龔達樂，劉培琳，吳剛，陸地

(中國石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計分公司，北京 100085)

氣動控制閥是流程行業(yè)中最常用的執(zhí)行元件，氣動控制閥執(zhí)行器主要以壓縮空氣為動力源，通過氣源推動執(zhí)行器氣缸內(nèi)的活塞或者薄膜運動從而帶動閥門開關(guān)動作。控制閥儲氣罐可以起到消除壓力波動，保證氣源動力輸出給氣動執(zhí)行器的連續(xù)性，更為重要的是，儲氣罐可以作為備用動力源，實現(xiàn)控制閥的故障安全位置并可以保障執(zhí)行完工藝要求的安全行程數(shù)。

1 氣動控制閥自備儲氣罐的作用及工作過程

氣動控制閥自備儲氣罐在以下場合會考慮配備： 控制閥采用雙作用的氣動執(zhí)行機構(gòu)，為實現(xiàn)閥門的故障開、故障關(guān)或者故障保位的要求[1]；控制閥采用單作用氣動執(zhí)行機構(gòu)，為實現(xiàn)氣源故障時，仍要求控制閥能夠執(zhí)行幾個行程的開關(guān)動作；全場停車后(包括儀表風(fēng)撬停車)，要求保障某些氣動控制閥依次按序執(zhí)行幾個行程開關(guān)動作，如緊急放空閥[2]，把全場工藝流程/裝置切換到安全狀態(tài)。

氣動控制閥自備儲氣罐給氣動執(zhí)行器提供氣源動力的物理過程即壓縮氣體從儲氣罐通過氣體管路擴散并填充到執(zhí)行機構(gòu)氣缸的動態(tài)過程[3]，基于理想氣體狀態(tài)方程，假設(shè)儲氣罐給執(zhí)行器氣缸供氣過程為絕熱過程，即可簡化為儲氣罐內(nèi)壓縮氣體驅(qū)動閥門執(zhí)行器動作之前和儲氣罐內(nèi)壓縮氣體通過氣體管路驅(qū)動閥門執(zhí)行器動作一個行程達到要求的位置之后兩個穩(wěn)態(tài)過程，可以用式(1)表示：

p罐V罐=p′罐V罐+p氣路V氣路+p氣缸V氣缸

(1)

式中：p罐，V罐——初始狀態(tài)儲氣罐內(nèi)壓力和容積；p′罐——儲氣罐提供氣源執(zhí)行一個執(zhí)行器行程之后儲氣罐內(nèi)壓力；p氣路，V氣路——儲氣罐至執(zhí)行器氣缸之間氣路內(nèi)氣體壓力和容積；p氣缸，V氣缸——執(zhí)行器氣缸內(nèi)氣體的壓力和容積。

若要求儲氣罐提供n個行程的備用氣源，則按照式(1)迭代n次，即可表示出整個儲氣罐內(nèi)壓縮氣體工作的物理過程。需要注意的是： 對于單作用執(zhí)行器，彈簧復(fù)位的故障安全行程不消耗儲氣罐內(nèi)壓縮氣體，僅把執(zhí)行器氣缸內(nèi)已有的壓縮氣體排空；對于雙作用執(zhí)行器，控制閥開行程和關(guān)行程都需要消耗儲氣罐內(nèi)壓縮氣體[4]，則每一次動作都需要用式(1)表示。

因此，氣動控制閥自備儲氣罐的容積主要由以下幾個因素決定： 站場氣源供氣至儲氣罐的充氣壓力即p罐，氣動執(zhí)行器氣缸開/關(guān)行程的容積V氣缸，要求儲氣罐提供備用氣源執(zhí)行閥門的行程數(shù)n，以及氣動執(zhí)行器在閥門上下游最大差壓下所需的最低驅(qū)動壓力p氣缸最低，執(zhí)行n個行程之后需要保證p氣缸>p氣缸最低；執(zhí)行器氣路的配管容積，氣路各元件的壓損、泄漏量由于對儲氣罐容積的影響較小[5]，可以采用一定的修正系數(shù)或者安全系數(shù)綜合考慮，簡化計算。

2 國內(nèi)外兩種氣動控制閥儲氣罐容積計算方法對比分析

2.1 《石油化工自動控制設(shè)計手冊》中的計算方法

國內(nèi)對于氣動儀表的設(shè)計普遍參考HG/T 20510—2014《儀表供氣設(shè)計規(guī)范》[6]中的要求，目前該規(guī)范中只提供了對于氣源裝置儲氣罐容積的計算方法，而并未包含用氣儀表自備儲氣罐容積的計算[6]?！妒突ぷ詣涌刂圃O(shè)計手冊》第五篇第三章節(jié)中提供了閥門用儲氣罐容積的計算方法[7]，如式(2)所示：

(2)

式中：V罐——儲氣罐容積， m3；VQ——閥門執(zhí)行機構(gòu)容積，m3；N——動作次數(shù)；p1——管網(wǎng)供氣絕對壓力，kPa；p2——執(zhí)行器最低工作絕對壓力，kPa。

通過對式(2)的分析可以推導(dǎo)出該方程是基于式(3)表示儲氣罐驅(qū)動閥門一次動作行程的物理過程：

p罐V罐=p′罐V罐+p氣缸最低V氣缸

(3)

進而可以推斷出式(3)適用的情況需基于以下假設(shè)： 儲氣罐與執(zhí)行器之間的氣路上設(shè)置有減壓閥，減壓閥設(shè)定值為執(zhí)行器最低工作壓力(假設(shè)1)；執(zhí)行器氣路中不存在泄氣、漏氣、耗氣裝置(假設(shè)2)；氣路管線容積忽略不計(假設(shè)3)。

因此，實際項目工程設(shè)計中若采用該計算方法，需要考慮以下幾個因素： 執(zhí)行器氣路需要符合假設(shè)1；需要在式(3)計算結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮一定的修正系數(shù)來對假設(shè)2，假設(shè)3的簡化進行補償，具體值可以根據(jù)實際工程經(jīng)驗考慮；需要在式(3)計算結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮一定的安全系數(shù)，滿足工程設(shè)計裕量的要求，具體值可以由設(shè)計方和業(yè)主商定。

2.2 SHELL DEP S36.701中的計算方法

SHELL DEP全稱SHELL DESIGN AND ENGINEERING PRACTICE,為殼牌全球解決方案國際公司，根據(jù)殼牌集團在全世界各地工程建設(shè)領(lǐng)域參與設(shè)計、建造、操作和維護期間所獲得的經(jīng)驗，并且適當(dāng)參考國際、區(qū)域、國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而制定出版的設(shè)計與工程實踐標(biāo)準(zhǔn)，旨在為殼牌公司在石油天然氣生產(chǎn)、天然氣處理、煉油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用的良好設(shè)計和工程實踐制定標(biāo)準(zhǔn)，從而有助于從標(biāo)準(zhǔn)化中獲得效益最大化。該標(biāo)準(zhǔn)在歐美石油公司主導(dǎo)的海外油氣田項目中得到廣泛應(yīng)用[8]。

SHELL DEP S36.701標(biāo)準(zhǔn)圖集[8]中提供了控制閥用儲氣罐容積的計算方法，如式(4)所示：

(4)

式中：V罐min——儲氣罐最小容積；s——安全系數(shù)，默認(rèn)值為1.25；α——考慮到電磁閥和執(zhí)行器之間的管道和管件額外容積的修正系數(shù)，默認(rèn)值為1；pact,min——執(zhí)行機構(gòu)在閥門上游最大壓力和下游最小壓力下驅(qū)動閥門所需的最小氣源壓力(表壓)；b——要求閥門全行程數(shù)，從閥門關(guān)閉位置開始，默認(rèn)值為3；Vact——執(zhí)行器活塞克服彈簧作用完成一個行程所需要的氣量；pIA, min——氣源管線最小供氣壓力(表壓)；ΔpNRV——打開一個儲氣罐上游止回閥所需消耗的壓降。

該規(guī)范規(guī)定了以下注意事項規(guī)范儲氣罐的氣路設(shè)計：

1)氣源管線需要通過1個過濾器供氣到儲氣罐。

2)應(yīng)安裝2個止回閥，以防止在氣源故障的情況下氣體從儲氣罐倒流。止回閥應(yīng)是球型或提升型，安裝在流向朝上的垂直管線上。

3)儲氣罐氣源入口需在儲氣罐側(cè)邊，氣源出口需在儲氣罐頂部。不允許合并氣源入口和氣源出口。

4)儲氣罐需要提供氣瓶內(nèi)壓力低報警，報警值設(shè)定在需要執(zhí)行若干個閥門行程所需的最低罐內(nèi)壓力。一個全行程包括開和關(guān)兩個動作。

5)儲氣罐最低處需提供一個排凝設(shè)施，以便清除任何積聚的液體。

6)如果閥門和對應(yīng)儲氣罐不能離線進行維護，則儲氣罐的設(shè)計應(yīng)包括一個雙隔離和排放閥，以驗證止回閥的運行狀態(tài)。

7)只有在設(shè)計規(guī)范規(guī)定的情況下，才需要在儲氣罐上安裝安全閥。

8)應(yīng)避免在止回閥下游安裝諸如調(diào)壓閥之類的放氣裝置。如果使用它們，它們的排氣率應(yīng)包括在計算中。

9)該計算是基于沒有安裝調(diào)壓閥來限制執(zhí)行機構(gòu)的氣源壓力的假設(shè)。

10)該計算是基于緩沖容器內(nèi)的空氣膨脹是絕熱的假設(shè)。

通過對式(4)的分析并結(jié)合以上注意事項可以推導(dǎo)出基于式(5)表示儲氣罐驅(qū)動閥門一次動作行程的物理過程：

p罐V罐=p′罐V罐+p′氣路V′氣路+p罐V氣缸

(5)

其中，p′氣路V′氣路是通過α修正計算，同時p′罐考慮了氣瓶入口的止回閥的壓降，并且執(zhí)行一次行程之后執(zhí)行器氣缸內(nèi)的壓力按照行程前儲氣罐內(nèi)的壓力考慮。若儲氣罐需要滿足n次行程的需要，則通過n次式(5)的迭代計算，得到最終SHELL DEP S36.701中的計算方程式。

從SHELL DEP S36.701給出的該公式應(yīng)用的注意事項以及表示氣動執(zhí)行器一次行程前后氣體狀態(tài)的基本方程式(5)可以看出，該計算公式存在的特點： 因為SHELL DEP S36.701作為殼牌公司制定的企業(yè)規(guī)范，比一般性的國際規(guī)范要求更為嚴(yán)苛，所以計算中的很多假設(shè)都更為全面和保守，對于某些業(yè)主來說可能會增加成本；規(guī)定了氣源入口至儲氣罐之間需要設(shè)置2個止回閥，這也與API 553[9]中的要求一致；提供的計算公式只適用于沒有安裝減壓閥來限制到執(zhí)行機構(gòu)的氣源壓力的情況，這也符合SHELL DEP 32.36.01.18[10]對氣動開關(guān)閥執(zhí)行器氣路的要求，只在特定情況下才考慮減壓閥。

2.3 兩種方法計算結(jié)果對比

以某油氣項目中使用的單作用氣動開關(guān)閥(對于雙作用氣動開關(guān)閥，開關(guān)行程都需要消耗氣量)及其對儲氣罐的要求為例，要求儲氣罐提供2個全行程的備用氣源，氣源供氣壓力為600 kPa,執(zhí)行器最小動作壓力為400 kPa,安全系數(shù)都取1.25 ，止回閥差壓取10 kPa。分別采用上述兩種計算方法，計算結(jié)果對比見表1所列。

表1 兩種方法計算結(jié)果對比

表1中，儲氣罐容積(1)為采用《石油化工自動控制設(shè)計手冊》中的公式計算得出的結(jié)果；儲氣罐容積(2)為采用SHELL DEP S36.701中公式得出的計算結(jié)果。從計算結(jié)果可以清晰地看出，SHELL DEP推薦的公式計算出的儲氣罐容積更大。

3 結(jié) 論

通過對國內(nèi)外常用的兩種氣動控制閥自備儲氣罐容積計算方法的分析與對比，得出以下結(jié)論：

1)實際工程項目中，應(yīng)根據(jù)項目需求以及實際氣路設(shè)置，氣路中是否存在減壓閥、止回閥、安全閥等泄壓減壓裝置，決定采用哪種計算公式或者對手冊和標(biāo)準(zhǔn)中的公式進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如引入修正系數(shù)、安全系數(shù)，以適應(yīng)實際項目的要求。

2)影響氣動控制閥自備儲氣罐容積的因素，除了第一章所述的幾個常規(guī)因素外，不能忽略執(zhí)行器的氣路配置： 氣路中是否存在減壓閥、止回閥、安全閥等泄壓減壓裝置。這些配置的不同會影響到氣動執(zhí)行器一個行程前后氣體物理狀態(tài)方程，進而影響計算結(jié)果。

3)若選用《石油化工自動控制設(shè)計手冊》中提供的公式計算，因為該公式對實際過程進行了簡化，所以在實際項目設(shè)計中，建議考慮一定的安全系數(shù)，比如1.2～1.8，作為設(shè)計裕量，以及修正系數(shù)，比如1.1～1.3，修正溫度、壓力，管路系統(tǒng)泄漏量，具體數(shù)值由設(shè)計單位酌情選定[3]。