天然氣調(diào)壓系統(tǒng)中工作調(diào)壓閥的改進(jìn)設(shè)計(jì)

李虎生

摘要： 介紹了天然氣輸氣站調(diào)壓控制系統(tǒng)的配置，根據(jù)輸氣站現(xiàn)場(chǎng)工況的特點(diǎn)，結(jié)合理論分析，對(duì)工作調(diào)壓閥進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而使得天然氣調(diào)壓系統(tǒng)的運(yùn)行更加的穩(wěn)定。

Abstract： This paper introduces the configuration of pressure regulating control system in the natural gas transmission station. According to the characteristics of site conditions in the gas station， the working pressure regulating valve was improved by the theoretical analysis to make the operation of the natural gas pressure regulating system more stable.

關(guān)鍵詞： 調(diào)壓撬；工作調(diào)壓閥；噪音；泄漏；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Key words： pressure regulating lever；work pressure regulating valve；noise；leak；optimal design

中圖分類號(hào)：TF573 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）02-0171-02

1 概述

天然氣輸氣站系統(tǒng)中電動(dòng)軸流式調(diào)節(jié)閥在天然氣輸氣管道中起非常重要流量調(diào)節(jié)和壓力調(diào)壓作用，即在天然氣輸氣站控制系統(tǒng)中將軸流式調(diào)節(jié)閥定義為工作調(diào)壓閥。目前在天然氣輸氣站輸氣系統(tǒng)中選用工作調(diào)壓閥時(shí)，對(duì)工作調(diào)壓閥的噪音、閥門的開度，及閥門的密封性能要求越來(lái)越嚴(yán)格。為了使工作調(diào)壓閥更好的滿足輸氣站的現(xiàn)場(chǎng)使用性能，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)工作調(diào)壓閥的密封結(jié)構(gòu)及部分零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 工作調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

工作調(diào)壓閥主要有兩大部分組成：閥體組件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組件。工作調(diào)壓閥主要由上閥蓋、閥桿、閥體、套筒、閥芯、推桿等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作調(diào)壓閥閥體內(nèi)腔設(shè)計(jì)為直線對(duì)稱和無(wú)障礙的直通流線型流道。這種內(nèi)腔設(shè)計(jì)可以使介質(zhì)非常容易的通過(guò)，流體在閥門內(nèi)部各個(gè)位置均勻分布，從而降低了流體局部的高速流、紊流、噴射流等沖擊，提高了閥門的穩(wěn)定性，最大限度地減少紊流和噪音。

閥體是一完整的鑄造體，閥芯沿閥門的中心線運(yùn)動(dòng)。該閥主要是由閥芯與套筒相對(duì)流通面積的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)流量、壓力的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)流調(diào)節(jié)的目的。閥芯是通過(guò)一個(gè)90°的角式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作的，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由一對(duì)滑動(dòng)的齒條組成，這對(duì)嚙合的齒條分別位于閥桿和推桿上。齒條間的誤差非常小，從而保證了齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)沒(méi)有滯后現(xiàn)象，達(dá)到高精度調(diào)節(jié)的目的。

3 調(diào)壓系統(tǒng)中工作調(diào)壓閥的控制

輸氣站調(diào)壓撬由安全切斷閥，自力式調(diào)壓閥，軸流式電軸調(diào)節(jié)閥組成。自力式調(diào)壓閥作為監(jiān)控閥，軸流式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為工作調(diào)壓閥，正常工作時(shí)安全切斷閥處于全開位，監(jiān)控閥也處于全開。只有工作調(diào)壓閥調(diào)節(jié)下游壓力或限制下游用戶最大流量。工作調(diào)壓閥，監(jiān)控閥，安全切斷閥，三個(gè)閥的設(shè)定壓力點(diǎn)逐步升高。例如：工作調(diào)壓閥的壓力設(shè)定值為6MPa，監(jiān)控閥的壓力設(shè)定值則應(yīng)為8MPa，安全切斷閥的壓力設(shè)定值則應(yīng)為10MPa。在工作調(diào)壓閥工作時(shí)，向上的壓力超調(diào)量應(yīng)盡可能小。因?yàn)槿绻掠螇毫ι撸咏O(jiān)控閥的壓力設(shè)定值時(shí)，監(jiān)控閥就開始工作，閥芯開始關(guān)閉，使得工作調(diào)壓閥的進(jìn)口壓力減小，相當(dāng)于給工作調(diào)壓閥再次施加了一個(gè)壓力變量，從而增加了工作調(diào)壓閥的控制難度。因此工作調(diào)壓閥在此調(diào)壓系統(tǒng)中的作用非常重要，一旦工作調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)精度出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)對(duì)整個(gè)調(diào)壓系統(tǒng)造成很大的影響，所以工作調(diào)壓閥在整個(gè)調(diào)壓系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)中心樞紐的角色。調(diào)壓系統(tǒng)控制平面圖見圖2。

4 工作調(diào)壓閥的在天然氣調(diào)壓系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題

4.1 噪音大 電動(dòng)式工作調(diào)壓閥電動(dòng)頭控制部分與調(diào)壓站電控制系統(tǒng)匹配后，閥門的控制部分運(yùn)行正常，即閥門的動(dòng)作正常。工作調(diào)壓閥在杭州蕭山輸氣站運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了以下問(wèn)題，輸氣站輸氣壓力低于6MPa時(shí)工作調(diào)壓閥的運(yùn)行正常，但當(dāng)管道輸氣壓力增大到7.5MPa時(shí)工作調(diào)壓閥會(huì)出現(xiàn)震蕩、閥芯運(yùn)行不平穩(wěn)及噪音超過(guò)95分貝。由于工作調(diào)壓閥運(yùn)行不穩(wěn)定及噪音大等問(wèn)題，從而對(duì)輸氣站的正常運(yùn)行和周圍環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。

4.2 泄漏量超標(biāo) 電動(dòng)式工作調(diào)壓閥在輸氣站上使用的過(guò)程中，出現(xiàn)泄漏量超標(biāo)，從而造成能源的浪費(fèi)，并且影響了整個(gè)輸氣系統(tǒng)的使用性能。

4.3 調(diào)節(jié)精度差 調(diào)壓站輸氣系統(tǒng)主要靠電動(dòng)式工作調(diào)壓閥來(lái)調(diào)節(jié)下游管道的壓力，如果下游壓力不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)整個(gè)調(diào)壓系統(tǒng)產(chǎn)生影響，電動(dòng)式工作調(diào)壓閥在輸氣站上使用的過(guò)程中出現(xiàn)了調(diào)節(jié)精度差，調(diào)壓不精確等問(wèn)題，從增加了工作調(diào)壓閥自身及整個(gè)調(diào)壓系統(tǒng)產(chǎn)生控制難度。

5 調(diào)壓系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析

5.1 對(duì)輸氣站閥門撬裝后進(jìn)行壓力場(chǎng)和流速分析 為了解決以上問(wèn)題，結(jié)合輸氣站現(xiàn)場(chǎng)按圖1順序?qū)?臺(tái)閥門撬裝后，用CFD軟件進(jìn)行壓力場(chǎng)和流速分析，從而找到介質(zhì)的高壓分布區(qū)和高速分布區(qū)，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)奠定可靠的理論基礎(chǔ)。（圖3分析過(guò)程圖）

5.2 電動(dòng)式工作調(diào)壓流場(chǎng)分析 為了更加精確地找到高壓天然氣介質(zhì)的高壓及高速分布區(qū)，通過(guò)對(duì)3臺(tái)撬裝閥門進(jìn)行壓力和流場(chǎng)分析后。結(jié)合輸氣站實(shí)際工況壓力及流量針對(duì)電動(dòng)式工作調(diào)壓閥進(jìn)行了流場(chǎng)分析，來(lái)為閥門的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定更加可靠的理論基礎(chǔ)。（圖4電動(dòng)式工作調(diào)壓閥流場(chǎng)分析圖）

6 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況及理論分析對(duì)電動(dòng)式工作調(diào)壓閥進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)

6.1 流量套筒的改進(jìn)設(shè)計(jì) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題及理論分析可得，電動(dòng)式工作調(diào)壓閥閥腔采用軸向?qū)ΨQ流道，完全避免了間接流和流向不必要的改變，最大限度地提高了單位直徑上的流通能力，大大降低了噪音，因此造成管道噪音大的原因不在閥腔及閥體結(jié)構(gòu)上。理論分析顯示閥腔高壓區(qū)及高速區(qū)都集中在流量套筒邊緣，因此要改變?cè)胍舸蟮膯?wèn)題，需在流量窗口上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。結(jié)合介質(zhì)的流量特性及窗口設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，將流量窗口設(shè)計(jì)為錯(cuò)位式內(nèi)隔斷雙層套筒，并且流量孔設(shè)計(jì)為直徑4mm的小孔。（圖5初設(shè)計(jì)套筒結(jié)構(gòu)圖；圖6改進(jìn)后錯(cuò)位式內(nèi)隔斷套雙層筒結(jié)構(gòu)）

6.2 密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì) 為了更好地滿足工作調(diào)壓閥的密封性能，提高閥門的泄漏等級(jí)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，將閥門的密封結(jié)構(gòu)由開始的一道硬密封，改進(jìn)為硬密封組合軟密封的雙重密封結(jié)構(gòu)，并且軟密封結(jié)構(gòu)采用引壓自密封結(jié)構(gòu)，借助高壓氣體來(lái)提供楔形軟密封閥座的密封力，通過(guò)雙重密封結(jié)構(gòu)有效的提高了閥門的泄漏等級(jí)。（圖7原密封結(jié)構(gòu)；圖8改進(jìn)后密封結(jié)構(gòu)）

7 改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的工作調(diào)壓閥在調(diào)壓系統(tǒng)上的使用情況

通過(guò)理論分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，對(duì)電動(dòng)式工作調(diào)壓閥的部分零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了以上優(yōu)化設(shè)計(jì)。改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的工作調(diào)壓閥與安全切斷閥和監(jiān)控調(diào)壓閥進(jìn)行撬裝，將撬裝后的系統(tǒng)在工廠進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試各項(xiàng)功能及性能正常后，將整個(gè)撬裝閥門用于中國(guó)石油天然股份有限公司西氣東輸管道分公司浙江管理處蕭山輸氣站。該進(jìn)結(jié)構(gòu)后的調(diào)壓系統(tǒng)以下問(wèn)題得到了明顯的改善：①噪音大的問(wèn)題得到了很好的改善，噪音由原來(lái)的95分貝降低到80分貝；②現(xiàn)場(chǎng)天然氣壓力升高時(shí)閥門的震蕩現(xiàn)象也得到了很好的改善；③工作調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)精度也得到了提高；④工作調(diào)壓閥的泄漏等級(jí)由開始FCI70-2Ⅳ提高到FCI70-2Ⅵ。以上性能得到改善后，調(diào)壓撬的整個(gè)系統(tǒng)也得到了很好的改善。輸氣站工作人員對(duì)改進(jìn)后的調(diào)壓撬閥門給予了一定的認(rèn)可。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)調(diào)壓撬裝系統(tǒng)中工作調(diào)壓閥在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，并基于調(diào)壓系統(tǒng)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行閥門零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的調(diào)壓撬系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)中的使用性能良好。這為工作調(diào)壓閥在天然氣上的推廣使用奠定了一定的基礎(chǔ)。

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