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減壓閥在大落差管道上的應(yīng)用

減壓閥在大落差管道上的應(yīng)用

上海申弘閥門有限公司

    【摘  要】庫(kù)爾勒至鄯善輸油管道采用了常溫密閉輸送工藝及SCADA系統(tǒng)等技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)化水平的一條管道。詳細(xì)介紹了自荷蘭引進(jìn)的RZD-RMBX型減壓閥的結(jié)構(gòu)、工作原理、調(diào)節(jié)特性及運(yùn)行工況。該減壓閥在國(guó)內(nèi)輸油管道上用于解決大落差的難題。運(yùn)行一年多來(lái)，工作平穩(wěn)正常，效果良好。  

【關(guān)鍵詞】輸油管道； 減壓閥

　　我國(guó)引進(jìn)荷蘭莫克維迪(Mokveld)公司64.8　mm　ANSI　600　RZD-RMBX型減壓閥，用于庫(kù)鄯輸油管道吐魯番盆地西南部落差大(115　km內(nèi)落差達(dá)1　660　m)的覺(jué)羅塔格山至艾丁湖減壓輸油段。運(yùn)行一年多來(lái)，工作平穩(wěn)正常，效果良好。

一、減壓閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　減壓閥是一種軸流式調(diào)節(jié)閥，由閥外體、閥內(nèi)體、閥桿、活塞桿、活塞和籠筒組成(見圖1)。

圖1　減壓閥結(jié)構(gòu)示意圖
1—閥外體；　2—閥內(nèi)體；　3—活塞桿；　4—閥桿；　5—活塞；　6—籠筒

　　1、　閥　體
　　閥體包括閥外體和閥內(nèi)體，是一完整的鑄造體，閥的內(nèi)外體之間有一軸向?qū)ΨQ流道，見圖1箭頭所示處。
　　2、　籠　筒
　　籠筒是減壓閥的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)見圖2。壁面上有許多孔洞，RZD-RMBX型減壓閥選用三層籠筒，即籠筒壁面分三層，每層按一定規(guī)律分布有許多孔洞，三層壁面按一定的要求組合為一體(見圖2)。

　　3、　活塞桿和閥桿
　　活塞桿與閥桿構(gòu)成一個(gè)90°的角式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(見圖1)，活塞借助此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌內(nèi)沿閥門的中心線運(yùn)動(dòng)，活塞桿與閥桿上的45°的齒條相互耦合，閥桿上下傳動(dòng)，帶動(dòng)活塞桿及活塞在全行程上前后運(yùn)動(dòng)。活塞的端面上均勻分布有孔洞(見圖1)，以使活塞內(nèi)外壓力平衡，前后運(yùn)動(dòng)時(shí)不受軸向壓力的影響。
　　 4、　工作原理
　　減壓閥是活塞型閥門，活塞在籠筒內(nèi)被導(dǎo)引，節(jié)流發(fā)生在活塞邊緣與籠筒的孔口之間，油流來(lái)自籠筒外，因此在籠筒層孔內(nèi)油流速度很高，籠筒選用的材質(zhì)高度抗腐蝕與磨蝕。減壓閥有獲的密封系統(tǒng)，主密封圈位于籠筒的前端，活塞在全行程上被導(dǎo)引，當(dāng)被推動(dòng)穿過(guò)主密封圈時(shí)，閥門前后的差壓強(qiáng)迫主密封圈緊貼活塞壁而緊密關(guān)閉閥門。活塞通過(guò)活塞桿的導(dǎo)引在籠筒內(nèi)前后運(yùn)動(dòng)，閥桿借助它與活塞桿上的45°的齒條傳動(dòng)活塞桿，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥桿向上時(shí)，活塞向后移動(dòng)，開大閥門；當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥桿向下時(shí)，活塞向前移動(dòng)，關(guān)小閥門。
　　減壓閥采用了帶氣動(dòng)閥門定位器的活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣源裝置給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了一定壓力的壓縮空氣，電／氣轉(zhuǎn)換器把從控制室來(lái)的4～20　mA　DC信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.02～0.1　MPa的標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)信號(hào)，傳輸信號(hào)為電信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)操作為氣動(dòng)信號(hào)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直線位移輸出，通過(guò)推桿帶動(dòng)閥桿上下移動(dòng)，從而使閥門開度在全行程上變化。
　　 5、　性能特點(diǎn)
　　軸向?qū)ΨQ流道。閥體采用了軸向?qū)ΨQ流道，*避免了優(yōu)先流和不必要的流向改變，使噪音和紊流趨勢(shì)明顯降低。
　　氣密級(jí)密封系統(tǒng)。減壓閥具有獲的密封系統(tǒng)，即使在惡劣的工作條件下，也能在全壓力范圍內(nèi)保證關(guān)斷嚴(yán)密。
　　壓力平衡。由于減壓閥裝配了壓力平衡活塞，使得操作活塞的軸向力與閥門兩端的壓差無(wú)關(guān)，因此使用較小的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就能達(dá)到快動(dòng)的目的。

二、調(diào)節(jié)特性

　　減壓閥的調(diào)節(jié)特性是由閥內(nèi)部件的結(jié)構(gòu)決定的，所謂調(diào)節(jié)特性是指流過(guò)閥門介質(zhì)的相對(duì)流通能力與閥門相對(duì)開度的關(guān)系，相對(duì)流通能力是閥門某一開度時(shí)流通能力與全開時(shí)流通能力之比，相對(duì)開度是閥門某一開度與全開度之比〔1〕。減壓閥的調(diào)節(jié)特性如圖3所示。
　　從圖3中可以看出，減壓閥具有良好的線性調(diào)節(jié)特性，小流量時(shí)開度約在10%處，這一點(diǎn)使得閥門接近關(guān)閉時(shí)工作緩和平穩(wěn)，確保關(guān)斷嚴(yán)密。在正常的可調(diào)范圍內(nèi)流量變化與閥門開度成線性關(guān)系。

圖3　減壓閥特性曲線

三、減壓閥在管道中的調(diào)節(jié)原理

　　庫(kù)鄯輸油管道使用了兩個(gè)減壓閥，并聯(lián)安裝在覺(jué)羅塔格減壓站，其中主閥PV1001起主要調(diào)節(jié)作用，副閥PV1002起備用調(diào)節(jié)作用，庫(kù)鄯輸油管道一期工程水力坡降線示意圖如圖4所示。

圖4　庫(kù)鄯輸油管道一期工程水力坡降線示意圖

　　從圖4中可以看出減壓閥的主要作用是：
　　(1)在減壓站通過(guò)減壓閥節(jié)流降壓，消耗掉管道高點(diǎn)至末站進(jìn)站間的多余位能(P2－P3)。
　　(2)通過(guò)減壓閥控制減壓站上游管道的壓力，保證高點(diǎn)正壓運(yùn)行，并避免高點(diǎn)至減壓站管道內(nèi)出現(xiàn)不滿流現(xiàn)象。
　　(3)全線停運(yùn)時(shí)，通過(guò)減壓閥的嚴(yán)密關(guān)斷，防止減壓站上游出現(xiàn)不利于再啟動(dòng)的空管現(xiàn)象。
　　圖4中高點(diǎn)與減壓站處由伯努利方程得到簡(jiǎn)化后的穩(wěn)定流的能量方程〔2〕：

即　P2＝P1＋γ（Z1－Z2）-γ.hf
　　 由列賓宗公式得：　（1）

式中　Z1——高點(diǎn)高程，m；
　　　 Z2——減壓站高程，m；
　　　 P1——高點(diǎn)壓力，Pa；
　　　 P2——減壓站進(jìn)站壓力，Pa；
　　　 Q——管道內(nèi)原油流量，m3／s；
　　　 d——管道內(nèi)徑，m；
　　　 L——高點(diǎn)至減壓站間的管道長(zhǎng)度，m；
　　　 γ——油品相對(duì)密度，kg／m3；
　　　 ν——油品運(yùn)動(dòng)粘度，m2／s；
　　　 β——流態(tài)系數(shù)，取0.024　6　s2／m。
　　 其中Z1、Z2、d、L、β、γ、ν為已知，為了保證高點(diǎn)正壓運(yùn)行，取P1為0.2　MPa(設(shè)計(jì)參考值)，由式(1)中可以得出：減壓站的進(jìn)站壓力P2隨Q變化而變化，Q取首站出站流量。在實(shí)際運(yùn)行中PSP（減壓站進(jìn)站壓力設(shè)定值）由SCADA系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)定的Q進(jìn)行計(jì)算得出，并從主機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳給減壓站的站控PLC，由PLC內(nèi)的PID(比例積分微分)調(diào)節(jié)程序?qū)p壓站的上游壓力P2進(jìn)行控制。
　　 當(dāng)P2＜PSP時(shí)，PV1001關(guān)小，直至偏差e＝P2－PSP＝0為止；
　　 當(dāng)P2＞PSP時(shí)，　PV1001開大，　直至偏差e＝0為止；
　　 當(dāng)P2＝PSP時(shí)，PV1001保持當(dāng)前開度。
　　副閥PV1002是備用調(diào)節(jié)閥，其壓力設(shè)定值為固定值，即不隨管道流量變化而變化。當(dāng)主閥PV1001故障關(guān)閉或流通能力不夠時(shí)，副閥將自動(dòng)參與調(diào)節(jié)，兩閥的壓力流量曲線如圖5所示。

圖5　壓力流量曲線圖

　　由圖5可看出，主閥PV1001控制上游壓力隨流量增大而減小，而副閥PV1002控制上游壓力為一定值，但兩閥出口壓力(隨流量的變化)相同。

四、減壓閥運(yùn)行工況分析

RZD-RMBX型減壓閥結(jié)構(gòu)*，并在我國(guó)輸油管道上使用，由于設(shè)計(jì)上的疏忽，減壓站進(jìn)站主流程上未裝過(guò)濾器，加之減壓閥的安裝未嚴(yán)格按照規(guī)程執(zhí)行，因此導(dǎo)致庫(kù)鄯輸油管道在輸水試運(yùn)期間減壓閥嚴(yán)重受堵，流通能力減小，后經(jīng)補(bǔ)裝過(guò)濾器，并多次沖洗減壓閥，運(yùn)行工況才逐漸趨于正常。
　　通過(guò)分析主閥PV1001的兩組運(yùn)行數(shù)據(jù)，得出如表1所列的結(jié)果。
　　*組數(shù)據(jù)中取通過(guò)流量約490　m3／h，運(yùn)行時(shí)間為8個(gè)月，減壓閥的實(shí)際開度從99.61%降為35.36%，經(jīng)過(guò)計(jì)算，實(shí)際開度與理論開度間的誤差從71.61%降為7.61%。第二組數(shù)據(jù)取通過(guò)流量約643　m3／h，運(yùn)行時(shí)間為4個(gè)月，實(shí)際開度從56.31%降為40.83%，誤差從23.81%降為8.03%。

從表1中可以看出，減壓閥隨著運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)，流通能力也逐漸恢復(fù)，主要原因是減壓閥在運(yùn)行過(guò)程中，籠筒內(nèi)的堵塞物由于受到高壓原油的沖蝕與磨蝕而逐漸減少。以2008年3月21日與2008年8月1日的兩組運(yùn)行參數(shù)(見表2)為依據(jù)，對(duì)減壓閥的出口壓力與流量的變化進(jìn)行比較。

表1　庫(kù)鄯輸油管道主閥運(yùn)行的兩組數(shù)據(jù)比較

注　以上數(shù)據(jù)在計(jì)算中原油密度取0.8456　t／m3。 

表2　減壓閥運(yùn)行參數(shù)

　　注　左欄為2008年3月21日數(shù)據(jù)，右欄為2008年8月1日數(shù)據(jù)。 

　　將表2中的數(shù)據(jù)用曲線表示(見圖6)。
　　通過(guò)比較可以看出，圖6中曲線1較曲線2接近曲線3，這說(shuō)明隨著運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)，減壓閥的運(yùn)行情況將逐漸趨于正常。
　　 根據(jù)減壓閥的運(yùn)行情況，提出以下建議。
　　 (1)減壓閥籠筒上的孔洞很小(φ6　mm)，為保證減壓閥的正常運(yùn)行，減壓閥前應(yīng)設(shè)置合適的過(guò)濾器，并應(yīng)根據(jù)情況適時(shí)清洗過(guò)濾器。
　　 (2)由于減壓閥在投產(chǎn)前受堵，籠筒內(nèi)的堵塞物至今仍有殘余，這就使得原油通過(guò)減壓閥的壓差相對(duì)增大，而減壓閥的允許壓差為6.0　MPa，也即當(dāng)減壓閥前后壓差為6.0　MPa時(shí)，它的通過(guò)流量已達(dá)飽和，若超過(guò)6.0　MPa，則閥內(nèi)件將會(huì)受到損害，因此運(yùn)行中的壓差都應(yīng)小于6.0　MPa。

圖6　出口壓力與流量的變化曲線
1—1998年8月1日的一組運(yùn)行情況；
2—1998年3月21日的一組運(yùn)行情況；
3—流量與出口壓力的關(guān)系曲線

　　(3)減壓閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，保證其氣源裝置的正常工作就是保證減壓閥的正常運(yùn)行，因此對(duì)氣源裝置應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。另外，如果能深化減壓閥的理論培訓(xùn)以及嚴(yán)格按規(guī)程施工和操作，那么其運(yùn)行優(yōu)勢(shì)將會(huì)得到更好發(fā)揮。還需要了解更多減壓閥資料，請(qǐng)點(diǎn)擊減壓閥查看。

參考文獻(xiàn)

（1）曲慎揚(yáng)等：原油管道工程，石油工業(yè)出版社(北京)，1994。
（2）袁恩熙：工程流體力學(xué)，石油工業(yè)出版社(北京)，1986。