氣動雙作用保位開關(guān)閥的設(shè)計與應(yīng)用

吳 剛 毛聞之 吳佳歡

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085)

氣動雙作用保位開關(guān)閥的設(shè)計與應(yīng)用

吳 剛 毛聞之 吳佳歡

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085)

針對在油田地面工程中受現(xiàn)場惡劣自然條件和氣溫的限制雨淋閥難以得到有效應(yīng)用的問題，提出一種用雙作用氣動保位開關(guān)閥替代電式啟動雨淋閥的設(shè)計，為某些特殊工況下雨淋閥的選用提供了另一種選擇。雙作用氣動保位開關(guān)閥已在某海外油田地面工程中實際應(yīng)用。

氣動雙作用保位開關(guān)閥 雨淋系統(tǒng) 故障保位

雨淋閥是一種水力驅(qū)動遠(yuǎn)程控制的閥，可通過干式、濕式及電式等方式來開啟或關(guān)閉，滿足消防管網(wǎng)內(nèi)注水的需要。當(dāng)消防結(jié)束后，又能重新恢復(fù)伺應(yīng)狀態(tài)。

根據(jù)國標(biāo)[1～3]和相應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，大型原油儲罐、液化天然氣球罐及石油氣儲配站等多種工業(yè)場合均需設(shè)置消防雨淋系統(tǒng)。隨著近幾年石油化工、油氣儲運項目處理量和規(guī)模的不斷增大，爆炸和危險性升高，作為消防雨淋系統(tǒng)核心設(shè)備之一的雨淋閥得到廣泛使用。伊拉克南部米桑省某油田是中石油在中東地區(qū)的主力區(qū)塊之一，已探明石油和天然氣儲量巨大，主要包括3個原油中心處理站、一個天然氣中心處理站，且各站場內(nèi)設(shè)計有眾多大型儲運設(shè)施，故消防系統(tǒng)和雨淋閥得到大量使用。根據(jù)介質(zhì)特點，要求雨淋閥必須有良好的密封特性，快速的開關(guān)行程時間(一般小于15s)，準(zhǔn)確的閥位回訊，且不受外部動力源故障影響，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的開關(guān)/保位。

常規(guī)雨淋閥使用時，閥前管線充水，閥后為空管，對設(shè)置場所的溫度有要求。對于伊拉克油田，現(xiàn)場氣候條件惡劣,冬季晝夜溫差極大，極限工況下露天設(shè)置的雨淋閥可能冰堵。若將閥門設(shè)置在室內(nèi)，由于防火間距和總圖布置的要求，勢必增長消防管線，延長冷卻水上罐時間；且管線增長后因腐蝕、銹蝕產(chǎn)生的銹渣、雜質(zhì)等的量也會增加。而水霧噴頭的孔徑極小，極易堵塞[4]。至于保溫伴熱或管線直埋等措施，由于增加項目投資或增大運行維護(hù)量的原因，不推薦使用。

由此可見，特殊環(huán)境下油田地面工程雨淋系統(tǒng)設(shè)計時，消防管線是否帶壓、雨淋閥的選型設(shè)置等不能完全照搬傳統(tǒng)設(shè)計思路，需要結(jié)合現(xiàn)場情況而合理設(shè)計。雖然雨淋閥的控制原理和閥門結(jié)構(gòu)經(jīng)過多年的演變，形成了多個種類(如隔膜型、活塞型及杠桿型等)，但由于帶壓工作等多種原因，均不能完全適應(yīng)油田地面工程的特點；而現(xiàn)有不同項目或相關(guān)論文中的閥門改造和優(yōu)化(如引入止回單元[5]，改造閥芯結(jié)構(gòu)適應(yīng)大流通能力的特點，優(yōu)化基本液路控制單元等)，也沒有根本改變核心控制原理和雨淋閥自身適應(yīng)性，難以完全適應(yīng)油田項目的特殊性。

筆者通過借鑒常規(guī)兩位式氣動控制閥[6]的氣路控制原理，參考某些特殊功能控制閥的控制回路中電磁閥的巧妙應(yīng)用[7，8]，合理選擇閥體類型后，采用氣動/雙作用/故障保位/活塞式/開關(guān)球閥(含執(zhí)行機(jī)構(gòu))來代替常規(guī)雨淋閥，確保實現(xiàn)了各種工況下的故障保位即不受動力源失去的影響，滿足了閥門快速開啟、關(guān)閉，遠(yuǎn)程受控的功能需求。而且由于不用帶壓工作，從而適應(yīng)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的特點，成功應(yīng)用于伊拉克南部米桑省某油田項目。

1 氣動雙作用故障保位活塞式開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)與原理

雨淋閥的選用中，電式啟動雨淋閥因其與站控系統(tǒng)聯(lián)鎖控制的時效性和操作運行的可控性而得到廣泛使用，此處針對該類雨淋閥進(jìn)行相應(yīng)的功能替代設(shè)計。

氣動雙作用故障保位活塞式開關(guān)閥的氣動控制回路包括雙作用活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)(合理設(shè)計承壓面積，確保行程時間滿足快開要求)、兩位兩通氣控閥、三位五通雙勵磁電磁閥、止回閥、儲氣瓶及過濾調(diào)壓器等。閥門本體的選型可考慮全通徑閥芯、固定式球閥(分體式結(jié)構(gòu)/硬密封五級/快開特性)。

1.1閥的氣動控制回路狀態(tài)1

閥的氣動控制回路狀態(tài)1——無氣源，執(zhí)行機(jī)構(gòu)保位如圖1所示。

圖1 閥的氣動控制回路狀態(tài)1

閥的氣動控制回路狀態(tài)1的相應(yīng)三位五通電磁閥(SOV)在不同控制命令下的工作狀態(tài)如下：

a. SOV在線圈1(Coil1)和線圈2(Coil2)都不帶電時，兩邊線圈都沒有磁場，兩邊的彈簧推力相等，因此SOV里的滑閥會被兩邊的彈簧推力推到中間并維持在中間位置。SOV的氣源入口被堵，連接氣控閥1(PV1)和氣控閥2(PV2)的出口也會被堵。通往PV1和PV2的氣源因此會被SOV斷開。

b. SOV在Coil1和Coil2都帶電時，兩邊線圈都有磁場。磁場產(chǎn)生的推力互相抵消，兩邊的彈簧推力也相等。因此SOV里的滑閥會被兩邊的彈簧推力推到中間并維持在中間位置。SOV的氣源入口被堵，連接PV1和PV2的出口也會被堵，通往PV1和PV2的氣源因此會被SOV斷開。

c. PV1和PV2在沒有氣源的情況下，彈簧推力會把PV1的滑閥推到右邊位置，把PV2的滑閥推到左邊位置，連接PV1和PV2的氣源都被排空，PV1和PV2連接A缸和B缸的氣路被堵，故A缸和B缸里的氣壓將被鎖在缸里。

d. 氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)因此維持在最后位置。

當(dāng)然，如果儲氣瓶上游的儀表風(fēng)氣源故障失氣，由于氣瓶入口的止回閥和氣瓶自身儲氣量的保證，氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)也能保位。后續(xù)各種工況分析也都包含此工況，不再贅述。

1.2閥的氣動控制回路狀態(tài)2

閥的氣動控制回路狀態(tài)2A——無氣源，信號開閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)保位如圖2所示。

圖2 閥的氣動控制回路狀態(tài)2A

閥的氣動控制回路狀態(tài)2A的相應(yīng)電磁閥在不同控制命令下的工作狀態(tài)如下：

a. SOV的Coil1不帶電、Coil2帶電。Coil1線圈沒有磁場，Coil2有磁場，兩邊的彈簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑閥會被Coil2的磁場吸到右邊位置。SOV的氣源和PV2接通，PV1的氣會被排空，但因為沒有氣源，將沒有氣壓通往PV2。

b. PV1和PV2在沒有氣源的情況下，彈簧推力會把PV1的滑閥推到右邊位置，把PV2的滑閥推到左邊位置，連接PV1和PV2的氣源都被排空，PV1和PV2連接A缸和B缸的氣路被堵，因此A缸和B缸里的氣壓將被鎖在缸里。

c. 氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)因此維持在最后位置。

閥的氣動控制回路狀態(tài)2B——無氣源，信號關(guān)閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)保位如圖3所示。

閥的氣動控制回路狀態(tài)2B的相應(yīng)電磁閥在不同控制命令下的工作狀態(tài)如下：

a. SOV的Coil1帶電、Coil2不帶電。Coil1線圈有磁場，Coil2沒有磁場，兩邊的彈簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑閥會被Coil1的磁場吸到左邊位置。SOV的氣源和PV1接通，PV2的氣會被排空，但因為沒有氣源，將沒有氣壓通往PV1。

圖3 閥的氣動控制回路狀態(tài)2B

b. PV1和PV2在沒有氣源的情況下，彈簧推力會把PV1的滑閥推到右邊位置，把PV2的滑閥推到左邊位置，連接PV1和PV2的氣源都被排空，PV1和PV2連接A缸和B缸的氣路被堵，故A缸和B缸里的氣壓將被鎖在缸里。

c. 氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)因此維持在最后位置。

1.3閥的氣動控制回路狀態(tài)3

閥的氣動控制回路狀態(tài)3——有氣源，執(zhí)行機(jī)構(gòu)保位如圖4所示。

圖4 閥的氣動控制回路狀態(tài)3

閥的氣動控制回路狀態(tài)3的相應(yīng)電磁閥在不同控制命令下的工作狀態(tài)如下：

a. SOV在Coil1和Coil2都不帶電時，兩邊線圈都沒有磁場，兩邊的彈簧推力相等，因此SOV里的滑閥會被兩邊的彈簧推力推到中間并維持在中間位置。SOV的氣源入口被堵，連接PV1和PV2的出口也被堵，通往PV1和PV2的氣源因此會被SOV斷開。

b. PV1和PV2在有氣源情況下，氣源壓力會克服彈簧推力把PV1滑閥推到左邊位置，把PV2滑閥推到右邊位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 雖然氣缸里的氣壓可以通過PV1和PV2排出，但因位SOV的滑閥在中間位置，所以A缸和B缸里的氣壓無法通過SOV排空，氣源也無法通過SOV進(jìn)入A缸和B缸，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)將維持在最后位置。

1.4閥的氣動控制回路狀態(tài)4

閥的氣動控制回路狀態(tài)4A——有氣源，信號開閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開閥如圖5所示。

圖5 閥的氣動控制回路狀態(tài)4A

閥的氣動控制回路狀態(tài)4A的相應(yīng)電磁閥在不同控制命令下的工作狀態(tài)如下：

a. SOV的Coil1不帶電、Coil2帶電。Coil1線圈沒有磁場，Coil2有磁場，兩邊的彈簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑閥會被Coil2的磁場吸到右邊位置。SOV的氣源和PV2接通，PV1的氣會被排空。

b. PV1和PV2在有氣源的情況下，氣源壓力會克服彈簧推力把PV1滑閥推到左邊位置，把PV2滑閥推到右邊位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 氣源壓力通過SOV和PV2進(jìn)入B缸，A缸里的氣壓通過PV1和SOV排空，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞將從B移向A，執(zhí)行機(jī)構(gòu)把閥打開。

閥的氣動控制回路狀態(tài)4B——有氣源，信號關(guān)閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閥如圖6所示。

閥的氣動控制回路狀態(tài)4B的相應(yīng)電磁閥在不同控制命令下的工作狀態(tài)如下：

a. SOV的Coil1帶電、Coil2不帶電。Coil1線圈有磁場，Coil2沒有磁場，兩邊的彈簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑閥會被Coil1的磁場吸到左邊位置。SOV的氣源和PV1接通，PV2的氣會被排空。

圖6 閥的氣動控制回路狀態(tài)4B

b. PV1和PV2在有氣源的情況下，氣源壓力會克服彈簧推力把PV1滑閥推到左邊位置，把PV2滑閥推到右邊位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 氣源壓力通過SOV和PV1進(jìn)入A缸，B缸里的氣壓通過PV2和SOV排空，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞將從A移向B，執(zhí)行機(jī)構(gòu)把閥關(guān)閉。

1.5閥的氣動控制回路狀態(tài)5

閥的氣動控制回路狀態(tài)5——有氣源，雙線圈同時帶電，執(zhí)行機(jī)構(gòu)保位如圖7所示。

圖7 閥的氣動控制回路狀態(tài)5

閥的氣動控制回路狀態(tài)5的相應(yīng)電磁閥在不同控制命令下的工作狀態(tài)如下：

a. SOV在Coil1和Coil2都帶電時，兩邊線圈都有磁場，磁場產(chǎn)生的推力互相抵消，兩邊的彈簧推力也相等，因此SOV里的滑閥會被兩邊的彈簧推力推到中間并維持在中間位置。SOV的氣源入口被堵，連接PV1和PV2的出口也會被堵，通往PV1和PV2的氣源因此會被SOV斷開。

b. PV1和PV2在有氣源的情況下，氣源壓力會克服彈簧推力把PV1滑閥推到左邊位置，把PV2滑閥推到右邊位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 雖然氣缸里的氣壓可以通過PV1和PV2排出，但因位SOV的滑閥在中間位置，所以A缸和B缸里的氣壓無法通過SOV排空，氣源也無法通過SOV進(jìn)入A缸和B缸，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)將維持在最后位置。

2 安裝與操作

采用雙作用氣動保位開關(guān)閥替代電式啟動雨淋閥后，仍然應(yīng)該注意其作為雨淋閥使用中的一些要點[9]：

a. 雨淋閥裝置應(yīng)盡量安裝在自然地坪以上的水平管道上，安裝位置應(yīng)有足夠的空間，以便安裝維護(hù)與保養(yǎng)。

b. 安裝雨淋閥之前，供水管路必須徹底清洗，確保管道中沒有雜物。

c. 雨淋閥的關(guān)閉，需經(jīng)過人工復(fù)位(確認(rèn))；執(zhí)行機(jī)構(gòu)配電磁閥可采用復(fù)位按鈕，以實現(xiàn)現(xiàn)場確認(rèn)后回位。

d. 為氣動保位開關(guān)閥配置合理的手輪組，以實現(xiàn)可靠的現(xiàn)場手動開關(guān)操作，例如為電磁閥排氣和兩側(cè)氣缸連通提供手輪。

e. 氣瓶位置應(yīng)距離閥門本體盡可能地接近，減少中間氣路故障可能。

f. 按照消防規(guī)范要求，定期測試雨淋閥裝置，確?？煽窟\行。

3 結(jié)束語

電式啟動雨淋閥在某些惡劣自然環(huán)境下操作使用不便，給項目投資和運行維護(hù)帶來一些問題；由于某些工程中工藝流程設(shè)計上的先決條件，導(dǎo)致部分消防管路無法帶壓，從而某些位置亦無法使用雨淋閥。雙作用氣動保位開關(guān)閥為部分工程應(yīng)用提供了另一種功能替代選擇，它通過合理設(shè)計氣缸承壓面積、氣瓶容量和閥體選型，實現(xiàn)了與電式啟動雨淋閥功能和性能完全一致的控制效果。

氣動開關(guān)閥適用的溫度范圍較廣，操作方便快捷，降低了消防管網(wǎng)的運行維護(hù)工作量，為油田地面工程中雨淋閥的選型提供了新選擇。

[1] GB 50219-2014,水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[2] GB 50084-2001,自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2001.

[3] GBJ 16-87,建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,1988.

[4] 戚友軍.淺談寒冷地區(qū)雨淋閥的設(shè)置[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2004,(8):16～17.

[5] 鄭觀雄.止回式雨淋閥在消防工程上的應(yīng)用[J].閥門,1995,(2):17～18.

[6] 顧天驃.新型氣動控制閥[J].化工自動化及儀表,1991,18(6):47～52.

[7] 陳金星,劉家勝.兩位式控制閥的控制氣路改進(jìn)[J].化工自動化及儀表,2002,29(2):54～56.

[8] 李幫軍.電磁閥冗余在控制閥上的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2013,40(4):545～548.

[9] 余小玲.大朝山工程消防系統(tǒng)中的雨淋閥裝置[J].水利水電施工,2002,(3):79～80.

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1000-3932(2016)05-0546-05

2016-04-11(修改稿)