氮封閥在海上儲(chǔ)罐的選型和應(yīng)用

薛 濱

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

海洋平臺(tái)

氮封閥在海上儲(chǔ)罐的選型和應(yīng)用

薛 濱

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

工業(yè)生產(chǎn)中通常使用氮?dú)獾榷栊詺怏w作為危險(xiǎn)液體儲(chǔ)罐覆蓋氣介質(zhì)。文章詳細(xì)介紹了覆蓋氣新型自力式壓力調(diào)節(jié)閥——氮封閥的基本原理、工作特性、選型方法、安裝使用，以及與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥對(duì)比的優(yōu)缺點(diǎn)。

氮封閥；自力式壓力調(diào)節(jié)閥；氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥

1 工藝概況

海上儲(chǔ)罐(常低壓容器)中的危險(xiǎn)液體在常規(guī)設(shè)計(jì)中，是以氮?dú)獾榷栊詺怏w進(jìn)行覆蓋，以減少液體揮發(fā)出可燃和有毒氣體，并將危險(xiǎn)源阻隔在罐體內(nèi)，另一方面覆蓋氣也可以阻隔外部空氣進(jìn)入容器內(nèi)，以防止空氣與危險(xiǎn)氣體混合達(dá)到爆炸極限，圖1為典型的常低壓容器的壓力控制方式。

圖1 傳統(tǒng)常低壓容器壓力控制流程圖

覆蓋氣壓力的調(diào)節(jié)是整個(gè)工藝和安全的核心問題，并具有如下特點(diǎn)。

1)工藝要求調(diào)壓閥的控制壓力低。由于是常低壓容器，一般覆蓋氣壓力設(shè)定為2～6 kPa的微壓，并且長期波動(dòng)。

2)工藝要求調(diào)壓閥的動(dòng)作響應(yīng)速度快。在容器啟泵或突然進(jìn)液時(shí)，壓力會(huì)突然降低或上升，如果調(diào)節(jié)閥動(dòng)作不靈敏，極易造成容器產(chǎn)生負(fù)壓或超壓，給容器安全帶來極大隱患。

3)工藝要求調(diào)壓閥前后差壓大。調(diào)壓閥入口氮?dú)鈮毫σ话阍?00～1 200 kPa，而出口壓力在2～6 kPa。所以長期保持壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)定是對(duì)調(diào)壓閥的一個(gè)基本要求。

海上儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)目前還在使用自力式壓力調(diào)節(jié)閥(PCV)調(diào)壓的方式，在現(xiàn)場應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)來看，往往無法完全滿足上述的要求，并對(duì)日常操作維護(hù)帶來了極大的挑戰(zhàn)。為了完成這種特殊工況的壓力調(diào)節(jié)，一種新型壓力調(diào)節(jié)閥映入眼簾——氮封閥。

2 氮封閥概述

氮封閥(如圖2)是一種自力式調(diào)節(jié)閥門，設(shè)計(jì)用于容器低壓覆蓋氣的減壓。它能夠根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)地進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，以保持覆蓋氣壓力能較好的被控制。它設(shè)計(jì)簡單，可靠性高并且維修費(fèi)用低。

圖2 氮封閥

在大多數(shù)常低壓容器上，操作壓力非常的低。這對(duì)覆蓋氣的進(jìn)排氣閥的設(shè)計(jì)和選型上提出了很大的挑戰(zhàn)。氮封閥使這種情況得到了有效的解決。首先，氮封閥的設(shè)定值被定義為閥門關(guān)死的狀態(tài)，這樣可以使覆蓋氣的控制壓力在設(shè)定值內(nèi)自由波動(dòng)，從而減少閥門開關(guān)次數(shù)，以節(jié)省覆蓋氣的損失。其次，氮封閥有一個(gè)較寬的可調(diào)比，這使得選型也變的更加簡單。氮封閥具有如下特性。

1)適應(yīng)性強(qiáng)，單閥系統(tǒng)可用于大多數(shù)氮封閥系統(tǒng)，閥體設(shè)計(jì)為自清潔型，維護(hù)方便。

2)穩(wěn)定性強(qiáng)，采用壓力平衡先導(dǎo)式，供氣壓力的波動(dòng)不會(huì)影響設(shè)定值。

3)操作簡單，動(dòng)作閥門設(shè)定值可100%符合罐內(nèi)壓力，可不用外取壓。溫度變化也不影響設(shè)定值。

4)低維修費(fèi)用，使用標(biāo)準(zhǔn)的O型圈用于密封，在頂部安裝時(shí)，可以允許只解體膜頭就可以更換膜片。

3 容量計(jì)算和閥門選擇

3.1 容量計(jì)算

氮封閥容量計(jì)算由2部分組成。

第一部分的氮封閥的吸入量Q吸入取決于容器內(nèi)介質(zhì)排出的大排量Qmax(m3/h)，但需乘以0.94的系數(shù)，公式如下：

Q吸入=0.94Qmax，

第二部分氮封閥吸入量取決于天氣引起的溫度變化，需要通過查表得出常用容器罐體的容量，這部分容量變化是因溫度變化致使介質(zhì)收縮造成的。最終我們得出以下公式：

Q總量=Q吸入+Q溫度，

式中：Q總量為容器需要的總氮?dú)饬?；Q溫度為容器內(nèi)氣體受溫度變化產(chǎn)生的排量。

3.2 閥門選擇

如果容器的覆蓋氣壓力是變化的，需要用最小的供氣壓力來選擇氮封閥，供氣的最大壓力決定了氮封閥的故障容量。首先用最小的供氣壓力來選擇閥門的尺寸控制吸入總量，接下來通過計(jì)算流阻進(jìn)一步的精確計(jì)算吸入總量和故障容量。

4 動(dòng)作原理

4.1 關(guān)閉狀態(tài)分析

如圖3所示，閥門處在關(guān)閉位置。這時(shí)容器壓力處在穩(wěn)定或高于設(shè)定點(diǎn)的狀態(tài)，取壓點(diǎn)引入膜腔內(nèi)的壓力大于設(shè)點(diǎn)彈簧的壓力，先導(dǎo)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。并且此時(shí)沒有氣體從先導(dǎo)排放管線中排出；所有氣源壓力全部作用在主閥芯上，通過工藝加工，此時(shí)主閥芯上部的壓力是大于下部的，所以主閥芯被壓死處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖3 氮封閥關(guān)閉狀態(tài)

4.2 開啟狀態(tài)分析

如圖4所示，閥門處在開啟位置。這時(shí)容器壓力小于設(shè)定點(diǎn)的狀態(tài)，取壓點(diǎn)引入膜腔內(nèi)的壓力小于設(shè)點(diǎn)彈簧的壓力，先導(dǎo)閥處于開啟狀態(tài)。先導(dǎo)閥腔內(nèi)的壓力被瀉放到了閥門出口，并且由于先導(dǎo)閥腔的入口采用限流孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣流量不足以補(bǔ)充腔內(nèi)壓力，致使氣源作用在主閥芯上的壓力下部大于上部，從而推開了閥芯，使閥門處于打開狀態(tài)。氣源開始向罐體內(nèi)開始補(bǔ)氣。

圖4 氮封閥開啟狀態(tài)

一旦罐內(nèi)壓力重新高于設(shè)定點(diǎn)，先導(dǎo)閥將重新關(guān)閉，先導(dǎo)閥腔內(nèi)的壓力將會(huì)回升，最終促使主閥芯重新關(guān)閉。至此，氮封閥完整的補(bǔ)氣過程就完成了。

5 安裝注意事項(xiàng)

氮封閥的典型安裝示意圖如圖5所示，其中需要注意如下幾點(diǎn)。

1)閥門可以為角型安裝或直通安裝，并且可以根據(jù)自身需要選擇螺紋連接或法蘭連接。

2)閥門的進(jìn)出口隔離閥必須選用大于或等于閥門尺寸的全通徑閥門。

3)取壓管線應(yīng)選用大于12.7 mm(1/2英寸)管徑的不銹鋼儀表管，并保證取壓管線與閥門連接處處在整個(gè)取壓管線的最高點(diǎn)，以利于冷凝液的排放。

4)由于先導(dǎo)閥腔入口孔徑較小，所以建議加裝過濾器，以防污物將入口堵塞。

5)其他安裝要求和注意事項(xiàng)與常規(guī)自力式壓力調(diào)節(jié)閥相同。

圖5 安裝圖

6 氮封閥與傳統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)閥的對(duì)比

6.1 與自力式壓力調(diào)節(jié)閥(PCV)的對(duì)比

自力式壓力調(diào)節(jié)閥根據(jù)取壓點(diǎn)位置分閥前和閥后2類，取壓點(diǎn)在閥前時(shí)，用于調(diào)節(jié)閥前壓力恒定。取壓點(diǎn)在閥后時(shí)，用于調(diào)節(jié)閥后壓力恒定。自力式調(diào)節(jié)閥是目前廣泛應(yīng)用于容器壓力控制的閥門。

自力式壓力調(diào)節(jié)閥的主要特點(diǎn)如下。

1)自力式壓力調(diào)節(jié)閥無需外加能源，能在無電無氣的場合工作，既方便又節(jié)約能源。

2)壓力分段范圍窄且互相交叉，調(diào)節(jié)精度較高。

3)壓力設(shè)定值在運(yùn)行期間可連續(xù)設(shè)定。

4)對(duì)閥后壓力調(diào)節(jié)，閥前壓力與閥后壓力之比為10∶1～10∶8。

5)膜片式檢測，執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測精度高、動(dòng)作靈敏。

6)采用壓力平衡機(jī)構(gòu)，使調(diào)節(jié)閥反應(yīng)靈敏，控制精確。

從以上特點(diǎn)可以看出，自力式壓力調(diào)節(jié)閥所擁有的優(yōu)點(diǎn)，氮封閥幾乎全部擁有，但是調(diào)節(jié)閥所局限的前后壓差比和連續(xù)調(diào)節(jié)特性，卻是它應(yīng)用在氮封系統(tǒng)的明顯缺點(diǎn)。氮封氣往往是從標(biāo)準(zhǔn)供氣壓力幾百千帕到幾千千帕直接減壓為幾千帕，通常設(shè)計(jì)的PCV是無法滿足需求的，而特殊設(shè)計(jì)的PCV(帶指揮器)雖然可以滿足調(diào)節(jié)要求，但是在實(shí)際使用工況中，PCV卻受到介質(zhì)要求高(易臟堵)限制，產(chǎn)生了后期維護(hù)成本較高的問題。另外，由于PCV連續(xù)調(diào)節(jié)的特性，閥門并沒有處于完全關(guān)閉的狀態(tài)，致使覆蓋氣一直處于泄漏狀態(tài)，造成了覆蓋氣的大量浪費(fèi)，對(duì)環(huán)保和節(jié)能減排帶了不利影響。而長時(shí)間的壓力波動(dòng)也使PCV一直處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，造成設(shè)定壓力波動(dòng)較大，從而影響工藝流程的穩(wěn)定性，長期工況下，設(shè)定值需要經(jīng)常維護(hù)標(biāo)定。與PCV相比氮封閥卻可以有效地規(guī)避上述問題，且另一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)是死區(qū)小，在微壓狀態(tài)下，往往動(dòng)作更加靈敏，對(duì)精度控制和容器安全都更有好處。

6.2 與氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥(PV)+智能變送器的對(duì)比

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥就是以壓縮氣體為動(dòng)力源，以汽缸為執(zhí)行器，并借助于閥門定位器、轉(zhuǎn)換器、電磁閥、保位閥、儲(chǔ)氣罐、氣體過濾器等附件去驅(qū)動(dòng)閥門，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量或比例式調(diào)節(jié)，接收工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制信號(hào)來完成調(diào)節(jié)管道介質(zhì)的流量、壓力、溫度、液位等各種工藝過程參數(shù)。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)就是控制簡單，反應(yīng)快速，且本質(zhì)安全，不需另外再采取防爆措施。

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和智能變送器的組合最大的優(yōu)點(diǎn)就是控制精度高，控制方式靈活(中控組態(tài))，在一些壓力精度要求較高的場合，是最佳的解決方案。但是在這個(gè)壓力精度控制要求不高的特殊應(yīng)用場合卻又顯得有些大材小用，它們的造價(jià)高，安裝相對(duì)復(fù)雜，后期調(diào)試成本大就成了它們的劣勢(shì)。另外，它和自力式調(diào)節(jié)閥一樣也存在泄漏量大的問題。所以，與氮封閥相比性價(jià)比低就是PV閥的最大劣勢(shì)。

7 結(jié)束語

氮封閥作為一種特殊的自力式調(diào)節(jié)閥，在儲(chǔ)罐覆蓋氣的壓力控制上具有先天的優(yōu)勢(shì)，各種性能指標(biāo)都滿足了容器覆蓋氣壓力控制的特殊要求，并且具有價(jià)格適中，后期維護(hù)簡便，整體性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在常低壓容器覆蓋氣的壓力控制選擇方案上，應(yīng)將氮封閥作為設(shè)計(jì)的首選方案。

In industrial production,some inert gases,such as nitrogen,are used as medium for cover gas of storage tank in which dangerous liquid exists.In this paper,the cover gas for the new type of independent pressure regulating valve,nitrogen valve,is introduced,together with its basic principle,working character,selecting method,installation & use,and comparison of the merits and drawbacks between the new type of valve and the traditional one.

nitrogen valve;independent pressure regulating valve;pneumatic regulating valve

薛 濱(1981-)，男，陜西咸陽人，工程師，大學(xué)本科，主要從事海上油氣開采設(shè)計(jì)工作。

P75

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.014

2015-12-18