一种燃气管道立管附加压头补偿装置及其补偿方法与流程

本发明涉及燃气管道技术领域，特别涉及一种燃气管道立管附加压头补偿装置及其补偿方法。

背景技术：

燃气作为一种优质能源，为改善家居环境、提高生活质量提供了有力保障。现代民用和公共建筑的燃气输送主要是通过燃气管道进行，由于民用和公共建筑燃具的工作压力是按照额定压力进行设计，是有一定的允许压力波动范围的，因此当燃气管道中的燃气压力超高或超低时，不仅存在引起脱火或熄火的风险，同时偏离额定压力允许波动范围时还会造成燃烧效率的降低，造成能源浪费。因此，为保证供应燃气压力的稳定，在一定的建筑区域内会设置集中的调压装置来进行调压。

由于燃气密度与空气密度不同(一般比空气小)，随着建筑物高度的增大，附加压头也增大，而当高程差过大时，要使建筑物上下各层的燃具都能在允许的压力波动范围内正常工作，必须克服高程差引起的附加压头的影响。随着城市中高层、超高层建筑日益增多，就更需要采取措施消除高层、超高层住宅燃气立管高程变化引起的附加压头，以保证在管道燃气供应的高峰或低谷工况时，高层、超高层住宅内各层用户的灶具前的燃气工作压力均在安全范围内。

目前国内外基本采取下列措施以克服附加压头的影响，但均还存在一些问题：

(1)将建筑物的高层和底层分别设置独立的供气系统、燃气管道压力分别设置，以分别满足不同高度的燃具工作压力的需要，虽然能适应高层和底层的不同使用需求，但这种方式需要设置两套立管系统，安装管路复杂且投资大；

(2)分别设用户调压器，各用户由各自的调压器将燃气调压，达到燃具所需的稳定压力值，这种方式每家每户都要装一只户内调压器，安装占厨房空间、调压器入户检修维修难度大，且投资增大；

(3)采用每根立管上每隔若干层(或中间楼层)设置分段阀门，分段消除楼层的附加压头，这种方式投资节省，但存在分段阀门安装位置的选择，以及压损随管道流量的变化而变化，附加压头的消除不稳定，在管道燃气流量较小时，作用并不明显。

因此有必要设计一种附加压头的补偿装置对燃气立管内的附加压头进行补偿，以有效起到对燃气立管的附加压头调节的功能，并体现经济性。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决燃气立管在高层或超高层建筑使用时，由于建筑物高度的增大，附加压头也增大，进而影响用户正常使用燃气，而现有的解决方案存在要么达不到较好的效果、要么需要巨大的投资的不足，提供一种燃气管道立管附加压头补偿装置及其补偿方法，该装置能根据实际需求自动调节燃气立管中的附加压头，有效地消除附加压力，保证入户燃气压力在燃具允许的压力波动范围内，并尽可能地接近燃气具的额定压力，保证用户燃具燃烧效率、节约使用成本。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种燃气管道立管附加压头补偿装置，包括用于安装在燃气立管通道上的管体，所述管体的内壁为锥形结构，使用时锥形结构的小端位于大端下方，所述管体内设有节流元件，所述节流元件的体积和重量与立管内的燃气压力相适应，使节流元件随介质流量的变化上下浮动。

该补偿装置通过在燃气管道立管上增设内壁为锥形的管体，并在管体内设节流元件，通过节流元件在立管内形成恒定的管道阻力，以消除或减小立管的高程差引起的附加压头，并且可以在立管上每隔一段距离设置一个补偿装置，对超长燃气立管中的附加压头进行补偿，使整个立管内的燃气压力始终维持在能正常使用的范围内，进而保证入户燃气压力在燃具允许的压力波动范围内，尽可能地接近燃气具的额定压力；由于节流元件依靠燃气流体对其产生的浮力、燃气压力以及自身重力进行平衡，而将管体倒锥形放置，在节流元件随介质流动由小端向大端运动时，节流元件因自重、浮力和压差平衡而稳定在补偿装置的某一位置，当介质的流量增大时，节流元件上升、其与管体内壁间的环间隙逐渐增大，达到新的平衡后稳定在另一高度，实现自动调整节流面积，而节流元件消除或减小立管中的附加压头量恒定不变，能保证入户燃气压力在燃具允许的压力波动范围内，并尽可能地接近燃气具的额定压力，保证用户燃具燃烧效率、节约使用成本。

作为优选，所述节流元件的形状与管体内壁的锥形结构相适应，使得当介质推动节流元件从锥形结构的小端向大端运动时，节流元件与管体内壁间的间隙逐渐增大。节流元件根据介质流量和压力自动调整其与管体管体内壁之间的间隙，实现自动对附加压头进行补偿的功能。

作为优选，所述节流元件为与管体相适配的锥形结构，或两端小、中间大的结构，且节流元件的最大截面大于锥形结构的小端的截面尺寸，或在锥形结构的小端设用于限制节流元件离开的限位部件；在锥形结构的大端设有用于限制节流元件离开管体的限位部件。在管体内壁结构的大端和小端设置限制节流元件离开管体的限位部件，避免节流元件掉出补偿装置，便于安装和存放等操作；而节流元件的形状可选择范围广，可为圆锥体、锥柱体、球体或其他两端小、中间大的结构，让节流元件运动时其与管体内壁之间的环形间隙变化即可。

作为优选，所述管体内壁结构为圆锥或方锥形。管体内壁为锥形结构即可，与节流元件配套形成燃气立管附加压头的补偿结构。

作为优选，在所述管体两端设有用于与燃气立管连接的连接结构，所述连接结构为法兰或带有螺纹的钢管。管体两端的连接结构，便于快速与燃气立管连接安装，结构稳定，或者也可采用其他的连接结构。

一种燃气管道，在燃气立管上设置至少一个上述的补偿装置。对于超长的燃气立管，采用在燃气立管上每隔一段距离设置一个补偿装置，分段进行附加压头的消除，使各楼层的燃气用户的燃气入户压力在燃具的适用范围内，保证燃烧效率和使用安全。

一种燃气立管附加压头的补偿方法，将上述补偿装置用于燃气立管附加压头补偿时，其补偿实施过程包括以下步骤：

(1)推算燃气立管高程差与附加压头的关系式；

(2)计算补偿装置的补偿压头值；

(3)得出在燃气立管上需布置的补偿装置个数、安装位置以及补偿装置之间的间距；

(4)在燃气立管上安装补偿装置后，当介质流经补偿装置时，经节流元件的节流限制，将附加压头消除或减小一个定值，使燃气立管管内介质压力恢复到管道高度上升前的压力值或靠近该压力值的范围内；

当管内流量增加时，介质推动节流元件上升，节流元件与管体内管壁间的环形流通面积增大，直到节流元件受力平衡；当管内流量减小时，介质推动力也减小，节流元件下降，节流元件与管体内管壁间的环形流通面积减小，直到节流元件受力达到新的平衡。

附加压头只与介质密度和所处的高程差有关，当介质确定后，附加压头增加值与所处位置高程差相对应确定，由于燃气密度比空气小，燃气立管内介质压力随高度的提升而增大；节流元件前后压差始终为一固定值，对附加压头的补偿不会随流量变化而改变，介质流过节流元件，使得燃气立管内的介质压力减小，进而消除因高程差造成的附加压头。

作为优选，步骤(1)中：首先推导燃气立管高程差引起的附加压头计算式：

ΔP1＝g(ρ_a-ρ_g)ΔH，式中ΔP1为高程差引起的附加压头/Pa；g为重力加速度；ρ_a为空气密度/kg/Nm³；ρ_g为燃气密度/kg/Nm³；ΔH为燃气立管始端和计算终端的标高差值/m；

然后计算燃气立管内局部阻力而消耗的压力损失，计算式为：式中ΔP₂为燃气立管内局部阻力的压力损失/Pa，∑ξ为计算管段中局部阻力系数的总和，W为管段中燃气流速/m/s；ρ₀为燃气的容重/N/Nm³；

最后得出燃气立管实际入户时燃气压力增加值ΔP：ΔP＝ΔP₁-ΔP₂。

作为优选，步骤(2)的计算方法包括以下步骤：

a、分析受力关系：补偿装置中的节流元件在平衡时，受力关系为：S+B＝G，式中S为介质推力、B节流元件浮力、G为节流元件重力；

b、进而得出：V(ρ_t-ρ_f)g＝ΔP_M·A，式中ρ_t为节流元件的密度，ρ_f为介质的密度；V为节流元件的体积，ΔP_M为节流元件可补偿的压差，A为节流元件的最大截面积；

c、进一步推算出节流元件可补偿的压差：

作为优选，步骤(3)计算时，由于实际燃气立管内局部阻力的压力损失ΔP₂较小，近似地认为：△P＝g(ρa-ρg)·△H。

作为优选，根据建筑物各层用户燃具燃气入口处允许的压力波动范围，确定在燃气立管上需布置的补偿装置个数，以及补偿装置安装位置和补偿装置之间的间距。

该补偿方法根据恒压差原理，不论管道中流量如何变化，装置前后的压差都是固定的，能有针对性地消除附加压头，为补偿装置的管体内壁、节流元件的形状和材料选型提供依据，达到有效减小或消除燃气立管附加压头、保证用户燃具燃烧效率、成本低的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、该补偿装置能根据实际需求自动调节燃气立管中的附加压头，有效地消除附加压力，保证入户燃气压力在燃具允许的压力波动范围内，并尽可能地接近燃气具的额定压力，保证用户燃具燃烧效率、节约使用成本；

2、对于使用该补偿装置超长的燃气立管，采用在燃气立管上每隔一段距离设置一个补偿装置，分段进行附加压头的消除，使各楼层的燃气用户的燃气入户压力在燃具的适用范围内，保证燃烧效率和使用安全；

3、补偿装置的补偿方法根据恒压差原理，不论管道中流量如何变化，装置前后的压差都是固定的，即补偿装置对附加压头的补偿量不会随流量变化而改变，通过随介质流量自动调整节流元件与管体内壁的环形流通面积，能有针对性地消除附加压头，为补偿装置的管体、节流元件的形状和材料选型提供依据，达到有效减小或消除燃气立管附加压头、保证用户燃具燃烧效率、成本低的效果。

附图说明：

图1为实施例中燃气管道立管附加压头补偿装置的结构示意图。

图2为另一实施例中燃气管道立管附加压头补偿装置的结构示意图。

图3为补偿装置对燃气立管附加压头补偿的实施过程流程图。

图中标记：1-管体，101-锥形内壁，2-第一安装端，3-节流元件，4-第二安装端。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的燃气管道立管附加压头补偿装置，包括用于安装在燃气立管通道上的管体1，所述管体1的内壁为锥形结构，使用时锥形结构的小端位于大端下方，所述管体1内设有节流元件3，所述节流元件3的体积和重量与立管内的燃气压力相适应，使节流元件随介质流量的变化上下浮动。

如图1所示，本实施例的管体1的内壁为圆锥形的锥形内壁101。

进一步地，所述节流元件3的形状与锥形内壁101的结构相适应，使得当介质推动节流元件3从锥形内壁101的小端向大端运动时，节流元件3与锥形内壁101间的间隙逐渐增大。

在节流元件上浮位置稳定后，其受力关系为：介质推力S+节流元件浮力B＝节流元件的重力G，而附加压头只与介质密度和所处位置的高程差有关，当介质确定后，附加压头增加值与所处位置高程差相对应，而由于节流元件前后的压差始终为一固定值，对附加压头的补偿不会随流量变化而改变，因此当介质流过节流元件时，使得燃气立管内的介质压力减小，使得燃气立管内的介质压力减小，消除因高程差造成的附加压头。

具体地，如图1中所示，所述节流元件3为与锥形内壁101相适配的锥形体或球体，且节流元件的最大截面尺寸大于锥形内壁101的小端的截面尺寸，在锥形内壁101的大端还设有用于限制节流元件离开管体1的限位部件。在管体锥形内壁结构的大端设置限制节流元件离开管体的限位部件，避免节流元件掉出补偿装置，便于安装和存放等操作；而节流元件的形状可选择范围广，可为圆锥体、锥柱体，球体或其他两端小、中间大的结构，只要能让节流元件运动时其与管体内壁之间的环形间隙变化即可；也可在锥形内壁的小端设置限制节流元件离开管体的限位部件，限位部件的形式有多种选择，可为挡片、挡板或限位绳等形式。

更进一步地，所述锥形内壁101为圆锥或方锥形均可。管体内壁为锥形结构即可，与节流元件配套形成燃气立管附加压头的补偿结构。

进一步地，在所述管体1两端设有用于与燃气立管连接的连接结构，如图1所示，本实施例的所述连接结构包括与燃气立管相适配的连接端：第一安装端2和第二安装端4，本实施例的第一安装端2和第二安装端4为法兰。管体两端的连接结构，便于快速与燃气立管连接安装，结构稳定。

综上所述，该补偿装置通过在燃气立管上增设内壁为锥形的管体，并在管体内设节流元件，通过节流元件在立管内形成恒定的管道阻力，以消除或减小立管的高程差引起的附加压头，并且可以在立管上每隔一段距离设置一个补偿装置，对超长燃气立管中的附加压头进行补偿，使整个立管内的燃气压力始终维持在能正常使用的范围内，进而保证入户燃气压力在燃具允许的压力波动范围内，尽可能地接近燃气具的额定压力；由于节流元件依靠燃气流体对其产生的浮力、燃气压力以及自身重力进行平衡，而将管体倒锥形放置，在节流元件随介质流动由小端向大端运动时，节流元件因自重、浮力和压差平衡而稳定在补偿装置的某一位置，当介质的流量增大时，节流元件上升、其与管体内壁间的环间隙逐渐增大，达到新的平衡后稳定在另一高度，实现自动调整节流面积，而节流元件消除或减小立管中的附加压头量恒定不变，能保证入户燃气压力在燃具允许的压力波动范围内，并尽可能地接近燃气具的额定压力，保证用户燃具燃烧效率、节约使用成本。

实施例2

如图2所示，根据实施例1所述的燃气管道立管附加压头补偿装置，本实施例的管体1的结构整体为锥形，即外壁和内壁同步的锥形结构。

实施例3

根据实施例1或2所述的燃气管道立管附加压头补偿装置，本实施例管体1两端的连接结构第一安装端2和第二安装端4为与燃气立管配合连接的螺纹管。

实施例4

本实施例提供一种燃气管道，根据实施例1至实施例3之一的燃气管道立管附加压头补偿装置，本实施例的燃气管道的燃气立管上设有至少一个上述的补偿装置。

对于超长的燃气立管，采用在燃气立管上每隔一段距离设置一个补偿装置，分段进行附加压头的消除，使各楼层的燃气用户的燃气入户压力在燃具的适用范围内，保证燃烧效率和使用安全。

实施例5

如图3所示，将实施例1至实施例4的补偿装置用于燃气立管附加压头补偿时，其补偿实施过程包括以下步骤：

(1)推算燃气立管高程差与附加压头的关系式；

(2)计算补偿装置的补偿压头值；

(3)得出在燃气立管上需布置的补偿装置个数、安装位置以及补偿装置之间的间距；

(4)在燃气立管上安装补偿装置后，当介质流经补偿装置时，经节流元件3的节流限制，将附加压头消除或减小一个定值，使燃气立管管内介质压力恢复到管道高度上升前的压力值或靠近该压力值的范围内；

当管内流量增加时，介质推动节流元件上升，节流元件3与管体1内管壁间的环形流通面积增大，直到节流元件受力平衡；当管内流量减小时，介质推动力也减小，节流元件下降，节流元件与管体内管壁间的环形流通面积减小，直到节流元件受力达到新的平衡，保持节流元件前后压差值不变。

附加压头只与介质密度和所处的高程差有关，当介质确定后，附加压头增加值与所处位置高程差相对应确定，由于燃气密度比空气小，燃气立管内介质压力随高度的提升而增大；节流元件前后压差始终为一固定值，对附加压头的补偿不会随流量变化而改变，介质流过节流元件，使得燃气立管内的介质压力减小，进而消除因高程差造成的附加压头。

具体地，步骤(1)中：首先推导燃气立管高程差引起的附加压头计算式：

ΔP1＝g(ρ_a-ρ_g)ΔH，式中ΔP1为高程差引起的附加压头/Pa；g为重力加速度；ρ_a为空气密度/kg/Nm³；ρ_g为燃气密度/kg/Nm³；ΔH为燃气立管始端和计算终端的标高差值/m；

然后计算燃气立管内局部阻力而消耗的压力损失，计算式为：式中ΔP₂为燃气立管内局部阻力的压力损失/Pa，∑ξ为计算管段中局部阻力系数的总和，W为管段中燃气流速/m/s；ρ₀为燃气的容重/N/Nm³；

最后得出燃气立管实际入户时燃气压力增加值ΔP：ΔP＝ΔP₁-ΔP₂。

进一步地，步骤(2)的计算方法包括以下步骤：

a、分析受力关系：补偿装置中的节流元件在平衡时，受力关系为：S+B＝G，式中S为介质推力、B节流元件浮力、G为节流元件重力；

b、进而得出：V(ρ_t-ρ_f)g＝ΔP_M·A，式中ρ_t为节流元件的密度，ρ_f为介质的密度；V为节流元件的体积，ΔP_M为节流元件可补偿的压差，A为节流元件的最大截面积；

c、进一步推算出节流元件可补偿的压差：由此可以看出，节流元件的附加压头补偿量只与其形状和材料选型有关，节流元件根据燃气管道内需补偿的压头值可以选用不同的形状(实心或空心)的金属材料如铝，不锈钢，铜等，或者选用非金属材料，如PE，工程塑料，橡胶等。

进一步地，步骤(3)计算时，由于实际燃气立管内局部阻力的压力损失ΔP₂较小，近似地认为：△P＝g(ρa-ρg)·△H。

更进一步地，根据建筑物各层用户燃具燃气入口处允许的压力波动范围，确定在燃气立管上需布置的补偿装置个数，以及补偿装置安装位置和补偿装置之间的间距。具体计算如下：

首先计算得出实际需要布置的补偿装置数量N：

然后，设第一个补偿装置设置的高度h1，需要补偿的附加压头P1：P₁＝ΔP_M，即可以得出：相邻补偿装置之间的距离也为h1。

该补偿方法根据恒压差原理，不论管道中流量如何变化，装置前后的压差都是固定的，即补偿装置对附加压头的补偿量不会随流量变化而改变，通过随介质流量自动调整节流元件与管体内壁的环形流通面积，能有针对性地消除附加压头，为补偿装置的管体、节流元件的形状和材料选型提供依据，达到有效减小或消除燃气立管附加压头、保证用户燃具燃烧效率、成本低的效果。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。