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減壓閥在大落差管道上的應(yīng)用

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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,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)的覺羅塔格山至艾丁湖減壓輸油段。運(yùn)行一年多來,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)?;钊亩嗣嫔暇鶆蚍植加锌锥?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?;钊ㄟ^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

      庫鄯輸油管道使用了兩個(gè)減壓閥,并聯(lián)安裝在覺羅塔格減壓站,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)裝過濾器,并多次沖洗減壓閥,運(yùn)行工況才逐漸趨于正常。
      通過分析主閥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 庫鄯輸油管道主閥運(yùn)行的兩組數(shù)據(jù)比較

     


    號(hào)

    日期

    閥前
    壓力
    (MPa)

    通過
    流量
    (m3/h)

    實(shí)際
    開度
    %

    閥后
    壓力
    (MPa)

    壓差

    (MPa)

    相對(duì)流
    通能力
    %

    理論
    開度
    %


    誤差

     

    2007-08-14

    6.47

    491.90

    99.61

    0.94

    5.53

    13.92

    28.0

    71.61

    2007-11-19

    6.31

    490.35

    87.13

    0.67

    5.64

    13.74

    27.9

    59.23

    2008-02-27

    6.30

    490.35

    67.18

    0.91

    5.39

    14.05

    28.2

    38.98

    2008-03-22

    6.30

    490.35

    45.05

    0.91

    5.39

    14.05

    28.2

    16.85

     

    2008-04-13

    6.31

    490.35

    35.36

    0.91

    5.40

    14.04

    28.2

     7.16

     

    2008-04-29

    6.11

    641.95

    56.31

    1.25

    4.86

    19.38

    32.5

    23.81

    2008-05-30

    6.00

    641.17

    51.96

    1.28

    4.72

    19.64

    32.8

    19.16

    2008-06-11

    6.00

    644.69

    48.64

    1.32

    4.68

    19.83

    32.9

    15.74

    2008-07-28

    6.03

    643.71

    46.20

    1.25

    4.78

    19.60

    32.7

    13.50

     

    2008-08-15

    5.97

    644.04

    40.83

    1.22

    4.75

    19.66

    32.8

     8.03

    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)

    通過流量
    (m3/h)

    實(shí)際出口壓本文內(nèi) 容摘自WwW.EdUZhai.nET中國(guó) 教育文摘^力
    (MPa)

    通過流量
    (m3/h)

    實(shí)際出口壓力
    (MPa)

    415.92

    0.73

    419.30

    0.85

    470.74

    0.88

    470.61

    0.93

    502.47

    0.95

    504.79

    0.96

    553.65

    1.00

    561.67

    1.12

    601.47

    1.10

    599.63

    1.16

    649.38

    1.13

    640.52

    1.26

    701.73

    1.29

    680.69

    1.34

    740.42

    1.40

    707.73

    1.38

     

     

    718.76

    1.41

      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)。
      通過比較可以看出,圖6中曲線1較曲線2接近曲線3,這說明隨著運(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)置合適的過濾器,并應(yīng)根據(jù)情況適時(shí)清洗過濾器。
       (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),它的通過流量已達(dá)飽和,若超過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。