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摘要:介绍了库鄯输油管道引进的荷兰莫克维迪公司生产的减压阀的结构、特点及使用情况,该阀具有降压和消声效果好、流通量大、压力平衡等优点,将其运用到原油输送中,防止了大落差线路中低部位管道的超压和翻越点产生“不满流”现象,保证了输油管道的平稳运行。

关键词输油管道减压阀结构理论

库鄯(库尔勒至鄯善)输油管道全长 475km,总投资 20 多亿元,主要设备引自国外,全线采用 SCADA 系统,是具备 90 年代水平的管道。

大落差是库鄯输油管道的一大特点,沿线最高点海拔为 1560.2m,最低点为 -99.3m,高低点间设置一座减压站,装有两只轴流式气动减压阀,通过减压阀节流,消耗了管道最高点至末站进站间的多余位能,在保证翻越点正压运行不出现“不满流”的情况下,防止了下游最低点的超压,减少了下游输油管道的壁厚,合理地降低了工程成本,达到了预期的设计目标。库鄯输油管道引进的荷兰莫克维迪公司生产的减压阀自投产以来,运行平稳可靠。

一、结构和原理

1、结构

减压站使用的轴流式气动减压阀,压力等级 ANSI600,主要由阀外体、阀内体、活塞、活塞杆、阀杆和笼筒组成。

2、工作原理

减压阀阀体为一完整的铸造体,活塞在带孔眼的笼筒内沿阀门的中心线轴向推移,有全冲程的导向装置。流体流道轴向对称,当流体流经笼筒上的小孔时,相当一部分位能由于陡增的摩阻转化为热能,并由油流带走,位能大大降低,于是前后产生压差。当活塞右移时,活塞将遮住笼筒的更多孔眼,流通面积将进一步减小,前后压差将增大。

减压阀能承受较大的压力并能产生较大的压差,能承受大落差的压力要求,又可防止低点超压。

3、控制原理

减压阀的运行程序为一个运行(主阀 PV-1001),另一个热备用(副阀 PV-1002),被控工艺参数是减压阀上游压力,该压力由减压阀根据减压阀上游压力设定值来控制。

根据实时测量的首站外输流量,由 SCADA 主机软件计算出使最高点为最佳运行值(0.1~0.2MPa)时减压阀上游必须达到的压力值,该计算值由主机实时传给减压站的 PLC,作为减压站控制回路的设定值。控制回路将其与上游压力实测值比较,根据其偏差确定模拟信号(4~20mA)输出量,减压阀自身配备的单回路控制器根据接收到的 4~20mA 信号的大小决定减压阀的开度,调节上游压力,直至与设定值一致为止。

如果主阀发生故障关闭,或因流通能力不够,使上游压力超过副阀的设定值(6.7MPa),那么副阀将自动启用,使上游压力维持为 6.7MPa。

如果因故障使减压阀上游压力超过 7.0MPa,那么通过水击泄放线泄压。

4、控制回路

主阀与副阀的控制回路见图 1。

主阀 PV-1001 的控制回路(图 1)
图 1 主阀 PV-1001 的控制回路(1-控制阀;2-液压缸;3-活塞式气动执行器;4-手动泵;5-过滤调节器;6-I/P转换器;7-阀位控制器;8-限位开关;9-电位计;10-连接箱;11-阀位变送器;12-气动控制箱)

控制回路的特点如下:

(1)I/P 转换器根据输入的 4~20mA 电流,控制输出小气压的小气流。

(2)通过阀位控制器实现小气流带动大气流的效果,类似晶体三极管放大原理。

(3)活塞式气动执行器,由弹簧组与活塞组成,其中弹簧 12 根,6 根左旋,6 根右旋,活塞前后移动时产生的扭力相互抵消,减少了活塞与定位滑道的摩擦力,活塞前行依靠弹簧弹力,后行依靠控制气流。

(4)执行器下部为液压缸,其作用有两点:一是起阻尼器的作用;二是如果失去气源,还可通过手动泵开关阀。

(5)液压管路旁接直径为 50mm 的带钢铠的高压橡胶气囊,可有效地减少自动行程,消除时间滞后现象。

二、减压阀的优点

1、降压效果好

库鄯输油管道的减压阀为三层笼筒,为多级导向迷宫式笼筒,每层笼筒止有 960 个孔,孔的直径为 5mm,笼简间距为 7mm,流体三次经过收缩断面,因而降压效果明显,此种类型的减压阀减压范围可由 40MPa 降为 0.1MPa,库鄯输油管道由 7MPa 降压为 1MPa 即满足要求。

2、消声效果好

当减压阀满负荷运行时,噪音非常小,为 60~70dB。

3、流通量大

老管道节流时常采用孔板法兰,需经过 4D~6D(D 为管径)的行程后,方由紊流恢复为层流。

库鄯输油管道所采用的减压阀,当流体经过笼筒孔眼时,仅在笼筒处形成紊流(Re>4000),经 2D 行程后,恢复为层流(Re≤2100),故流通值大。

4、压力平衡

减压阀上游的原油经过阀内体与阀外体间的流道,通过笼筒孔眼进入下游,活塞横面上有孔,下游的原油由此进入活塞和阀内体,在所有活动部件上承受大小相等、方向相反的作用力,原油沿笼筒孔眼进入时所产生的压力方向与活塞沿笼筒轴向移动的方向垂直,因此执行机构推动活塞来回移动以调节原油流通量时,不需克服轴向力,仅需克服密封机构的弹性摩擦力。减压阀执行机构小巧,结构紧凑。

5、传动机构操作准确

活塞是由成 90° 的角式传动机构操作的,由于活塞杆与阀杆的齿间隙为 0.1mm,从而保证齿条传动机构的操作无“滞后”现象。

6、气源系统

气源系统有两个压力为 1.0MPa、体积为 10m3 的储气钢罐,并联工作,可保证在停电情况下减压阀继续工作 20min。

三、注意事项

(1)气源系统中有两台压缩机、两个空气干燥器,由于压缩机工作压力为 1.0MPa,排风量为 30m3/h,压缩过程中气体中的水分易凝结沉积,因此每天需定时放两次水,以减少干燥器的负荷,若排水系统安装电磁阀,则可实现遥控排水。

(2)由于笼筒上的孔眼为 5mm,为防止减压阀被堵,阀前必须加装过滤器,为保证流通量并考虑过滤网的强度,库鄯输油管道安装的过滤器网眼对角线不大于 3mm(滤网钢丝直径为 1.2mm)。

投产初期,未装过滤器,致使杂物在减压阀内阻塞,流通能力降低。加装过滤器后,随着油流对笼筒孔眼的冲刷,其流通能力逐渐恢复,见图 2。

主减压阀的特性曲线(图 2)
图 2 主减压阀的特性曲线(1-主减压阀严重被堵时的特性曲线;2-加装过滤器运行一段时间后,主减压阀流通能力恢复过程中的曲线;3-主减压阀在正常情况下的特性曲线)

根据近期采集的数据看,库鄯输油管道采用的减压阀已恢复正常,运行良好。


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