切斷閥控制系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

1 概述

在能源安全新戰(zhàn)略框架下，《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016—2030)》《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《關(guān)于促進(jìn)天然氣協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展的若干意見》等陸續(xù)出臺，確立將天然氣培育成為中國主體能源之一，提出 2030 年天然氣在一次能源消費結(jié)構(gòu)中占比達(dá) 15% 的具體目標(biāo)。隨著我國西氣東輸、中亞天然氣管道、俄羅斯天然氣管道和沿海接收站建設(shè)，我國天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)入了高潮，天然氣在中國的應(yīng)用逐漸走向成熟。與此同時，對管網(wǎng)以及管網(wǎng)上的調(diào)壓器等設(shè)備的安全保護(hù)逐步得到重視，近年來各類用于超壓安全保護(hù)的自力式切斷閥(以下簡稱切斷閥)大量應(yīng)用在燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)上。

在管道運行過程中，當(dāng)切斷閥后方設(shè)備如調(diào)壓器的輸出壓力高于切斷壓力設(shè)定值時，切斷閥控制系統(tǒng)能夠及時、準(zhǔn)確地響應(yīng)，并控制切斷閥關(guān)閉，從而保護(hù)切斷閥后方的設(shè)備以及盡可能避免其他安全事故

。切斷閥的性能取決于其控制系統(tǒng)。本文根據(jù)切斷閥的工作原理和基本功能，對切斷閥控制系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計，針對切斷閥在實際生產(chǎn)制造和應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，對該控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，旨在為切斷閥設(shè)計者和生產(chǎn)者提供一種功能拓展性更強(qiáng)、通用性更高的控制系統(tǒng)。

2 切斷閥工作原理

2.1 切斷閥適用場合

根據(jù)TSG 07—2019 《特種設(shè)備生產(chǎn)和充裝單位許可規(guī)則》

，切斷閥屬于安全閥，其應(yīng)用于燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中起緊急切斷保護(hù)作用。當(dāng)下游壓力達(dá)到切斷壓力設(shè)定值時快速切斷供氣，以確保下游的用氣安全。切斷閥以管道燃?xì)鉃榭刂颇茉?，不使用任何外部動力源，被廣泛用于天然氣長輸管道分輸站、城市燃?xì)忾T站和調(diào)壓站、燃?xì)怆姀S等需要對供氣壓力故障快速響應(yīng)的場合。

2.2 切斷閥結(jié)構(gòu)及工作原理

對機(jī)械式控制系統(tǒng)的切斷閥結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行介紹，后續(xù)切斷閥控制系統(tǒng)的探討均圍繞氣動式控制系統(tǒng)。切斷閥結(jié)構(gòu)見圖1。工作原理

為：切斷閥出口壓力由信號管引入控制器作用在感應(yīng)元件上，此力與感應(yīng)元件另一側(cè)的調(diào)節(jié)彈簧設(shè)定力相平衡。當(dāng)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)出現(xiàn)故障，切斷閥下游取壓點處的壓力超出調(diào)節(jié)彈簧設(shè)定力對應(yīng)的壓力后，觸發(fā)機(jī)構(gòu)脫扣，執(zhí)行器帶動閉合元件向下移動，閉合元件與閥體貼合，閥門迅速關(guān)閉，從而切斷上游燃?xì)庀蛳掠屋斔?，保護(hù)下游設(shè)備及管道的安全。當(dāng)故障排除后，由人工現(xiàn)場撥動復(fù)位裝置，觸發(fā)機(jī)構(gòu)上扣，閥門打開，穩(wěn)定向下游供氣。

圖6為運用擴(kuò)展卡爾曼濾波融合UWB、編碼器和陀螺儀后獲得的軌跡圖，可以看出，融合后的軌跡與實際的軌跡比較接近，用擴(kuò)展卡爾曼濾波估計位置與實際位置的最大誤差為0.058 m，平均誤差為0.022 m，相比單一UWB定位，多傳感器融合算法最大誤差定位精度提高0.236 m，平均誤差定位精度提高0.013 m。

3 切斷閥控制系統(tǒng)設(shè)計

② 正常工作狀態(tài)切換為超壓切斷狀態(tài)，控制過程見圖4中的紅色流程線。當(dāng)閥后監(jiān)控壓力大于切斷壓力設(shè)定值時，指揮器開啟，迫使氣控?fù)Q向閥換向，氣控?fù)Q向閥的P口和B口接通。閥前壓力經(jīng)減壓器降壓后經(jīng)氣控?fù)Q向閥的P口和B口通路進(jìn)入氣動執(zhí)行器的B口，氣體將氣動執(zhí)行器內(nèi)氣缸向中間推進(jìn)，氣動執(zhí)行器原有氣體經(jīng)A口通過氣控?fù)Q向閥排氣，切斷閥關(guān)閉。若未執(zhí)行復(fù)位動作，切斷閥一直保持關(guān)閉狀態(tài)。

2016年以來，一批電子商務(wù)平臺和電子商務(wù)賬號慢慢涌現(xiàn)，這類平臺或賬號具有電子商務(wù)屬性，以短視頻為主要甚至是唯一的呈現(xiàn)手段，吸引消費者實現(xiàn)購買行為。

學(xué)校以校院合作為平臺，聘請行業(yè)、醫(yī)院專家與學(xué)校專業(yè)教師組建專業(yè)建設(shè)指導(dǎo)委員會，參與專業(yè)開發(fā)，提出專業(yè)建設(shè)規(guī)劃，確定重點專業(yè)和新專業(yè)的設(shè)置。2015年3月，學(xué)校與有關(guān)合作醫(yī)院共同調(diào)研后決定新增農(nóng)村醫(yī)學(xué)、中醫(yī)康復(fù)保健、中醫(yī)護(hù)理、眼視光技術(shù)4個專業(yè)，現(xiàn)已獲批準(zhǔn)。

本文采用電磁閥接收遠(yuǎn)程切斷控制信號，通過其換向動作實現(xiàn)切斷閥關(guān)閉，控制過程見圖7中青色流程線。在手動切斷閥和氣控?fù)Q向閥之間并聯(lián)一路電磁閥，即可實現(xiàn)切斷閥遠(yuǎn)程切斷功能。在切斷閥正常工作狀態(tài)下，指揮器處于關(guān)斷狀態(tài)。如果控制平臺系統(tǒng)發(fā)出遠(yuǎn)程切斷控制信號，電磁閥接收信號后切換至通路，閥前壓力經(jīng)減壓器降壓后，一路氣體經(jīng)電磁閥進(jìn)入氣控?fù)Q向閥，迫使氣控?fù)Q向閥換向，其P口和B口接通。另一路氣體經(jīng)氣控?fù)Q向閥的P口和B口通路進(jìn)入氣動執(zhí)行器，氣體將氣動執(zhí)行器內(nèi)氣缸向中間推進(jìn)，氣動執(zhí)行器原有氣體經(jīng)A口通過氣控?fù)Q向閥排氣，切斷閥關(guān)閉。若未執(zhí)行復(fù)位動作，切斷閥一直保持關(guān)閉狀態(tài)。

③ 正常工作狀態(tài)切換為手動切斷狀態(tài)，控制過程見圖5中藍(lán)色流程線。按動手動切斷閥按鈕將其換向，其A口和R口接通。閥前壓力經(jīng)減壓器降壓后，一路氣體經(jīng)手動切斷閥的R口、A口進(jìn)入氣控?fù)Q向閥，迫使氣控?fù)Q向閥換向，其P口和B口接通；另一路氣體通過氣控?fù)Q向閥的P口和B口通路進(jìn)入氣動執(zhí)行器，氣體將氣動執(zhí)行器內(nèi)氣缸向中間推進(jìn)，氣動執(zhí)行器原有氣體經(jīng)A口通過氣控?fù)Q向閥排氣，切斷閥關(guān)閉。若未執(zhí)行復(fù)位動作，切斷閥一直保持關(guān)閉狀態(tài)。

其中，減壓器主要作用是將閥前壓力降至整個控制系統(tǒng)所需壓力，為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的動力源；指揮器為壓力感知元件，用于感知閥后監(jiān)控壓力并控制指揮器閥口的開關(guān)；手動切斷閥用于現(xiàn)場手動控制閥門關(guān)閉；復(fù)位閥用于現(xiàn)場手動控制閥門開啟；氣控?fù)Q向閥用于控制并維持閥門開啟或者關(guān)閉狀態(tài)；氣動執(zhí)行器用于執(zhí)行切斷閥開關(guān)動作。

切斷閥控制系統(tǒng)主要作用為精準(zhǔn)感知下游壓力的變化，當(dāng)下游壓力超過切斷壓力設(shè)定值時，能夠控制執(zhí)行器動作，迅速實現(xiàn)切斷閥關(guān)閉；當(dāng)故障排除后，人工現(xiàn)場復(fù)位，實現(xiàn)切斷閥開啟。切斷閥控制系統(tǒng)見圖2。在圖2～8中，手動切斷閥等閥門中的箭頭不表示流向。

① 初始壓力設(shè)定后的正常工作狀態(tài)，控制過程見圖3中的綠色流程線。此時指揮器處于關(guān)斷狀態(tài)，其后端元件均沒有壓力。閥前壓力經(jīng)減壓器降壓后進(jìn)入氣控?fù)Q向閥，經(jīng)P口-A口通道進(jìn)入氣動執(zhí)行器并將氣動執(zhí)行器內(nèi)氣缸向兩端推開，氣動執(zhí)行器原有氣體經(jīng)B口通過氣控?fù)Q向閥排氣，切斷閥開啟。若閥后監(jiān)控壓力未超壓或未執(zhí)行手動切斷動作，切斷閥一直保持開啟狀態(tài)。

④ 切斷狀態(tài)切換為復(fù)位狀態(tài)，控制過程見圖6中紫色流程線。不論超壓切斷還是手動切斷，復(fù)位必須通過現(xiàn)場人工操作復(fù)位閥。按動復(fù)位閥將其A口和P口導(dǎo)通，氣控?fù)Q向閥內(nèi)氣體排出后換向，其P口和A口接通。閥前壓力經(jīng)減壓器降壓后進(jìn)入氣控?fù)Q向閥，經(jīng)P口和A口通路進(jìn)入氣動執(zhí)行器并將氣動執(zhí)行器內(nèi)氣缸向兩端推開，氣動執(zhí)行器原有氣體經(jīng)B口通過氣控?fù)Q向閥排氣，切斷閥開啟。若出口壓力未超壓或未執(zhí)行手動切斷動作，切斷閥一直保持開啟狀態(tài)。

4 控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

4.1 附加功能拓展設(shè)計

目前護(hù)理專業(yè)OSCE標(biāo)準(zhǔn)化病人主要依賴于各大醫(yī)院。臺灣大學(xué)有標(biāo)準(zhǔn)化病人協(xié)會，主要為退休的公務(wù)員和教師，另外部分學(xué)校招募學(xué)生志愿者作為標(biāo)準(zhǔn)化病人。這兩類人群都存在共同的問題，即不符合某些疾病的年齡特征。標(biāo)準(zhǔn)化病人要符合以下條件：不能有考試案例所涉及的疾病，身上不能有手術(shù)疤痕，非老年心臟病病人。

① 附加遠(yuǎn)程切斷功能設(shè)計

切斷閥在使用過程中的狀態(tài)分為初始壓力設(shè)定后的正常工作狀態(tài)、超壓切斷狀態(tài)、手動切斷狀態(tài)以及復(fù)位狀態(tài)，各狀態(tài)控制過程如下。

② 閥門開關(guān)狀態(tài)遠(yuǎn)傳功能

閥門開關(guān)狀態(tài)遠(yuǎn)傳功能可以將切斷閥開關(guān)狀態(tài)遠(yuǎn)傳至控制平臺系統(tǒng)，便于實時監(jiān)測切斷閥的工作狀態(tài)，及時做出響應(yīng)。閥門開關(guān)遠(yuǎn)傳功能系統(tǒng)見圖8。本文對氣動執(zhí)行器進(jìn)行改進(jìn)，增配限位開關(guān)。限位開關(guān)可以將切斷閥的開關(guān)信號實時傳輸?shù)娇刂破脚_系統(tǒng)。

4.2 控制系統(tǒng)通用化設(shè)計

由于切斷閥使用工況差異，根據(jù)其主閥體內(nèi)部閥芯的運動軌跡，一般可分為角行程和直行程閥門。角行程閥門閥芯一般是在90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)往復(fù)運動，直行程閥門閥芯一般是直線往復(fù)運動。為了提高控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，減少不必要的設(shè)計，降低制造成本，可以對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，兼顧兩種行程，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)的模塊化、通用化。

本文采用同一控制系統(tǒng)選配不同類型的氣動執(zhí)行器(A型和B型)，可輸出直行程和角行程，從而匹配不同行程方式的主閥體，通用性好。直行程切斷閥見圖9，角行程切斷閥見圖10。

男女生身高與肺活量呈低度正相關(guān)（r男=0.394，r女=0.291，P＜0.01），身高與立定跳遠(yuǎn)也呈低度正相關(guān)（r男=0.167，r女=0.149，P＜0.01）。這表明無論男生女生，身高越高，肺活量值越大，同時立定跳遠(yuǎn)跳得越遠(yuǎn)。憑借常識我們可判斷出身高與立定跳遠(yuǎn)的相關(guān)，但身高與肺活量相關(guān)方面的研究還不多，是否存在身高與肺活量之間有中間變量影響？假設(shè)身高高的人生長發(fā)育較身高矮的人發(fā)育良好，身高高的人平時更注重抬頭挺胸直腰，要驗證這一假設(shè)還有待深入研究。

5 結(jié)論

基于自力式切斷閥工作原理，設(shè)計控制系統(tǒng)并對其正常工作狀態(tài)、超壓切斷狀態(tài)、手動切斷狀態(tài)以及復(fù)位狀態(tài)進(jìn)行探討。對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后控制系統(tǒng)具備遠(yuǎn)傳控制切斷、閥門開關(guān)狀態(tài)遠(yuǎn)傳功能，且能兼容不同結(jié)構(gòu)形式主閥體。

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