天然气净化厂控制阀设计及维护.pdf

第 2 3 卷第 5 期 2 0 l 6 年 5 月 仪器仪表用户 NS TRUM E N1 -A T l ON EI C Vo 1 ． 2 3 2 0 1 6 No ． 5 天然气净化厂控制阀设计及维护 刘少 宇 中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 2 5 7 0 2 6 摘要本文主要介绍了控制阀选型的一般原则，分析了天然气处理站在不同工艺条件下控制阀类型的选择，控制 阀在选型计算中需要注意的问题以及在使用过程中遇到的典型问题，探讨控制阀选型的最佳方案。 关键词控制阀的类型；动能；计算；故障分析 中图分类号 T H 文献标识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 1 0 4 1 ． 2 0 1 6 ． 0 5 ． 0 0 3 文章编号1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 6 0 5 0 0 0 9 0 3 T h e De s i g n a n d M a i n t e n a n c e o f Co n t r o l Va l v e Us e d i n Ga s P r o c e s s i n g Pl a n t Li u S h a o yu S i n o p e c P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， S h a n d o n g D o n g y i n g ， 2 5 7 0 2 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e ma i n l y i n t r o d u c e s t h e g e n e r a l p ri n c i p l e o f t h e c o n t r o l v a l v e s e l e c t i o n ， a n a l y s i s t h e c o n t r o l v a l v e s e l e c t i o n u n d e r d i ff e r e n t p r o c e s s c o n d i t i o n s i n g a s p r o c e s s i n g p l a n t ． Ma t t e r s n e e d e d a t t e n t i o n i n the c a l c u l a ti o n o f c o n t r o l v alv e a n d t y p i c al p r o b l e m e n c o u n t e r e d i n the p r o c e s s o f u s i n g a r e als o d e s c ri b e d ． T h e a r t i c l e d i s c u s s e s the p r e f e r r e d p l a n o f t h e c o n t r o l v alv e s e l e c t i o n ． Ke y wor ds t y p e o f c o n t r o l v a l v e ； k i n e t i c e n e r g y ； c a l c u l a t i o n ； f a u l t a n a l y s i s 控制阀是生产过程 中常用的一种控制机构，是保证生 产过程的平稳运行、保证产品质量一个非常重要的组成部 分。 正确地选用控制阀， 关系到整个 自控系统的控制质量， 直接影响到产 品质量 。 根据具体应用的需要， 选择适当类型的阀门至关重要。 向供应商咨询，选择适当的阀门类型，是最为有效的途径。 但 当阀门价格限制控制过程的选择时，采用任何折衷方案 都会牺牲阀门性能的完美性和可靠性。通常情况下 ，购买 价格低廉不适合运行控制的阀门，日常运行费用将会相对 增加，最终得不偿失。因此 ， 如何正确选择合适的控制阀， 是每个设计人员必须重视 的问题 。 1 控制阀选型的原则 1 ． 1控 制阀体 结构形式的选择 在满足要求的前提下，可能有几种适合的控制阀，应 考虑综合经济效益 ◎ 一般优先选择体积小、通过能力强，技术先进的直 通单、双座控制阀和普通套筒控制阀。 ◎ 高静压、大压差的场合选用高压角型阀。 ◎分流和合流场合、用于简单配比控制选用三通阀。 1 ． 2控制阀体材料的选择 选择材料时，主要考虑材料硬度、强度、耐腐蚀和耐 低温、高温的特性。首先应满足安全可靠，还要考虑应用 性能、寿命和经济性 ；寒冷地区、蒸汽介质不宜采用铸铁 阀体。 1 - 3控制 阀芯的选择 定量地选择阀芯的形式很困难。在实际设计 中，通常 是按照国内、外工程设计的经验来确定。例如，对液体的 调节通常采用线性的流量特性；对压力、温度、流量调节 通常采用等百分比的流量特性；在需要快速切断的调节系 统则用盘型阀芯、快开特性。 阀芯材料的选择。根据实际需要选择 3 0 4 、3 1 6 、1 7 一 P H 或合金等。 1 ． 4控制阀流向的选择 ◎ 高压控制阀，D N≤2 0时，选流闭特性 的阀门； D N2 0时，应根据具体情况来确定阀门特性。 ◎ 角型控制阀，对于含有悬浮液、高黏度、固体颗粒 的工艺介质，要求阀门自洁性好，宜选择流闭型；仅为角 型阀时 ，可选择流开型。 ◎单座控制阀，一般选流开型。 ◎小流量控制阀，一般选流开型，当介质冲刷严重时， 可选择 流闭型。 收稿 日期 2 0 1 6 0 2 2 1 作者简介刘少宇 1 9 7 3 -，男，辽宁黑山人， 大学，学士，高级工程师，从事石油化工自动化设计工作。 仪器仪表用户 I N S T R U ME N T A T I O N 第2 3 卷 ◎ 单密封套简控制阀，一般选流开型；有 自洁要求的 可选流闭型 。 ◎ 两位型控制阀，一般选用流闭型。 1 ． 5 执行机构 的选择 单动执行机构通常都采用气动薄膜式的设计，采用这 种方式 ，使用弹簧可以减少阀座的负荷 ，还可以承受全部 闭合压力；双动执行机构采用气动活塞式的设计，采用这 种方式， 与薄膜式的设计不同， 气源压力不需要进行调节， 为达到较高闭合的压力 ，可应用全负荷供气压力，对于气 动活塞式，压力越高，阀门控制灵敏度、稳定性就越好。 1 ． 6控 制阀泄 漏量 阀泄漏量是指在规定的温度、压力条件下 ，试验流体 通过处于关闭状态的控制阀流量。一般情况下 ，阀泄漏量 不影响控制品质。但对控制液位 、事故放空等工况，则要 求阀泄漏量很小或严密切断。 1 ． 7选择控 制阀气 开气 闭原 则 控制阀作用方式分气开气闭两种，有信号压力时控制 阀关 ， 无信号压力时控制阀开的为气关式， 反之为气开式。 原则 如下 ◎ 事故安全。事故条件下 ，控制阀的开度应处于使生 产装置安全的位置。 ◎事故状态下 ，减少原料或动力消耗 ， 保证产品质量。 如 ，进料控制阀采用气开式，事故时阀关闭，停止进料 ； 回流控制阀采用气闭式，事故时阀全开，保证回流量。 ◎ 考虑介质特性。对于易结晶、易凝固液体，导热油 或蒸汽流量控制阀应选气闭，防止结晶凝固。 1 ． 8阀流量特性 的选择 ◎ 按控制特性 、干扰源、s 阀阻比 值 3个方面综合 考虑 。 ◎ 一般选择 的原则 。 作用在阀门上压差变化较小、给定值变化较小、工艺 过程主要的变量变化较小及 S 0 ．7 5的调节对象 ，宜选线 性流量特性 。 缓慢的生产工艺，S 0 ．4时，宜选线性流量特性。 对于可调范围大，管道压损大 ，开度变化大及阀上压 力差变化较大的场所 ，宜选择等百分比的流量特性。 慢速生产工艺 ，如对系统动态过程不熟悉时 ，宜选择 等百分比特性。 根据设计经验可按表 1 选择控制阀流量特性。 表 1 控制阀流量特性 T h b 1 e 1 co n o l v a l v e flo w c h a r a c t e r i s t i c s 注AP 表示正常流量下的阀两端压差 △P 表示阀关闭的阀两端压差 ◎ 快开流量特性 适用两位动作场合或需要快速获得 控制阀最大的流通能力场合。当控制器必须设定在宽比例 带时，其控制阀也可选用快开特性。 1 ． 9流体 压力、温度的影响 根据控制介质最大工作压力来选择控制阀压力时，必 须根据工艺介质温度条件综合考虑 ，公称压力是在一定温 度下依据强度来确定的，其允许的最大工作压力应低于公 称压力 。 例如 碳钢阀门， 当公称压力 P N1 6 ， 流体温度 2 0 0 C时， 最大耐压 1 ． 6 M P a ；当流体温度为 2 5 0 C时，最大耐压为 1 ． 5 M P a ；当流体温度 4 0 0 ℃时，最大耐压只有 0 ． 7 MP a 。 2 天然气净化厂控制阀型式选择 2 ． 1工 艺过 程控制阀 一 般要求泄漏量小 、流量较小、阀前后压差小的场所 宜选单座控制阀， 单座控制阀只有一个阀芯， 容易保证密封。 例如为了稳定工艺过程压力的压力控制阀，为了稳定液 位的液位控制阀，为了控制流量的流量控制阀等，但需要 特别注意的是单座控制阀不适用于高粘度或含悬浮物颗粒 流体的场合。因此 ，在确定阀门型式时需要特别 留意确定 工艺介质中是否含有固体颗粒等杂质。 2 ． 2分 离器排水控 制阀 高压天然气从井口到进站内分离器或多或少含有颗粒 状 物质 泥沙 ， 所产生的污水排放到站 内闭排 开排 系统 ， 宜选用角型控制阀。角型控制阀的阀体为直角形，阀体 内 侧流线型通路有助于防止固体在内壁堆积，特别适用于高 粘度或含悬浮物、高静压、大压差流体的调节场合。 2 ． 3调压放 空控 制阀 对于站内气体放空的应用，控制阀必须选用多级减压 多通道、弯曲的流道阀芯设计以减少振动及磨损，根据阀 芯出口动压能标准，阀出口应设计为扩 口形式 ，根据投资 的大小可选用多级笼式控制阀或迷宫阀。阀笼级数的确定 必须保证阀芯出口动压能小于 2 7 5 k P a 。 2 ． 4制冷 J ． T阀 J T阀就是焦耳 一汤姆逊节流膨胀 阀，焦耳 一汤姆逊 节流膨胀原理简单的说就是高压气体经过节流膨胀后温度 会下降。J T阀广泛应用于站场制冷工艺中。 J T阀不建议使用迷宫式的构造。为了避免阀笼堵塞， J T阀宜采用 内小外大的圆形钻孔设计。除了圆孔不易被 水合物堵塞以外 ， 内小外大的钻孔设计 ， 也有利于吹扫工作 ， 使堵塞物更轻易地被清除。入 口大出口小的阀笼设计就类 似 口哨，只有提高噪音 ，不会有降噪功能。J T阀应采用 放大的阀门出口，有助于减低流速，避免湍流，使流体出 了阀门后 ，不会在管道内再度产生噪音。更低的出口流速 第4 期 刘少宇 天然气净化厂控制 阀设计及维 护 1 1 也减少了流体对阀门出口和下游管道内壁的冲刷。 2 - 5温度配 比三通 阀 在天然气处理装置温度控制中，经常会出现既要进行 温度的精确控制又不允许流体有高的压力损失的情况，该 工艺过程宜选用三通控制阀。三通控制阀用于介质温度小 于 3 0 0 C的合流和分流场合 ，简单配比调节控制。 分流三通控制阀宜选用底进侧出结构 ，合流三通控制 阀宜选用侧进底出结构。 3 控制阀选型计算 3 ． 1系统压降 控制阀在工程应用中的主要用途有 ◎ 降低流体压力时进行能量转换。 ◎ 处理非正常运行状态。 ◎ 处理必然出现的过程变化产生的影响。 ◎ 允许从一种负荷状态平稳转化到另一种状态。 为了能够实现上述 目标 ，阀门上必定存在一定的压力 损失，控制阀的压降至少不能低于系统压降的 1 0 ％，才能 实现正常控制；达到 良好控制时，需要的压降值为 3 0 ％， 低压降会引起阀门性能的缩减。 3 ． 2 阀门尺寸 工程设计中控制阀尺寸选择最常见有以下 3 个问题 第一个问题是设计者选择了不当的阀门压力降。设计 中应考虑阀门位置高低变化及管道阻力，管道系统一般阻 力为压降的四分之一到三分之一之间。由于计算阀门时这 个压降选择不正确，总是导致阀门偏小。 第二个问题是阀门在计算时余量过大， 导致阀门太大。 这样就造成在低负荷运行时 ，阀杆非常接近阀座，而导致 产生阀座表面冲刷现象。过大的增益致使形成超 出规定范 围，也就是说，在行程变化轻微时，流量却波动很大。选 择适当尺寸的阀门在全负荷运行时，行程通常在阀门额定 行程的 8 5～9 5 ％之 间。 第三个问题是选择阀门尺寸仅仅依据全负荷与正常负 荷运行点上的条件，而没有充分考虑阀门从正常负荷到全 负荷时的过程条件。在设计中，应充分考虑热、冷、启动 、 冲洗、清洗、低负荷、停机、紧急停机、非设计工况、高 负荷与正常运行等多方面的因素。 3 ． 3 阀门出口流速 在设计中另一个需要考虑的设计因素是阀芯出口流速。 由于静压转换为动压，而流体速度过大 ，会导致局部压力 表 2 阀门出口动压能标准值 T a b l e 2 V a l v e o u t l e t p r e s s u r e - s t a n d a r d v a l u e s 一 件 磅 车 帕 变化过大， 当管道系统中的流体通过阀门流向发生变化时， 会产生涡流现象。流体速度高与局部压力变化大是导致振 动、噪声、气蚀、冲刷与控制不力等现象产生的根本原因。 根据多年实践应用 ，阀门出V I 速度范围可参照表 1 ． 2 阀门出口动压能标准值。 3 ．4 执行机构 执行机构的稳定性和灵敏度决定阀门的控制水平 ，执 行机构应有足够的推力，提供足够的关阀力量，尽量减少 由于泄漏造成的冲刷 ，这样可以保证阀门有较长的运行寿 命。一般隋况下 ， 执行机构面积越大 ，阀座关闭性能越好 ， 稳定性与灵敏度就越好；但是 ，面积越大，所需要的成本 也越高。因此，选择执行机构原则如下 ◎ 在阀全关时输出推力 F 或力矩 M应满足下面公 式的要求 F ≥1 ． 1 F F o M≥1 ． 1 M M。 公式中F 、M ， 阀门不平衡力或力矩 F 。 、M 压紧阀座力或力矩 ◎ 执行机构应满足阀门所需要的行程，阀关闭时，应 有足够阀座的密封压力 。 ◎ 薄膜执行机构的结构简单、动作可靠、 便于维修， 应优先选用。 ◎ 要求执行机构输出力矩较大、响应速度快时，应优 先选用活塞式执行机构。 ◎ 在成本最小化的要求下，执行机构在设计中不考虑 余量。 ◎ 气动执行机构上应装有可就地操作的手轮，手轮可 在无仪表风的条件下操作，并应保证在最大差压时仍易于 进行手轮操作。手轮的旋转应是顺时针关闭。 4 控制阀安装、运行 中常见问题及解决 4 ． 1控制 阀安装 的一般要 求 ◎ 控制阀宜正立、垂直安装于水平管道上。公称直径 大于 D N 8 0的控制阀，其阀前、后管道上应设永久支架。 ◎ 控制阀的上 、下部分应留有足够的操作空间，以便 维修时取出执行机构和阀内件以下的下法兰和堵头。在拆 卸阀门后重新组装时，不得再使用原密封件及垫片。 ◎ 控制阀安装时应注意使介质按阀体标定箭头方向 流过 。 ◎控制阀应先检查校验，并在管道吹扫后安装。 ◎ 除紧急联锁放空以及浆状和易结晶的流体调节外 ， 控制阀应设置旁路。 ◎ 自力式控制阀原则上可不安装旁路阀，是否安装旁 路可根据工程需要确定。 4 ． 2控制阀运行中常见问题及解决 ◎ 在新建或系统大修时，在管道内部总会存在切割、 下转第5 页 第5 期 王志超 A P I O 0 0 主控室应 急可居 留系 统送风监测可靠性分析 5 对老炼时间的要求为大于5 0 h ，对具体时间没有规定。后续 可以根据元件已有的出厂试验、 运行等记录得到可靠性数据， 建立可靠性分布模型，优化老炼试验的方案。使得设备出厂 时能够完全度过仪表设备的早期失效阶段，平稳过渡到设备 稳定运行期 ，使设备长期处于高可靠性的状态。 2 优化选择测量元件老炼试验加速活化能。老炼的加 速是基于定活化能的阿伦尼乌斯方程。但是当前 A P 1 0 0 0的 设计对阿伦尼乌斯的取值为 0 ． 5 e V，且仅适用于特定单一失 效机理的情形。实际上，测量元件往往集成多个元器件， 而且失效机理也不唯一，因此获得更符合实际设备的活化 能值，对测量元件老炼试验的加速具有更强的针对性。 3 改进 C I 6 3 1 模块冗余性。在 P MS系统中参与 P A M S 功能 的子系统中，只有两个序列配置有 Q D P S机柜且通 过 C I 6 3 1 模块在 A F 1 0 0上实现序列内通讯。其他两个序列 的 S D也通 过 C I 6 3 1 从 I C P中获取数 据。但是 ，C I 6 3 1 是 非完全冗余的模块 ，尽管在输入和输出上实现了双通道的 A F I O 0 接 口， 但是其内部还是共用了同一部分处理子模块， 因此没有真正实现独立。考虑到无论是序列 内部的通讯还 是序列间的通讯均离不开 C I 6 3 1 模块，在后续的设计 中可 以考虑通讯模块的完全冗余。 4 提高 P MS的可扩展性。当前 A P I O 0 0设计 中P MS 的 Q D P S机柜中 A C 1 6 0机架的备用槽非常有限，这也是实 现系统多重化冗余的重要瓶颈。如果在硬件配置上突破扩 展性的问题，可考虑 P A MS系统仪表四通道完独立冗余和 Q D P S机柜 P M模块冗余，采用冗余的 P M配置也可以在现 有的设计基础上大大提高可靠性。 5 结束语 A P 1 0 0 0的主控室应急可居留系统送风监测的可靠性对 事故后主控室中操纵员的人身安全具有至关重要的作用。 V E S送风流量测量元件 自身的可靠性主要由老炼试验和环 境鉴定试验得以保证。通过 V E S送风流量监测通道的故障 树定量分析，可见 A P 1 0 0 0的应急可居留系统送风监测的可 靠性处于一个比较高的水平， 且仍有可进一步提高的地方。 参考文献 【 1 ] 叶新艳 ． A P 1 0 0 0主控制室应急可居留系统的先进性 Ⅱ 】 _ 核电工 程与技术 ， 2 0 1 1 1 1 - 5 ． [ 2 ] 刘明 ， 丁长富， 王少华， 等 ． D C S 安全级仪控平台的分析研究 自动化博览 ， 2 0 1 2 1 4 8 - 5 4 ． [ 3 ] 刘子介． C o m mo n Q在A P 1 0 0 0 P A MS 中的应用 卟技术与应用， 2 0 1 0 3 5 2 5 5 ． f 4 ] 王先培 ． 测控系统可靠性基础 武汉 武汉大学出版社 ， 2 0 1 2 3 -4 ． [ 5 ] 石庆国， 周虹伯 ， 杨经宇 ． 基于阿伦尼斯模型的老炼筛选加速 方法 Ⅱ ] l 计量与测试技术 ， 2 0 0 8 ， 3 5 1 1 1 6 1 7 ． [ 6 ] 高成 ， 张栋 ， 王香芬 ． 电子元器件老炼试验技术 Ⅱ 】 现代电子 技术 ， 2 0 0 8 1 6 1 8 9 - 1 9 1 ． [ 7 ] 郭晓明． 核电站数字化仪控系统可靠性分析方法研究[ D 】 ． 北京 清华大学 ， 2 0 1 1 ． 【 8 ] 肖鹏 ， 周继翔 ， 刘宏春 ． 反应堆保护系统结构与可靠性的关系 Ⅱ 】 l 核动力工程 ，2 0 1 3 ， 3 4 I 1 7 9 1 8 3 ． 上接 第1 1 页 机加工、研磨、焊接、组装与安装过程产生的杂质。因此必 须通过对管线吹扫、清洗来保护阀门内件 吹扫时应取出阀 内件或打开旁通阀。如果不清洗掉人管道中的杂质，当阀 门运行时，这些杂质会刮伤密封面，使阀门调节部件受到损 坏。当密封件无法达到密封程度时，也会产生振动问题。 ◎ 在现场使用中，控制阀选得过大 ，或生产处于低负 荷工作状态， 控制阀就工作在小开度。为提高工作点位置， 使控制阀有一定开度，常采用关小工艺阀门的方法 ，以增 加管道阻力 ，降低控制阀的流量。这样控制阀的开度虽然 增大了，但实际上 由于管道阻力的增加使 S值下降，会使 流量特性发生畸变，造成调节质量下降。 ◎ 阀门在给信号后无动作 ，出现这种问题的原因很多， 没有气源或气源压力不足，供气管线断裂、破损 ，执行器 故障、泄漏等都有可能产生阀门不动作，因此应逐项检查 是否有以上故障并维修或更换阀门。 ◎ 控制阀在进行维护时，应避免工艺突然泄压或零部 件爆裂引起的人员伤害和财产损坏。 因此， 在任何维护之前 ， 首先要让人员穿戴上防护服及防护眼镜，避免人员伤害； 其次应切断给执行器供应的仪表风、电力电源或调节信号 的操作线路 ， 确保执行器不会突然关闭或打开阀门；第三， 应用旁路或完全关断工艺流程的方式将流体压力与阀门隔 开 ，完全泄放阀门两端的流体压力，排放阀门两端的介质 ； 第四，放空气动执行器压力并释放任何执行器弹簧上的预 压缩力；第五，即使阀已从管线上撤下 ，阀的填料函等内 件可能包含受压的工艺介质 ， 当取出填料环或填料硬件时， 工艺介质可能会向外喷出，也应做好防护措施。 5 结束语 控制阀是整个工艺过程平稳运行的关键设备 ，控制阀 选择是否合适直接影响工艺产品的质量，因此，每个设计 人员应慎重选择控制阀。 参考文献 【 1 ] 黄衍平等 ． 自动化仪表选型设计规定 H G ／ T 2 0 5 0 7 2 0 1 4 [ S ] ． 国 家石油和化学工业局 ． 【 2 ] 于蕾 ． 聚乙烯装置的控制阀选型 Ⅱ 】 ． 石油化工自动化 ， 2 0 1 2 ， 8 7 3 -7 5 ． [ 3 ] 孙炳鹏 ． 控制阀的选型 卟 冶金动力 ， 2 0 1 0 ， 1 7 3 7 4 ． [ 4 ] 乐嘉谦 ． 化工仪表维修工 [ M] ． 北京 化 学工业出版社 ， 2 0 0 4 ．