一种新型的应对压力突变的流体阻尼装置的制作方法

本发明属于天然气压力能利用领域，具体涉及一种应用于天然气压力能发电过程的、新型的应对压力突变的流体阻尼装置。

背景技术：

天然气作为最具潜力的化石燃料，具有环保、燃烧充分的优点，由此也受到越来越多的关注。中国在去年超过韩国之后，有望在2018年超越日本，成为世界最大的天然气进口国。天然气的使用已趋向大众化，燃气管网遍布全国。天然气就是通过管网系统进入城市燃气。所谓天然气管输，就是使从气井开采出来的天然气经集气管网、常规处理和净化后进人输气干线，输送至较远的地区或用户。广义的管输还包括城市内分布的输送天然气至用户的管线。在天然气运输过程中，会存在两种问题：压力突变和冰堵。一般天然气管道压力的突然升高和降低会导致管道流量的骤加和骤减，从而对下游的设备、阀门、仪表造成损坏，影响其正常运行；另外，随着温度的降低，尤其是冬季，天然气输送站的流量调节阀、调压阀等部分设备易因节流原因产生冰堵现象，严重影响着输气站的安全平稳供气。

工程上一般采用阻尼装置来缓解压力突变的状况，阻尼装置是以提供运动的阻力来耗减运动能量的装置，包括弹簧阻尼器，液压阻尼器，脉冲阻尼器等。中国发明专利CN105627018涉及一种应用管道压力突变的流体阻尼装置,通过小球的运动状态控制管道压力、流量变化，减缓对下游设备的影响，保持正常运行。该装置虽然结构简单，但是灵敏性不高，稳定性较差且不能解决运输过程中低温问题；中国发明专利CN106523842提供了一种新型的应对管道压力突变的弹簧阻尼装置,弹簧线圈随着上游天然气压力的变化发生前后运动,从而带动挡板系统中的阻尼挡板运动,导致气体流通面积的改变,以实现稳定压力和流量的目的。该装置调节灵敏度高，但阻尼效果不佳。

目前天然气行业内对相关问题的研究较少，上述相关阻尼装置都有一定的局限性，应对压力的灵敏度不高，因此需要一种新型的流体阻尼装置。

技术实现要素：

针对上技术问题，本发明旨在提供一种灵敏度高、阻尼效果佳的新型的应对压力突变的流体阻尼装置。

本发明通过如下技术方案实现：

一种新型的应对压力突变的流体阻尼装置，包括：

空心箱体，竖直放置，形状为倒立的圆台形，其上、下两端同轴设有管道出口、管道入口，以及分别用于连接出气管道和进气管道的连接部；

阻尼部件，自由放置在箱体内，当阻尼部件上升接触所述管道出口时，所述阻尼部件的上端与所述管道出口的密合度为30％～40％，当阻尼部件下降接触所述管道进口时，所述阻尼部件的下端与管道进口的密合度为95％～100％。

本方案通过阻尼部件的运动状态使阻尼装置流通面积发生变化，从而减缓压力突变对下游设备的影响。

进一步地，所述空心箱体的材料为奥氏体不锈钢，其圆周壁与水平面的夹角为80°～85°；所述空心箱体的中轴线与水平面的夹角大于等于85°且小于等于90°。

进一步地，所述的阻尼部件包括塑料材质的主体，所述主体的形状呈倒立的圆台形，所述主体的上端设置有与所述管道出口相密合的椭球部，下端设置有与所述管道入口相密合的圆锥部；所述主体的圆周壁上沿周向均匀分布地设有3～5片与气流方向相一致的导流片。本方案通过椭球部和圆锥部实现对管道出、入口不同程度的密合，同时，通过设置导流片保障阻尼部件始终处于正确姿态，防止阻尼部件因姿态偏差而影响其功能。

进一步地，所述阻尼部件的主体的圆周壁与水平面的夹角小于所述空心箱体的圆周壁与水平面的夹角，从而进一步保障阻尼部件始终处于正确姿态，防止阻尼部件因姿态偏差而影响其功能。

进一步地，所述阻尼部件的主体的最大直径为天然气管道管径的1～2倍，防止阻尼部件进入天然气管道，同时防止所述空心箱体的体积过大。

进一步地，所述的管道出口、管道入口处分别设置有目数为100～150目的上端不锈钢网和下端不锈钢网，所述圆锥部的高度小于下端不锈钢网到管道入口处的距离。上端不锈钢网和下端不锈钢网用于粉碎或者拦截天然气水合物冰晶等其他杂质，同时所述圆锥部的高度小于下端不锈钢网到管道入口处的距离则避免了所述圆锥部的下端不锈钢网的相互干涉。

所述空心箱体的内壁上紧贴地焊接有若干槽管，所述槽管内部填充有占容积35％～50％的相变蓄冷材料，所述槽管沿周向均匀间隔分布，单条槽管沿着所述空心箱体侧线从管道入口处延伸至管道出口处且与所述空心箱体内壁的弧度一致。利用相变蓄冷材料巨大的相变潜热来吸收低温天然气中的冷能，使天然气在罐体出口的温度更符合进入下游管网的温度要求，防止对后续管道的阀门以及设备造成不可逆转的影响。

进一步地，所述槽管沿所述空心箱体壁厚方向的高度为天然气管道管径的2/7～4/9，减少对所述空心箱体内腔空间的占用，防止所述空心箱体的体积过大。

进一步地，位于所述管道入口端的连接部前3～8mm处设置有排污阀，用于减压和定期排放管道污染物；

进一步地，所述的连接部采用螺纹连接或法兰连接，适用不同管径的天然气管道，如管径较小时，可以采用螺纹连接，若管径较大时，可采用法兰连接。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的有益效果：

1、本发明结构简单，降低生产成本，而且阻尼效果明显，当压力突变小的时候，由于力不足够提供阻尼部件的动量，只有当压力突变超过一个临界值，阻尼部件才动起来，与以往的阻尼装置对比，可以更有效减缓压力突变；

2、本发明能有效防倒流，稳定性好，管道是竖直的状态，阻尼部件的重力可以抵消一部分压力突变带来的影响，当天然气流速小，小球的重力大于浮力，小球下落堵住管道口，防止倒流，保证安全的管道环境；

3、解决管道冰堵问题，首先设置了进气管处的不锈钢丝网，将天然气中由于低温而产生的水合物冰晶等杂质拦截在丝网前，以及粉碎部分杂质，防止堵塞管道；再者，在罐体槽管内填充一定量的相变蓄冷材料，利用其巨大的相变潜热来吸收低温天然气中的冷能，使天然气在罐体出口的温度更符合进入下游管网的温度要求，防止对后续管道的阀门以及设备造成不可逆转的影响。

附图说明

图1为本发明实施例一的一种新型的应对压力突变的流体阻尼装置剖视结构示意图。

图2为本发明实施例二的一种新型的应对压力突变的流体阻尼装置剖视结构示意图。

图中所示：1-排污阀；2-进气管道；3-下端不锈钢网；4-导流片；5-阻尼部件；6-空心箱体；7-槽管；8-连接部；9-上端不锈钢网；10-出气管道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图作进一步详细地描述,实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

实施例一

如图1所述，一种新型的应对压力突变的流体阻尼装置，包括：

空心箱体6，竖直放置，形状为倒立的圆台形，其上、下两端同轴设有管道出口、管道入口，以及分别用于连接出气管道和进气管道的连接部8，由于出气管道和进气管道的管径较小，故采用螺纹连接，即在出气管道和进气管道上设置外螺纹，空心箱体6的管道出口、管道入口相应的设置有内螺纹；

阻尼部件5，自由放置在箱体内，当阻尼部件5上升接触所述管道出口时，所述阻尼部件5的上端与所述管道出口的密合度为30％～40％，当阻尼部件5下降接触所述管道进口时，所述阻尼部件5的下端与管道进口的密合度为95％～100％。

本实施例通过阻尼部件的运动状态使阻尼装置流通面积发生变化，从而减缓压力突变对下游设备的影响。

所述空心箱体6的材料为奥氏体不锈钢，其圆周壁与水平面的夹角为80°～85°；所述空心箱体6的中轴线与水平面的夹角大于等于85°且小于等于90°。

所述的阻尼部件5包括塑料材质的主体，所述主体的形状呈倒立的圆台形，所述主体的上端设置有与所述管道出口相密合的椭球部，下端设置有与所述管道入口相密合的圆锥部；所述主体的圆周壁上沿周向均匀分布地设有3～5片与气流方向相一致的导流片4。本实施例通过椭球部和圆锥部实现对管道出、入口不同程度的密合，同时，通过设置导流片保障阻尼部件5始终处于正确姿态，防止阻尼部件5因姿态偏差而影响其功能。

所述阻尼部件5的主体的圆周壁与水平面的夹角小于所述空心箱体6的圆周壁与水平面的夹角，从而进一步保障阻尼部件5始终处于正确姿态，防止阻尼部件5因姿态偏差而影响其功能。

所述阻尼部件5的主体的最大直径为天然气管道管径的1～2倍，防止阻尼部件5进入天然气管道，同时防止所述空心箱体6的体积过大。

所述的管道出口、管道入口处分别设置有目数为100～150目的上端不锈钢网9和下端不锈钢网3，所述圆锥部的高度小于下端不锈钢网3到管道入口处的距离。上端不锈钢网9和下端不锈钢网3用于粉碎或者拦截天然气水合物冰晶等其他杂质，同时所述圆锥部的高度小于下端不锈钢网3到管道入口处的距离则避免了所述圆锥部的下端不锈钢网3的相互干涉。

所述空心箱体6的内壁上紧贴地焊接有若干槽管7，所述槽管7内部填充有占容积35％～50％的相变蓄冷材料，本实施例中，所述相变蓄冷材料为体积比为7:3的辛酸和十四醇的混合物；所述槽管7沿周向均匀间隔分布，单条槽管7沿着所述空心箱体6侧线从管道入口处延伸至管道出口处且与所述空心箱体6内壁的弧度一致。利用相变蓄冷材料巨大的相变潜热来吸收低温天然气中的冷能，使天然气在罐体出口的温度更符合进入下游管网的温度要求，防止对后续管道的阀门以及设备造成不可逆转的影响。

所述槽管7沿所述空心箱体6壁厚方向的高度为天然气管道管径的2/7～4/9，减少对所述空心箱体6内腔空间的占用，防止所述空心箱体6的体积过大。

另外，位于所述管道入口端的连接部8前3～8mm处设置有排污阀1，用于减压和定期排放管道污染物。

实施例二

如图2所示，本实施例与实施例的区别在于：由于出气管道和进气管道的管径较大，故连接部8采用法兰连接，即在出气管道和进气管道上设置法兰，同时在空心箱体6的上下两端对应的设置法兰并通过螺栓实现固定连接。

上述实施例提供的流体阻尼装置工作原理如下：

天然气先经过100～150目的下端不锈钢网3，在进入流体阻尼装置前把天然气水合物冰晶等固体小颗粒拦截在装置外，或者将其粉碎成更小的颗粒，防止产生冰堵，影响天然气的正常运输，天然气从装置下端的进气管道2流入，天然气的流动冲击着阻尼部件5，并对它产生一个作用力，这个力的大小随流量大小而变化；当流量足够大时，所产生的作用力将阻尼部件5托起，并使之升高，接着气体进入到空心箱体6内，充满整个空心箱体6后与槽管7充分接触，槽管7内的相变蓄冷材料遇冷先降温到凝固点，发生相变放出大量的热，使天然气的温度上升，最后从出气管道10流出罐体进入下游管网；另一方面，当天然气处于稳定状态时，阻尼部件5受力平衡静止于空心箱体6中部。

当阻尼部件5处于某一高度H时，受力平衡，此时

向上的作用力：其中ΔP为管道入口压力与出口压力之差，ξ为常数，v为天然气的流动速度，ρ为天然气在标定状态的密度。

向下的作用力：Fd＝gVz*(ρz-ρ)，其中ρz为天然气在工作状态下的密度。

受力平衡时，Fu＝Fd，

又因为其中θ为箱体的斜度。

所以

根据管道天然气运输情况，可以将阻尼装置的压差分成3种情况：△P>0、△P＝0、△P<0。△P指的是管道入口压力与出口压力之差，qv为被测流体实际流量。

当△P>0，即上游管道压力突然增加，阻尼部件5原有的平衡状态被打破，在上游管道入口天然气的瞬间推力下克服重力向上运动，另外管道横截面积在增加，局部阻力系数在减小，下游增压幅度将比上游增压幅度小得多,以实现缓慢调节下游流体压力的效果。但如果突变范围超过了设计范围,则阻尼部件将直接顶到阻尼装置下游的管道出口，由于阻尼部件与管道出口密合度只有30％～40％，不会造成拥堵。

当△P＝0时，进出口压力相同，阻尼部件5的运动状态也处于稳定状态,即静止状态，阻尼部件处于受力平衡。阻尼部件5将浮于空中，管道处于正常情况；

当△P<0时，进口压力突然减少，造成出口压力大于进口压力，阻尼部件的稳定状态被打破，上端出口天然气的推力大于下端，再加上阻尼部件本身的重力，阻尼部件5迅速向下运动，堵住管道入口，阻尼部件5与管道入口处的密合度为95％～100％，有效防止上端气体倒流。

在一个可行的实施例中，某调压站稳态时天然气压力为4.0bar，质量流量约1000kg/h，气体流速约15m/s，管道直径为80mm，管道内天然气质量流量一定,但气体压力和流速存在变化。根据该工况设计阻尼装置中空心箱体6长度为200mm，阻尼部件5最大直径为80mm，阻尼部件5内压力与管道稳态时一致，空心箱体6最大管径为160mm，槽管7分成块均匀安装在空心箱体6内壁的表面上，与水平面的夹角为82°。

当阻尼部件5处于稳定状态时，压力为3.8bar,受力平衡，位于高度为80mm处，压降为0.01bar。

当压力突增时，阻尼部件5克服重力向上运动，当压力徒增到超过6.2bar时，阻尼部件5被冲到上面的管道出口处，由于阻尼部件5与管道出口处的密合度只有35％，不会堵住管道出口处且阻尼效果明显。

当压力突减时，当压力突减到低于3.5bar，阻尼部件5在自身重力的作用下立即运动到管道入口，由于阻尼部件5与管道入口的密合度为100％，调节时间为2～3秒，大大减少反应时间，有效防止倒流。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。