梭式結(jié)構(gòu)智能管道保護(hù)裝置＊

陳 崑 黃競躍 邱小平 曾祥煒

(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院1)成都 610065) (四川省科學(xué)技術(shù)協(xié)會2) 成都 610041) (西南交通大學(xué)物流學(xué)院3)成都 610031)

0 引 言

管道運(yùn)輸作為5大運(yùn)輸手段之一,已成為工業(yè)國家的主動脈.然而,人類還不能完全掌握其規(guī)律、控制其產(chǎn)生的危害,偶爾的事故也會給人類帶來災(zāi)害,其中管道爆破就是最嚴(yán)重的一種事故.研究發(fā)現(xiàn),動力源的可靠性是難以保證的.其實(shí),管道輸送中管道及其輸送的介質(zhì)就傳遞著流體信息、表達(dá)流體變化,就是傳遞控制能量最直接、最真實(shí)、最可靠的載體,它比任何模擬、虛擬更準(zhǔn)確.

非能動控制技術(shù)無需任何附加的能源,無需昂貴而復(fù)雜的控制(SCADA)系統(tǒng),能夠適應(yīng)沙漠、河流、海洋、森林、冰雪等惡劣的自然條件,比附加電機(jī)、壓力油罐、柴油動力,燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的操作系統(tǒng)要簡單可靠得多.它以管道和輸送的介質(zhì)為工程的根本,將其作為控制調(diào)節(jié)的基礎(chǔ),先后解決了一系列管道技術(shù)難題[1].

1 差流可調(diào)梭閥

基于梭式系列技術(shù)的關(guān)鍵基本元件——差流可調(diào)梭閥,是梭式系列元件的基礎(chǔ).其技術(shù)條件、動作原理及功能如下.

1)技術(shù)條件,見表1所列.

表1 差流可調(diào)梭閥的技術(shù)條件

2)動作原理,如圖1所示.

圖1 差流可調(diào)梭閥的動作原理

3)差流可調(diào)梭閥多種功能(表2) 差流可調(diào)梭閥利用其兩端壓差而具備的智能雙向調(diào)節(jié)功能,極大地改觀了現(xiàn)有閥門僅有的單向調(diào)節(jié)功能,為密閉管道控制的簡化提供了新型基礎(chǔ)元件,而其對稱性結(jié)構(gòu)也具有更好地改善流體性能,可實(shí)現(xiàn)全方位的任意安裝,既提高可靠性又降低了 成本.

表2 差流可調(diào)梭閥的功能

2 梭式爆破保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

梭式爆破保護(hù)裝置利用管道爆破瞬間流速的突變,引起保護(hù)裝置兩端壓差的突變,實(shí)現(xiàn)緊急切斷.該裝置可以判斷正常流量的增加和管道爆破的突增.通過多年摸擬試驗(yàn)和工業(yè)運(yùn)用試驗(yàn),管道爆破值的認(rèn)定和整定,可以根據(jù)工況的實(shí)際情況,試驗(yàn)確定.

為防止關(guān)閉管道過快而引起的再爆破,特為該裝置增加緩閉功能,從而保證管道爆破保護(hù)的可靠性.在研制過程中,先后設(shè)置了緩沖器、調(diào)節(jié)器,把裝置關(guān)閉時(shí)壓力升高控制在許可范圍,由此設(shè)計(jì)了A,B,C,D 4種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行試驗(yàn)、選擇[2-3].

1)A型梭式管道爆破保護(hù)裝置 其結(jié)構(gòu)形式見圖2.閥芯內(nèi)設(shè)有緩沖器,當(dāng)閥芯關(guān)閉時(shí)可以減緩關(guān)閉時(shí)間.該結(jié)構(gòu)利用閥芯內(nèi)的緩沖器減緩閥瓣關(guān)閉速度,使水擊產(chǎn)生的壓力降到最低點(diǎn).圖3為其水擊壓力波形圖.

2)B型梭式管道爆破保護(hù)裝置 其結(jié)構(gòu)形式見圖4.該結(jié)構(gòu)在閥體留有泄壓孔,由閥前向閥后泄壓,中間連接一個(gè)調(diào)節(jié)閥,泄壓后自動關(guān)閉,當(dāng)閥芯關(guān)閉時(shí),瞬時(shí)壓力突然增高,而通過泄壓孔泄出部分壓力(調(diào)節(jié)閥泄壓滯后3s后自動關(guān)閉),使水擊產(chǎn)生的壓力降低一部分.圖5為其水擊波形圖.

圖2 A型結(jié)構(gòu)示意圖1-閥體;2-閥芯;3-緩沖器

圖3 A型保護(hù)裝置水擊壓力波形圖流速v=1.4 m/s;水擊壓力Δp=0.05 MPa

3)C型梭式管道爆破保護(hù)裝置 其結(jié)構(gòu)形式見圖6.該結(jié)構(gòu)綜合前2種結(jié)構(gòu)形式,又增加了過渡帶,在閥座增加了反向流,緩閉閥芯關(guān)閉運(yùn)動速度,同時(shí)又能通過閥體泄壓孔泄掉一部分壓力,使產(chǎn)生的水擊壓力降到最低點(diǎn).圖7為其水擊壓力波形圖.

圖6 C型結(jié)構(gòu)示意圖1-閥體;2-調(diào)節(jié)器;3-閥芯;4-泄壓孔;5-緩沖器

圖4 B型結(jié)構(gòu)示意圖1-閥體;2-調(diào)節(jié)器;3-閥芯;4-泄壓孔

圖5 B型保護(hù)裝置水擊壓力波形圖流速v=1.4 m/s;水擊壓力Δp=4.55 MPa

圖7 C型保護(hù)裝置水擊壓力波形圖流速v=1.4 m/s,水擊壓力Δp=0.005 MPa

4)D型梭式管道爆破保護(hù) 其裝置結(jié)構(gòu)見圖8.閥芯內(nèi)未設(shè)緩沖器,閥體上未設(shè)泄壓孔,中間未接調(diào)節(jié)器.關(guān)閉迅速,但壓力升高突增,不安全.圖9為其水擊壓力波形圖.

5)試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8 D型結(jié)構(gòu)示意圖1-閥體;2-閥芯

圖9 D型保護(hù)裝置水擊壓力波形圖流速v=1.22 m/s;水擊壓力Δp=7.3 MPa

(1)正常運(yùn)行時(shí)流量變化很小 設(shè)定爆破保護(hù)流量值為35 m3/h,試驗(yàn)結(jié)果如表3所列,該數(shù)據(jù)表明：流量值設(shè)定后,其變化范圍在0%～3%之內(nèi),誤差小于3%.

(2)C型結(jié)構(gòu)最合理 除A,B,C型結(jié)構(gòu)外,為了對照,也將D型(無緩閉和無泄壓)結(jié)構(gòu)投入了水擊試驗(yàn),由4種水擊壓力波形曲線,獲得的參數(shù)列于表4.

表3 爆破保護(hù)流量值試驗(yàn)結(jié)果

其中：p1保護(hù)裝置進(jìn)口壓力;p2保護(hù)裝置出口壓力;Q保護(hù)裝置流量值.

表4 梭式爆破保護(hù)裝置水擊試驗(yàn)結(jié)果

從表2中可以看出C型(緩閉、泄壓結(jié)構(gòu))形式產(chǎn)生水擊壓力最小.D型進(jìn)口前(無緩閉泄壓結(jié)構(gòu))形式水擊最大,對輸送管道產(chǎn)生破壞作用,必須采用緩閉和泄壓結(jié)構(gòu)形式才能滿足使用要求.

3 梭式爆破保護(hù)裝置的應(yīng)用

3.1 利用經(jīng)放大的本體介質(zhì)驅(qū)動主閥

為適應(yīng)大型閥的控制、管理,建立最新系統(tǒng),改造傳統(tǒng)系統(tǒng),需：(1)適應(yīng)SCADA,DCS,VSAT等系統(tǒng);(2)適應(yīng)當(dāng)今已經(jīng)成熟、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的現(xiàn)有大型執(zhí)行元件,如蝶閥、球閥、閘閥;(3)適應(yīng)和改造現(xiàn)有的系統(tǒng),在保持現(xiàn)有工藝系統(tǒng)不變、控制主閥體不變的情況下提高可靠性和調(diào)節(jié)精度.據(jù)此,利用經(jīng)放大的本體介質(zhì)驅(qū)動大型閥門實(shí)現(xiàn)管道爆破保護(hù)系統(tǒng)[4-6]原理如圖10所示.

圖10 非能動管道爆破保護(hù)系統(tǒng)

3.2 利用本體介質(zhì)驅(qū)動通球自控主閥

本發(fā)明除考慮管道爆破保護(hù)外,還要能與自動化系統(tǒng)結(jié)合通過自控系統(tǒng)操作主閥,清潔球通過,如圖11所示.它能做到清潔球到達(dá)和離開的主閥自動啟閉,利用介質(zhì)運(yùn)載的指揮器隨機(jī)自動啟閉主閥控制[7].

圖11 非能動管道通球爆破保護(hù)系統(tǒng)

3.3 與現(xiàn)代控制系統(tǒng)集成

該裝置可利用原有的通訊系統(tǒng)、伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線無級調(diào)節(jié).也可與衛(wèi)星系統(tǒng)(VSAT)、智能化集中控制系統(tǒng)(SCADA)等結(jié)合成現(xiàn)代的綜合控制系統(tǒng),如圖11示.它能做到當(dāng)爆破發(fā)生時(shí),可利用遠(yuǎn)距離采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地找出爆破點(diǎn),并實(shí)施控制.

圖12 非能動管道爆破保護(hù)系統(tǒng)與SCADA的集成

4 結(jié) 束 語

梭式系列控制技術(shù),強(qiáng)調(diào)了非能動控制,為不同的自然條件,不同的介質(zhì)要求,不同的安全級別和可靠性的要求,提供了有效、節(jié)能、價(jià)廉、可靠性高的流體自動化控制體系.本技術(shù)不具排它性,可以根據(jù)輸送系統(tǒng)的要求,與其他控制體系結(jié)合形成有效的體系.梭式系統(tǒng)控制技術(shù)系統(tǒng)及其新型的基本控制元件,不僅適合密閉管道的遠(yuǎn)距離輸送,而且為石油、化工、供水、發(fā)電、航空及核電等系統(tǒng)提供了新技術(shù)思想和新的控制元件.

[1]陳 崑,曾祥煒,姚 進(jìn).壓力管道梭式非能動控制系統(tǒng).制造業(yè)自動化,2008,2：72-74.

[2]徐合力,蔣炎坤.彎曲輸流管道流固耦合流動特性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版,2008, 32(2)：343-347.

[3]曾祥煒,黃首一,高樹藩,等.梭式管道爆破保護(hù)裝置的動態(tài)特性[J].油氣儲運(yùn),1999,18(1)：30-34.

[4]曾祥煒.非能動控制梭式管道爆破保護(hù)裝置.中國, 1419640[D].2004-01-15.

[7]曾祥煒.非能動控制梭式通球管道爆破保護(hù)裝置.中國,1419643[P].2004-01-15.

[6]Zeng Xiangwei,Qiu Xiaoping,Huang Huang,et al. Shuttle-type passive control system for pressure pipeline conveying[C]//Proc.8th Conference on Systemics,Cybernetics and Informatics,2004,8：446-451.

[6]Zeng Xiangwei,Chen Kun,Qiu Xiaoping,et al.The burst protectors for the pressure pipeline in shuttletype passive control system[C]//Proc.9th Conference on Systemics,Cybernetics and Informatics, 2005,(2)：403-407.