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

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