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)等先進技術(shù)，是目前國內(nèi)自動化水平領(lǐng)先的一條管道。詳細介紹了自荷蘭引進的RZD-RMBX型減壓閥的結(jié)構(gòu)、工作原理、調(diào)節(jié)特性及運行工況。該減壓閥首次在國內(nèi)輸油管道上用于解決大落差的難題。運行一年多來，工作平穩(wěn)正常，效果良好。
關(guān)鍵詞：輸油管道 減壓閥
1997年7月我國首次引進荷蘭莫克維迪(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最大(115 km內(nèi)落差達1 660 m)的覺羅塔格山至艾丁湖減壓輸油段。運行一年多來，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，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)。
圖2 籠筒示意圖
3、 活塞桿和閥桿
活塞桿與閥桿構(gòu)成一個90°的角式傳動機構(gòu)(見圖1)，活塞借助此傳動機構(gòu)在導軌內(nèi)沿閥門的中心線運動，活塞桿與閥桿上的45°的齒條相互耦合，閥桿上下傳動，帶動活塞桿及活塞在全行程上前后運動?；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，前后運動時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。減壓閥有獲專利的密封系統(tǒng)，主密封圈位于籠筒的最前端，活塞在全行程上被導引，當被推動穿過主密封圈時，閥門前后的差壓強迫主密封圈緊貼活塞壁而緊密關(guān)閉閥門?；钊ㄟ^活塞桿的導引在籠筒內(nèi)前后運動，閥桿借助它與活塞桿上的45°的齒條傳動活塞桿，當執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動閥桿向上時，活塞向后移動，開大閥門；當執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動閥桿向下時，活塞向前移動，關(guān)小閥門。
減壓閥采用了帶氣動閥門定位器的活塞執(zhí)行機構(gòu)，氣源裝置給執(zhí)行機構(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信號轉(zhuǎn)換為0.02～0.1 MPa的標準氣動信號，傳輸信號為電信號，現(xiàn)場操作為氣動信號。執(zhí)行機構(gòu)接受控制信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直線位移輸出，通過推桿帶動閥桿上下移動，從而使閥門開度在全行程上變化。
5、 性能特點
軸向?qū)ΨQ流道。閥體采用了軸向?qū)ΨQ流道，完全避免了優(yōu)先流和不必要的流向改變，使噪音和紊流趨勢明顯降低。
氣密級專利密封系統(tǒng)。減壓閥具有獲專利的密封系統(tǒng)，即使在最惡劣的工作條件下，也能在全壓力范圍內(nèi)保證關(guān)斷嚴密。
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)行機構(gòu)就能達到快動的目的。
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)的相對流通能力與閥門相對開度的關(guān)系，相對流通能力是閥門某一開度時流通能力與全開時流通能力之比，相對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，最小流量時開度約在10%處，這一點使得閥門接近關(guān)閉時工作緩和平穩(wěn)，確保關(guān)斷嚴密。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，消耗掉管道最高點至末站進站間的多余位能(P2－P3)。
(2)通過減壓閥控制減壓站上游管道的壓力，保證高點正壓運行，并避免高點至減壓站管道內(nèi)出現(xiàn)不滿流現(xiàn)象。
(3)全線停運時，通過減壓閥的嚴密關(guān)斷，防止減壓站上游出現(xiàn)不利于再啟動的空管現(xiàn)象。
圖4中高點與減壓站處由伯努利方程得到簡化后的穩(wěn)定流的能量方程〔2〕：
即 P2＝P1＋γ（Z1－Z2）-γ.hf
由列賓宗公式得：
?。?）
式中 Z1——高點高程，m；
Z2——減壓站高程，m；
P1——高點壓力，Pa；
P2——減壓站進站壓力，Pa；
Q——管道內(nèi)原油流量，m3／s；
d——管道內(nèi)徑，m；
L——高點至減壓站間的管道長度，m；
γ——油品相對密度，kg／m3；
ν——油品運動粘度，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，為了保證高點正壓運行，取P1為0.2 MPa(設(shè)計參考值)，由式(1)中可以得出：減壓站的進站壓力P2隨Q變化而變化，Q取首站出站流量。在實際運行中PSP（減壓站進站壓力設(shè)定值）由SCADA系統(tǒng)根據(jù)實時測定的Q進行計算得出，并從主機系統(tǒng)實時傳給減壓站的站控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進行控制。
當P2＜PSP時，PV1001關(guān)小，直至偏差e＝P2－PSP＝0為止；
當P2＞PSP時， PV1001開大， 直至偏差e＝0為止；
當P2＝PSP時，PV1001保持當前開度。
副閥PV1002是備用，其壓力設(shè)定值為固定值，即不隨管道流量變化而變化。當主閥PV1001故障關(guān)閉或流通能力不夠時，副閥將自動參與調(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、減壓閥運行工況分析
RZD-RMBX型減壓閥結(jié)構(gòu)獨特，并首次在我國輸油管道上使用，由于設(shè)計上的疏忽，減壓站進站主流程上未裝，加之減壓閥的安裝未嚴格按照規(guī)程執(zhí)行，因此導致庫鄯輸油管道在輸水試運期間減壓閥嚴重受堵，流通能力減小，后經(jīng)補裝，并多次沖洗減壓閥，運行工況才逐漸趨于正常。
通過分析主閥PV1001的兩組運行數(shù)據(jù)，得出如表1所列的結(jié)果。
第一組數(shù)據(jù)中取通過流量約490 m3／h，運行時間為8個月，減壓閥的實際開度從99.61%降為35.36%，經(jīng)過計算，實際開度與理論開度間的絕對誤差從71.61%降為7.61%。第二組數(shù)據(jù)取通過流量約643 m3／h，運行時間為4個月，實際開度從56.31%降為40.83%，絕對誤差從23.81%降為8.03%。從表1中可以看出，減壓閥隨著運行時間的累計，流通能力也逐漸恢復，主要原因是減壓閥在運行過程中，籠筒內(nèi)的堵塞物由于受到高壓原油的長期沖蝕與磨蝕而逐漸減少。以1998年3月21日與1998年8月1日的兩組運行參數(shù)(見表2)為依據(jù)，對減壓閥的出口壓力與流量的變化進行比較。
表1 庫鄯輸油管道主閥運行的兩組數(shù)據(jù)比較
| 序 號 |
日期 | 閥前 壓力 (MPa) |
通過 流量 (m3／h) |
實際 開度 % |
閥后 壓力 (MPa) |
壓差 (MPa) |
相對流 通能力 % |
理論 開度 % |
絕對 誤差 |
| 1997-08-14 | 6.47 | 491.90 | 99.61 | 0.94 | 5.53 | 13.92 | 28.0 | 71.61 | |
| 第 | 1997-11-19 | 6.31 | 490.35 | 87.13 | 0.67 | 5.64 | 13.74 | 27.9 | 59.23 |
| 一 | 1998-02-27 | 6.30 | 490.35 | 67.18 | 0.91 | 5.39 | 14.05 | 28.2 | 38.98 |
| 組 | 1998-03-22 | 6.30 | 490.35 | 45.05 | 0.91 | 5.39 | 14.05 | 28.2 | 16.85 |
| 1998-04-13 | 6.31 | 490.35 | 35.36 | 0.91 | 5.40 | 14.04 | 28.2 | 7.16 | |
| 1998-04-29 | 6.11 | 641.95 | 56.31 | 1.25 | 4.86 | 19.38 | 32.5 | 23.81 | |
| 第 | 1998-05-30 | 6.00 | 641.17 | 51.96 | 1.28 | 4.72 | 19.64 | 32.8 | 19.16 |
| 二 | 1998-06-11 | 6.00 | 644.69 | 48.64 | 1.32 | 4.68 | 19.83 | 32.9 | 15.74 |
| 組 | 1998-07-28 | 6.03 | 643.71 | 46.20 | 1.25 | 4.78 | 19.60 | 32.7 | 13.50 |
| 1998-08-15 | 5.97 | 644.04 | 40.83 | 1.22 | 4.75 | 19.66 | 32.8 | 8.03 |
注 以上數(shù)據(jù)在計算中原油密度取0.845 6 t／m3。
表2 減壓閥運行參數(shù)
| 通過流量 (m3／h) |
實際出口壓力 (MPa) |
通過流量 (m3／h) |
實際出口壓力 (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1998年3月21日數(shù)據(jù)，右欄為1998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，這說明隨著運行時間的累計，減壓閥的運行情況將逐漸趨于正常。
根據(jù)減壓閥的運行情況，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行，減壓閥前應(yīng)設(shè)置合適的，并應(yīng)根據(jù)情況適時清洗。
(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增大，而減壓閥的允許壓差為6.0 MPa，也即當減壓閥前后壓差為6.0 MPa時，它的通過流量已達飽和，若超過6.0 MPa，則閥內(nèi)件將會受到損害，因此運行中的壓差都應(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日的一組運行情況；
2—1998年3月21日的一組運行情況；
3—流量與出口壓力的關(guān)系曲線
(3)減壓閥的執(zhí)行機構(gòu)采用了氣動驅(qū)動方式，保證其氣源裝置的正常工作就是保證減壓閥的正常運行，因此對氣源裝置應(yīng)定期進行維護和保養(yǎng)。另外，如果能深化減壓閥的理論培訓以及嚴格按規(guī)程施工和操作，那么其運行優(yōu)勢將會得到更好發(fā)揮。
參考文獻
1， 曲慎揚等：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，石油工業(yè)出版社(北京)，1986。
