球型調(diào)節(jié)閥在海洋石油平臺的設(shè)計與應(yīng)用

錢欣，鄒國紅，王安達(dá)，孔冰

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

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球型調(diào)節(jié)閥在海洋石油平臺的設(shè)計與應(yīng)用

錢欣，鄒國紅，王安達(dá)，孔冰

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

摘要：針對海洋石油平臺上高壓力、大流量，超低壓差或超高壓差的工況特點(diǎn)，從球型調(diào)節(jié)閥的閥門結(jié)構(gòu)、控制原理等方面切入，通過調(diào)節(jié)閥選型分析，說明了球型調(diào)節(jié)閥針對此類工況的適應(yīng)性，并結(jié)合南海深水天然氣開發(fā)項目對球型調(diào)節(jié)閥進(jìn)行設(shè)計選型分析，給出了具體選型解決方案和在使用中的建議。

關(guān)鍵詞：海洋石油平臺球型調(diào)節(jié)閥大流量選型

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，海上石油行業(yè)勘探及海洋工程裝備制造業(yè)得到了飛速的發(fā)展，并從原有的近海油氣田開發(fā)逐漸進(jìn)入到深海油氣田的開發(fā)進(jìn)程中。伴隨開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，從經(jīng)濟(jì)性及可持續(xù)發(fā)展等方面考慮，現(xiàn)階段的開發(fā)工程多為滾動開發(fā)工程項目，中心處理平臺、油氣輸送海底管道、終端處理設(shè)施等設(shè)備均要求具有涵蓋整個開發(fā)周期處理量的能力，這就意味著管道調(diào)節(jié)閥在選型過程中會遇到更為苛刻的工況條件，使得調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型面臨更大困難和挑戰(zhàn)。

在南海深水天然氣開發(fā)項目中，由于工藝流程壓力高、流量大、允許壓降小、調(diào)節(jié)比大，且存在規(guī)劃配產(chǎn)與推薦配產(chǎn)之間的不協(xié)調(diào)，選用常規(guī)項目常用的Globe型調(diào)節(jié)閥不能滿足流程調(diào)節(jié)需求，給調(diào)節(jié)閥選型帶來極大挑戰(zhàn)。在此背景下，設(shè)計人員根據(jù)具體工況特點(diǎn)，經(jīng)過多方論證分析，推薦采用球型調(diào)節(jié)閥以滿足此工藝需求。

筆者結(jié)合球型調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)原理，分析了其在苛刻海洋工況下的設(shè)計選型和應(yīng)用效果。

1球型調(diào)節(jié)閥簡介

以往旋塞閥、蝶閥、球閥僅作為工藝流程截止閥使用；近年來，廠家開始開發(fā)以上種類的閥門作為調(diào)節(jié)閥使用。所謂球型調(diào)節(jié)閥，即將球閥閥球內(nèi)部設(shè)計出V型坡口、隔板、迷宮等形式，當(dāng)閥球轉(zhuǎn)動時，閥門具有相應(yīng)的流量調(diào)節(jié)功能。與傳統(tǒng)Globe調(diào)節(jié)閥相比，得益于其內(nèi)部構(gòu)造，球型調(diào)節(jié)閥在相同尺寸下具有更大的流通能力，在相同工藝工況條件下，若選用球型調(diào)節(jié)閥，可以減小閥門的尺寸和質(zhì)量，降低了成本和工程投資。同時，由于球型調(diào)節(jié)閥閥座和閥桿的密封等級高，有防火設(shè)計等優(yōu)點(diǎn)，能更加適應(yīng)苛刻的工況需求，使得球型調(diào)節(jié)閥在油氣開采、石化煉化、海水淡化等領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

從閥門結(jié)構(gòu)上區(qū)分，球型調(diào)節(jié)閥有普通型、內(nèi)置隔板式、迷宮型等幾種形式[2-3]。由于閥門結(jié)構(gòu)的不同，各類閥門分別較為適應(yīng)的工況有： 普通球型調(diào)節(jié)閥、內(nèi)置隔板式球型調(diào)節(jié)閥可用于低壓降、大流量工況；迷宮型球型調(diào)節(jié)閥可用于小開度時大壓降、小流量，大開度時大流量、低壓降工況，如海管段塞工況[4-5]。

2球型調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型及實(shí)用性分析

2.1球型調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)原理

下面以內(nèi)置隔板式球型調(diào)節(jié)閥為例，對球型調(diào)節(jié)閥的原理進(jìn)行簡要介紹[2]。

內(nèi)置隔板式球型調(diào)節(jié)閥的外觀及內(nèi)部流道示意如圖1所示。當(dāng)隔板與介質(zhì)流向垂直時，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，閥門開度為0；當(dāng)閥球轉(zhuǎn)動90°后，隔板與介質(zhì)流向平行，閥門處于最大開度，流通能力最強(qiáng)。在調(diào)節(jié)過程中，根據(jù)閥門定位器收到的來自中心控制室的閥門開度要求自動調(diào)整閥球的角度，使其完成流程調(diào)節(jié)需求[6]。

圖1　內(nèi)置隔板式球型調(diào)節(jié)閥的外觀及內(nèi)部流道示意

2.2針對具體工況的選型分析

高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)HIPPS(high integrity pressure protection system)作用在于： 當(dāng)海管來液壓力過高時，及時切斷高壓源頭，從而達(dá)到保護(hù)下游設(shè)備的目的。在南海深水天然氣開發(fā)項目中，來自水下采油系統(tǒng)的高壓井產(chǎn)物流通過登平臺海管進(jìn)入段塞流捕集器，工藝系統(tǒng)在段塞流捕集器前設(shè)置HIPPS，保護(hù)整個下游流程的設(shè)施安全。而HIPPS雖然可以很好地保證系統(tǒng)安全，但如果頻繁關(guān)斷也會對油田穩(wěn)定生產(chǎn)造成很大干擾，為了維持HIPPS前海管壓力穩(wěn)定，減少HIPPS動作頻率，在HIPPS前設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥，使平臺工藝系統(tǒng)能夠更加穩(wěn)定生產(chǎn)，可靠運(yùn)行。

通過分析，此處為工藝流程上的大尺寸、大流量、高壓力、低壓差典型工況。按照常規(guī)的設(shè)計思路，選用單座直通型調(diào)節(jié)閥，結(jié)合廠家產(chǎn)品，匹配管線尺寸的最大閥門尺寸為DN500(20in)，即使選用DN500(20in)閥門，受制于單座直通型調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的限制，所需的壓降要遠(yuǎn)大于允許壓降，超出了工藝參數(shù)的允許范圍，因而此方案不可行[7]。

由圖1球型調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)調(diào)節(jié)閥位于100%開度時，其內(nèi)置隔板平行于管道，幾乎不產(chǎn)生壓損，計算CV值遠(yuǎn)大于相同尺寸磅級的單座直通閥。因此，結(jié)合此處工藝參數(shù)，選用球型調(diào)節(jié)閥可以很好地滿足流程控制需求，經(jīng)軟件計算，DN400(16in)的調(diào)節(jié)閥即可滿足流通能力需求。

此處采用球型調(diào)節(jié)閥解決方案，不僅解決了工藝流程上閥門選型問題，還減小了閥門尺寸，節(jié)省了平臺空間，降低了油田開發(fā)投資成本。

2.3多級降壓閥芯

當(dāng)采用內(nèi)置隔板式多級降壓閥芯時，介質(zhì)通過該球型調(diào)節(jié)閥，其壓力變化曲線如圖2所示，流速變化曲線如圖3所示。對于普通單級/雙級節(jié)流調(diào)節(jié)閥門，由于介質(zhì)流經(jīng)閥門時會產(chǎn)生很大的壓降，進(jìn)而導(dǎo)致氣蝕；同時由于介質(zhì)流速增大(甚至達(dá)到聲速)，會引發(fā)高分貝噪音，破壞流體狀態(tài)[8]。而采用圖1所示的內(nèi)置隔板式球型調(diào)節(jié)閥，當(dāng)高壓流體通過隔板形成微小層壓，避免介質(zhì)在閥腔內(nèi)膨脹和壓縮，同時該設(shè)計在引導(dǎo)流體介質(zhì)自行分散能量的同時，保持閥芯的機(jī)械穩(wěn)定，避免流體介質(zhì)劇烈擾動及流速過快。因此，噪音、氣蝕和高頻振蕩幾乎被消除，并保證流體及上下游系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖2　速度隔板變化曲線示意

圖3　壓力隔板變化曲線示意

2.4自清潔功能

當(dāng)砂礫和其他更具威脅的阻隔物體在閥門關(guān)斷時累積，或調(diào)節(jié)時在閥芯內(nèi)積存，那么自清潔功能就變得尤為重要了。由于采用逐級衰減閥腔流體方式的特殊設(shè)計，通過閥門的砂礫沖擊不會達(dá)到損壞的速度，流體經(jīng)過若干個通道的引導(dǎo)避免了形成損壞閥體和閥座的沖擊力。自清洗過程非常簡單，當(dāng)流體在閥芯隔板頂部產(chǎn)生超壓，同時在隔板下部產(chǎn)生負(fù)壓時，完成一次自清洗，流體不但清洗隔板表面，如堵塞嚴(yán)重，控制器會自動給出增加閥門開度的信號，增加開度會進(jìn)一步提高隔板頂部的流體速度和壓力以及下部負(fù)壓，從而加強(qiáng)自清洗的效果[9]。

3球型調(diào)節(jié)閥技術(shù)特點(diǎn)

由于球型調(diào)節(jié)閥具有特殊的閥體設(shè)計理念，因而有著與普通單座直通調(diào)節(jié)閥不同的技術(shù)特點(diǎn)。

1) 得益于其內(nèi)部構(gòu)造，相同尺寸磅級的球型調(diào)節(jié)閥與普通單座直通閥相比，具有更大的流通能力，可以很好地適應(yīng)大流量工況[10]。

2) 相同流通能力的情況下(CV值相同)，選用球型調(diào)節(jié)閥可以選擇較小口徑閥門，體積小、質(zhì)量輕，可減少投資，節(jié)省空間。

3) 可將調(diào)節(jié)滯后和死區(qū)值降低到最低程度，能夠在0.5%的范圍內(nèi)重復(fù)閥位。

4) 閥門可調(diào)比可達(dá)到400∶1。

5) 此類閥門滿足API6D設(shè)計規(guī)范，可采用固定球，閥體材質(zhì)選用鍛造，閥球噴涂硬化材料，與普通調(diào)節(jié)閥相比，更加適用于高壓力、含沙等惡劣工況。

6) 特殊的閥芯設(shè)計，使其具有抗汽蝕、防噪聲功能。

7) 閥體無堵塞，可以進(jìn)行自清潔。

8) 閥桿、閥座密封可達(dá)到關(guān)斷閥的密封性能，閥桿密封壽命長，閥球密封等級高。

9) 可進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)。

由于球型調(diào)節(jié)閥具有以上性能，當(dāng)面對嚴(yán)苛工況，使用球型調(diào)節(jié)閥不失為一種良好的設(shè)計選型解決方案。

4結(jié)束語

該項目中使用球型調(diào)節(jié)閥，解決了工藝流程上流量大、壓降變化大的問題，且由于此類型調(diào)節(jié)閥流通能力大，減小了閥門尺寸，降低了工程投資。類似的項目經(jīng)驗(yàn)將會在海洋石油開發(fā)工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1]ISA. Instrument Engineers’ Handbook[S].4thed. USA： ISA,2003： 1262-1272.

[2]薛文斌.低流阻球形調(diào)節(jié)閥的設(shè)計初探[J].石油化工自動化，1985,21(05)： 69-73.

[3]李樹勛，侯英哲，徐曉剛,等.高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥盤片降壓基礎(chǔ)[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報,2013,31(12)： 1072-1076.

[4]史道興.四級降壓高壓調(diào)節(jié)閥的設(shè)計和計算[J].石油化工自動化,1983,19(04)： 32-35.

[5]《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會.海洋石油工程電氣、儀控、通訊設(shè)計[M].北京： 石油工業(yè)出版社，2007.

[6]陸德民,張振基，黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].3版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社,2000： 208,219-220,223-229.

[7]哈奇森J W.調(diào)節(jié)閥手冊[M].2版.林秋鴻,譯.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社,1984： 166-180,267-268.

[8]謝云山，劉建領(lǐng)，趙忠榮.調(diào)節(jié)閥的選型設(shè)計要點(diǎn)[J].自動化與儀器儀表,2008(05)： 53-54.

[9]吳杰.多級降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計[J].閥門,2001(01)： 5-8.

[10]楊署東，李壯云.一種高壓大流量氣動定差壓力控制閥的研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2001,20(03)： 449-450.

Design and Application of Ball Regulating Valve in Offshore Oil Platform

Qian Xin, Zou Guohong, Wang Anda, Kong Bing

(Tianjin Branch, CNOOC China Limited Company, Tianjin,300452, China)

Abstract：Aiming at working condition characteristics of high pressure, large flow, ultra-low differential pressure or ultra-high differential pressure of offshore oil platform. Adaptability is illustrated from aspects of structure and control principle of ball regulating valve through valve type selection analysis. Combined with South China Sea deep water natural gas development project, type selection analysis is carried out on ball regulating valve with proposal on detailed type selection and suggestion in application.

Key words:offshore oil platform; ball regulating valve; large flow-rate; type selection

作者簡介：錢欣，女，畢業(yè)于西南石油大學(xué)自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于中海油(中國)有限公司天津分公司，從事海洋石油油田開發(fā)前期研究工作。

中圖分類號：TH138.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0021-03

稿件收到日期： 2016-02-19,修改稿收到日期： 2016-04-16。