聯(lián)密度和硬度，具有30%以上的斷裂伸長率，涂膜結(jié)構(gòu)致密、吸水率低、彈性高、輕微磕碰無損傷。材料強(qiáng)度高，施工比較快捷，適用于金屬結(jié)構(gòu)的埋地防腐。此材料可滿足在對連接密封部位實(shí)施保護(hù)后，對不規(guī)則裝置的整體噴涂，可大大方便防腐的施工及埋地裝置使用壽命的提高。

2 整體性能測試及應(yīng)用實(shí)效

完成某項(xiàng)目直埋式地下燃?xì)庹{(diào)壓站整體設(shè)計(jì)后，對其進(jìn)行整體性能測試。

2.1 整體性能測試

直埋式調(diào)壓站的整體性能主要體現(xiàn)在調(diào)壓性能上。某項(xiàng)目需求標(biāo)準(zhǔn)流量1 000 m3/h，中壓進(jìn)口，低壓出口。按表1 中的檢測參數(shù)進(jìn)行檢測，以驗(yàn)證直埋式調(diào)壓站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備(調(diào)壓器)的穩(wěn)壓精度等級、關(guān)閉壓力等級、流量系數(shù)值是否滿足預(yù)定的參數(shù)及GB 27790－2020《城鎮(zhèn)燃?xì)庹{(diào)壓器》(以下簡稱調(diào)壓器標(biāo)準(zhǔn))的要求。

表1 檢測參數(shù)

按照調(diào)壓器標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行相關(guān)測試，由此得到某項(xiàng)目直埋式地下燃?xì)庹{(diào)壓站的性能曲線Q-p2，如圖4所示。實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果記錄如下：設(shè)定出口壓力p2為12 kPa；實(shí)測流量范圍為(0～1 300)m3/h；穩(wěn)壓精度等級AC 為5.0；關(guān)閉壓力等級SG 為10.0；出口壓力上限=p2×(1+AC/100)，為12.6 kPa；出口壓力下限=p2×(1－AC/100)，為11.4 kPa；關(guān)閉壓力上限=p2×(1+SG/100)，為13.2 kPa。

圖4 某項(xiàng)目直埋式地下燃?xì)庹{(diào)壓站Q-p2 性能曲線

從圖4 及實(shí)測的數(shù)據(jù)結(jié)果，對比調(diào)壓器標(biāo)準(zhǔn)及表1 可以看出，最終的直埋式地下燃?xì)庹{(diào)壓站實(shí)際測試結(jié)果數(shù)據(jù)值均優(yōu)于預(yù)定的驗(yàn)證參數(shù)值。同時(shí)，對照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足調(diào)壓器標(biāo)準(zhǔn)中6.5.2 條：穩(wěn)壓精度等級AC應(yīng)符合調(diào)壓器標(biāo)準(zhǔn)中表12的穩(wěn)壓精度等級AC5(最大允許相對正、負(fù)偏差5%)的要求；也滿足調(diào)壓器標(biāo)準(zhǔn)中6.5.4 條：調(diào)壓器關(guān)閉壓力等級SG 應(yīng)符合表13 中關(guān)閉壓力等級SG10(最大允許相對增量10%)的要求。

2.2 應(yīng)用實(shí)效

某項(xiàng)目直埋式地下燃?xì)庹{(diào)壓站施工完成后，進(jìn)行土壤回填、草坪綠化，留出檢修操作口，操作箱頂部覆蓋綠色裝飾。該地下調(diào)壓站對周邊的環(huán)境影響小，加上土壤對噪聲有一定的阻隔作用，有效避免了調(diào)壓站噪聲對周邊居民的影響。

3 結(jié)語

綜合上述，本文針對目前埋地式燃?xì)庹{(diào)壓站存在的通用問題，從直埋式燃?xì)庹{(diào)壓站的整體分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來解決目前埋地式調(diào)壓站結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的問題，同時(shí)提高了埋地式燃?xì)庹{(diào)壓站維護(hù)的便利性；從防護(hù)部件容積的選擇上來解決通風(fēng)管的設(shè)置問題；從防護(hù)部件密封方案的選擇上來解決埋地式燃?xì)庹{(diào)壓站處于地下環(huán)境的密封性問題；從智能化設(shè)計(jì)上來解決埋地式燃?xì)庹{(diào)壓站的不便觀察性問題，并增加其遠(yuǎn)程控制性；從防腐材料選擇上來解決防腐施工便利性的問題，以增加埋地式燃?xì)庹{(diào)壓站的使用壽命。直埋式燃?xì)庹{(diào)壓站這些新的設(shè)計(jì)思路，使其在操作、維護(hù)、使用壽命等方面都得到了提升，擴(kuò)展了其應(yīng)用的廣泛性，能有效解決未來日益緊張的土地資源問題。