燃气调压装置防火安全技术研究摘要：通过对调压装置安全设备结构、不同应用场合调压装置配置的安全可靠性特性分析，整理出火灾环境下燃气调压装置的安全设备损坏时的各类破坏风险，并针对各类破坏风险采取的有效技术措施，并通过试验方法加以验证，以达到有效降低风险的目标。1概述在城市燃气应用中，调压柜、调压箱应用非常广泛，调压柜一般设置在路边或者城镇小区附近的公共场所，调压箱一般设置在城镇小区内建筑物外墙上。周围环境如发生突发火灾事故，可能会导致燃气调压装置故障，主要表现为调压及安全设备失效等，目前国内较少研究在火灾环境下各类燃气调压设施避免火灾发生时导致的供气事故所采取的相关技术措施。我们通过对调压装置安全设备结构、不同应用场合调压装置配置的安全可靠性特性分析，整理出火灾环境下燃气调压装置的安全设备损坏时的各类破坏风险。针对各类破坏风险采取的有效技术措施，并通过试验方法加以验证，以达到有效降低风险的目标。2、燃气调压装置类型及安全可靠性分级2.1燃气调压装置应用分类调压装置的应用类别包括：门站、调压站和调压箱3大类，分类及其编号见表1。表1调压装置应用分类及编号序号分类分类号备注应用类别进口/出口压力级制1门站高高压站A1包括高/次高站高中压站A2包括次高/中站中中压站A32调压站高高压站B1包括高/次高站高中压站B2包括次高/中站中中压站B3中低压站B43调压柜/箱次高中压柜/箱C1中中压柜/箱C2中低压柜/箱C3低低压调压箱C42.2燃气调压装置的安全可靠性分级影响燃气调压装置安全可靠性的因素很多，我们按照燃气调压装置的系统安全可靠性、设备防火安全性和外部防护安全性3个因素进行分级。2.2.1燃气调压装置的系统安全可靠性分级1）燃气调压装置管道结构的安全可靠性分级燃气调压装置管道结构的安全可靠性分级见表2。表2燃气调压装置管道结构的安全可靠性分级表燃气调压装置管道结构的安全可靠性分级号G1G2G3G4调压管道结构形式1+01+12+02+1注：调压管道结构中，“+”前一位数为调压路数，后一位数为调压旁通数2）调压路设备配置的安全可靠性分级调压管路由调压设备（调压器）和安全装置（监控器、紧急切断阀或放散阀）等组成，调压路设备配置的安全可靠性分级见表3。表3调压管路设备配置的安全可靠性分级表3）站控系统的安全可靠性分级燃气调压装置站控系统的的安全可靠性分级见表4。表4站控系统的的安全可靠性分级表站控系统的的安全可靠性分级号Z0Z1Z2Z3数据监测无有有有远程切断无无有有远程调节（限流、调压等）无无无有2.2.2燃气调压装置设备防火安全性分级1）调压器（包括工作调压器和监控调压器）根据GB27790-2010《城镇燃气调压器》，调压器按其工作原理分为直接作用式和间接作用式两种。直接作用式调压器为截止阀式结构，在主膜片破损失效状态下，该类型的调压器一般均处于全开状态；间接作用式调压器常用结构型式为截止阀式、轴流式和隔膜式等3种结构，其调节机构通常为指挥器，在主膜片或指挥器膜片破损等失效状态下，该类型的调压器有全开或全关两种状态。火灾发生时调压器的膜片破损，如调压器阀口保持开启状态（失效开启），出口压力会突然增高，调压装置下游管道及用气设备会面临超压危险；如调压器阀口保持关闭状态（失效关闭），由于调压器阀口或指挥器损坏，出口压力会缓慢增高，下游管道及用气设施仍会面临超压危险。目前城镇燃气使用的调压器以失效开启型为主，火灾后超压风险必须予以考虑。据此，调压器的防火安全分级见表5。表5：调压器防火安全分级表调压器防火安全等级T0T1火灾后调压器状态全开关闭，有泄漏调压器类别所有失效开启型调压器失效关闭型的调压器典型调压器原理图1—设定元件；2—驱动器；3—膜片；4—信号管；5—阀座；6—阀垫；7—调压器壳体；8—调节元件；9—驱动器壳体；10—呼吸孔1—指挥器；2—过程管；3—驱动器；4—信号管；5—驱动腔；6—阀座；7—阀垫；8—调压器壳体；9—调节元件；10—金属隔板；11—驱动器壳体说明火灾后，膜片3损坏，膜片上下腔压力一致，调压器在工作弹簧（设定元件1）作用下全开火灾后，膜片（驱动器3）损坏，膜片上下腔压力一致，调压器在阀芯辅助弹簧（驱动器3）作用下关闭，同时：A、气体可能会经过导阀（指挥器1）系统进入下游管道；B、阀座为橡胶件密封，火灾后也会导致密封不严而泄漏。2）紧急切断阀按CJ/T335-2010《城镇燃气切断阀和放散阀》，紧急切断阀按工作原理分为直接作用式和间接作用式两种；按结构型式，分为截止阀式、轴流式和翻板式等3种；按切断压力大小可分为超压切断和超压欠压切断2种。当紧急切断阀内采用橡胶薄膜时，如紧急切断阀设置为超压切断，则其薄膜破损时将不能启动切断；如紧急切断阀设置为超压/欠压时切断，火灾导致其皮膜破损时启动欠压切断。紧急切断阀的防火安全分级见表6。表6：紧急切断阀防火安全分级表紧急切断阀防火安全分级Q0Q1Q2火灾后状态无法关闭调压器失效后关闭调压器失效前关闭典型原理图直接作用式紧急切断阀间接作用式紧急切断阀3）全流量放散阀/安全阀按CJ/T335-2010《城镇燃气切断阀和放散阀》，放散阀按工作原理分为直接作用式和间接作用式两种；按GB/T12241-2005《安全阀一般要求》，安全阀按工作原理分为微启式、全启式和先导式等3种。全流量放散阀和安全阀的防火安全分级见表7。表7：全流量放散阀和安全阀的防火安全分级表全流量放散阀/安全阀防火安全分级F1F2F3火灾后状态无放散正常放散，有泄漏正常放散类别间接作用式放散阀阀座材质为橡胶的安全阀膜片和阀座材质为金属的安全阀典型原理图微启式/全启式安全阀先导式安全阀说明该结构的放散阀，在火灾状态下，导阀膜片失效，放散阀阀口始终处于关闭位置（阀芯破坏除外），无法起到放散作用，而且气体通过膜片直接进入弹簧腔之前有O形圈，在O形圈未受到破坏之前，不会向大气排放。安全阀，由于没有膜片，故在火灾状态下，安全阀能起到正常的超压放空作用（阀芯破坏除外）。但阀座为橡胶件密封，火灾后也会导致密封不严而泄漏。安全阀，由于没有膜片，故在火灾状态下，安全阀能起到正常的超压放空作用（阀芯破坏除外）。2.2.3燃气调压装置外部防护安全性分级燃气调压装置外部防护安全性分级见表8。表8：燃气调压装置外部防护安全性分级表燃气调压装置外部防护安全性分级W0W1W2W3外部防护说明无防护箱体防护建筑物防护围墙防护2.3国内燃气调压装置安全防范现状经统计了解，目前国内燃气调压装置的系统安全可靠性、防火安全性、外部防护安全性现状见表9、表10、表11。表9：燃气调压装置的系统安全可靠性现状分析表序号大类调压装置分类号调压装置管道结构调压路设备配置站控系统G1G2G3G4S1S2S3S4Z0Z1Z2Z31门站A1●◎◎●●◎A2●◎◎●●◎A3●◎●◎●◎◎2调压站B1●◎◎●●◎B2●◎◎●●◎B3●◎●◎●◎◎B4◎●●●●3调压柜/箱C1●◎◎●●◎C2●◎◎●●◎C3●●●●●◎C4◎●●●符号说明●表示常用◎表示不常用表10：燃气调压装置的设备防火安全性现状分析表序号大类调压装置分类号调压器监控调压器紧急切断阀放散阀/安全阀T0T1T0T1Q0Q1Q2F1F2F31门站A1●◎●●◎●A2●◎●●◎●A3●◎●●●2调压站B1●●◎●B2●●◎●B3◎●●◎●B4●●●3调压柜/箱C1●●◎●C2◎●●◎●C3●●●C4●●符号说明●表示常用◎表示不常用表11：燃气调压装置的外部防护安全性现状分析表序号大类调压装置分类号外部防护W0W1W2W31门站A1●A2●A3●2调压站B1●B2●B3●B4◎●3调压柜/箱C1●C2●C3●C4●符号说明●表示常用◎表示不常用由表9、表10和表11，结合燃气调压装置的系统安全可靠性、设备防火安全性、外部防护安全性等分级分析，可得出以下结论：1）我国在燃气调压装置的系统安全可靠性方面已高于EN12186规定的基本要求。根据EN12186“Gassupplysystems-Gaspressureregulatingstationsfortransmissionanddistribution-Functionalrequirements”，当进口压力小于0.01MPa时，不需要设置安全装置；当进出口压差小于等于1.6MPa时，需要设置1个安全装置；当进出口压差大于1.6MPa时，需要设置2个安全装置。2）燃气调压装置的外部防护安全性方面，门站和调压站都设置了围墙，调压装置与附近建筑物有一定的防火安全间距，站内都设有消防设施，周围的火灾不会对调压设施造成影响；调压柜和调压箱有外部箱体防护，基本能防范人为破坏。所以，燃气调压装置的外部防护安全性现状能满足使用要求，但调压柜/箱主要设置在公共场所或者城市小区内，周围环境复杂，应从设备的防火安全性方面进行提升。3）燃气调压装置的设备安全性方面，除中低压和低低压调压装置外，调压器（和监控调压器）基本能实现T1等级，放散阀/安全阀基本能实现F2等级，而紧急切断阀仅能实现Q0等级（火灾状态下，无法关闭）。所以，紧急切断阀的设备安全性提升是本文重点考虑方向。3燃气调压装置火灾防范技术方案路线3.1技术方案紧急切断阀的火灾防范从两个方面进行考虑，分别为：改善紧急切断阀膜片的耐温性能，使调压器膜片在火灾破损致使调压器出口压力升高时，紧急切断阀能超压切断；紧急切断阀在火灾后感应到温度升高，并在调压器和切断阀膜片破损前，紧急切断阀能够提前切断。为此，我们确定了如下几种技术方案，并进行了试验验证。1）方案1：将紧急切断阀在超压切断功能基础上，增加欠压切断功能。当调压器膜片先于紧急切断阀膜片破损时，调压器出口压力升高至紧急切断阀设定压力后，紧急切断阀能超压切断；而当紧急切断阀膜片先破损时，紧急切断阀膜片两侧所受压差为零，紧急切断阀能欠压切断。2）方案2：将紧急切断阀膜片由传统的橡胶膜片改为金属膜片。由于金属膜片的熔点明显要高于橡胶膜片，故在火灾状态下，调压器膜片必定先于紧急切断阀膜片破损，此时，调压器出口压力升高至紧急切断阀设定压力后，紧急切断阀能超压切断。3）方案3：将紧急切断阀反馈管处增加易熔阀，并使紧急切断阀具备超压和欠压切断功能，如图1所示。易熔阀是一个三通阀，在正常环境温度下，易熔阀的AB端口导通，紧急切断阀按正常方式工作；在火灾状态下，环境温度达到易熔阀设定温度（100℃、130℃或160℃）时，易熔阀内的金属物质熔化，易熔阀的BC端口导通，切断阀膜片腔至易熔阀内气体排出，紧急切断阀由于欠压而切断。图中，1——进口截断阀2——进口压力表3——调压器3.1——切断阀3.2——易熔阀MTV4——出口压力表5——调试球阀6——出口截断阀图1：方案3工作原理图4）方案4：将紧急切断阀反馈管处增加易熔阀，并将易熔阀的C端与进口管道相连，紧急切断阀仅具备超压切断功能，如图2所示。易熔阀是一个三通阀，在正常环境温度下，易熔阀的AB端口导通，紧急切断阀按正常方式工作；在火灾状态下，环境温度达到易熔阀设定温度（100℃、130℃或160℃）时，易熔阀内的金属物质熔化，易熔阀的BC端口导通，切断阀膜片腔与进口压力相连，由于超压而切断。图中，1——进口截断阀2——进口压力表3——调压器3.1——切断阀3.2——易熔阀MTV4——出口压力表5——调试球阀6——出口截断阀图2：方案4工作原理图3.2试验验证我们分别对上述四种技术方案进行了试验验证，试验方法及结果如下：3.2.1对方案1的试验验证将具有超压和欠压切断功能的紧急切断阀如图3所示安装于测试装置上，将调压器设定为2kPa、紧急切断阀设定为4kPa（超压）和1.1kPa（欠压）。图中，1——进口截断阀2——进口压力表3——调压器3.1——切断阀3.2——易熔阀MTV4——出口压力表5——调试球阀6——出口截断阀图3：方案1工作原理图步骤A：由1进口截断阀处向测试装置通气0.1MPa，开启测试阀门5，并用喷火枪对调压器膜片腔喷火一段时间后，发现出口压力表4显示压力突然升高后降为零，同时紧急切断阀已切断；打开调压器膜片腔，发现调压器膜片已破损。步骤B：更换调压器膜片后，再次向测试装置通气0.1MPa，开启测试阀门5，并用喷火枪对紧急切断阀膜片腔喷火一段时间后，发现出口压力表4显示压力突然降低直至零，同时紧急切断阀已切断；打开紧急切断阀膜片腔，发现紧急切断阀膜片已破损。但是，按步骤B多次重复试验后，紧急切断阀已无法切断，对紧急切断阀整体分解后，确定是阀杆变形错位所致。3.2.2对方案2的试验验证将具有超压功能的紧急切断阀膜片更换为金属膜片后如图3所示安装于测试装置上，并将调压器设定为2kPa、紧急切断阀设定为4kPa（超压）。步骤A：由1进口截断阀处向测试装置通气0.1MPa，开启测试阀门5，用喷火枪同时对调压器膜片腔和紧急切断阀膜片腔喷火一段时间后，发现出口压力表4显示压力突然升高后降为零，同时紧急切断阀已切断；分别打开调压器和紧急切断阀膜片腔，发现调压器膜片已破损、紧急切断阀膜片正常。步骤B：对安装了金属膜片的紧急切断阀按CJ/T335-2010《城镇燃气紧急切断阀和放散阀》第6章要求进行各项常规型式试验，能够满足各项性能指标要求。步骤C：对安装了金属膜片的紧急切断阀进行极限工作温度-20℃和60℃下的切断精度试验（紧急切断阀设定压力分别为3.2kPa、4.0kPa和8.1kPa），满足EN14385:2005”Safetydevicesforgaspressureregulatingstationsandinstallations-Gassafetyshut-offdevicesforinletpressuresupto100bar”中Table10的要求，试验结果如表12。表12安装了金属膜片的紧急切断阀极限工作温度-20℃和60℃下的切断精度试验紧急切断阀设定压力kPa试验温度℃实测切断压力kPa切断误差切断精度备注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对方案3的试验验证将易熔阀置于高低温箱内，其3个接口（A、B和C）分别连接至图1所示的测试装置上，并将调压器设定为2kPa、紧急切断阀设定为4kPa（超压）和1.1kPa（欠压），易熔阀设定温度为130℃。由1进口截断阀处向测试装置通气0.1MPa，开启测试阀门5，将高低温箱逐步升温，当温度达到132℃时，C口有气体排出、出口压力表4降为零、紧急切断阀切断。重复3次，切断阀切断时的温度分别为125℃、131℃和136℃。3.2.4对方案4的试验验证将易熔阀置于高低温箱内，其3个接口（A、B和C）分别连接至图2所示的测试装置上，并将调压器设定为4kPa、紧急切断阀设定为3kPa（超压）和1.1kPa（欠压），易熔阀设定温度为130℃。由1进口截断阀处向测试装置通气0.1MPa，开启测试阀门5，将高低温箱逐步升温，当温度达到128℃时，紧急切断阀切断、出口压力表4降为零。重复3次，切断阀切断时的温度分别为135℃、126℃和132℃。3.3方案可行性比较四种技术方案的比较如表4所示。表4技术方案的比较汇总技术方案附加装置紧急切断阀投入费用风险点金属膜片超压装置欠压装置易熔阀切断方式切断温度方案1√√超压或欠压不可控低膜片破损时，紧急切断阀可能因阀杆变形而无法动作。方案2√√超压不可控一般膜片破损时，紧急切断阀可能因阀杆变形而无法动作。方案3√√√超压和欠压可控最高方案4√√超压可控高紧急切断阀膜片腔需要按进口压力设计。4结语综上所述，调压器和紧急切断阀都采用橡胶膜片，在火灾高温情况下，会使调压器和紧急切断阀膜片熔化，紧急切断阀不能关闭，同时安全装置失效，危及下游管道运行安全，因此必须提高设备本体的防火安全性能。经过对技术方案的验证，可以选择增加易熔阀，并使紧急切断阀具备超压、欠压切断功能和增加易熔阀并使紧急切断阀具备超压切断功能两种方案，此两种方案能够在一定的温度下，让紧急切断阀能正常工作。在实际应用时，应对周围公共环境进行评估，当评估结果存在火灾风险时，调压柜/箱内调压装置的设备建议采用火灾防范技术方案3或者方案4，当评估结果不存在火灾风险时，可不考虑加强设备本体的防火性能。另外，此次防火安全技术研究在燃气调压装置的系统安全可靠性、外部防护安全性安全防范方面也做了系统的分析和总结1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
调压设备
调压器
失效开启
直接作用式
●
间接作用式
◎
失效关闭
安全装置
监控器
安全装置数量
S2
S3
S4
主要设备配置要求
调压路设备配置的安全可靠性分级号
二级
一级
S1
S11
S21
S31
S32
S34
S42
直接作用式
间接作用式
紧急切断阀
第2紧急切断阀
全流量放散/安全阀
微流量放散阀
S33
S41
S12
S22
注:1、符号说明：●表示优选◎表示备选
2、紧急切断阀根据需要可设置为超压和（或）欠压切断两种
3、带的配置为不常用
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