淺談氮?dú)馐叫箟洪y在原油長輸管道中的選型應(yīng)用

宋曉芳

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026）

0 引言

原油長輸管道作為密閉輸送流體的壓力管道，在管道沿線的某一點(diǎn)流體的流速或方向發(fā)生驟變（如閥門的關(guān)閉速度過快和非正常關(guān)閉、啟泵、突然停泵等）時(shí)，會(huì)在管內(nèi)產(chǎn)生瞬變壓力脈動(dòng)并在管道內(nèi)傳播，引起管道內(nèi)壓強(qiáng)的大幅度波動(dòng)，即為水擊。水擊嚴(yán)重時(shí)，對管線與設(shè)備可能造成損害[1]。工程實(shí)踐中，通常采用在進(jìn)出站管線上加裝管道泄壓閥的方式來消除水擊的影響從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)長輸管道的保護(hù)，減少損失。

目前應(yīng)用較廣的泄壓閥有兩種形式，先導(dǎo)式泄壓閥和氮?dú)饧虞d式泄壓閥（下文簡稱為氮?dú)馐揭簤洪y）[2]。由于先導(dǎo)式泄壓閥的導(dǎo)管較細(xì)，高粘油品易在導(dǎo)管內(nèi)粘結(jié)，影響泄放效果，所以通常用在成品油管道上。而氮?dú)馐叫箟洪y是通過擠壓閥體內(nèi)部的氣室來開啟的，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，響應(yīng)速度最快，能流通高粘度的介質(zhì)且不需要額外的輔助設(shè)施，因而通常用在原油長輸管道上。

1 氮?dú)馐叫箟洪y

1.1 氮?dú)馐叫箟洪y的構(gòu)成

氮?dú)馐叫箟洪y主要由閥門（閥體、閥芯、彈簧、活塞等）、緩沖氣瓶、氮?dú)馄?、氮?dú)饪刂票P等構(gòu)成。

閥門：常閉型，入口壓力增大時(shí)打開。

緩沖氣瓶：儲(chǔ)存減壓后的氮?dú)?，為閥門設(shè)定點(diǎn)建立背壓。

氮?dú)馄浚簝?chǔ)存高壓氣體，作為氮?dú)饪刂葡到y(tǒng)的氣源。

圖1 氮?dú)馐叫箟洪y的典型安裝圖Fig.1 Typical installation diagram of nitrogen pressure relief valve

氮?dú)饪刂票P：內(nèi)部有兩個(gè)壓力變送器（分別為氮?dú)馄繅毫驮O(shè)定點(diǎn)壓力）、兩個(gè)調(diào)節(jié)閥（一用一備）、一個(gè)安全閥（當(dāng)壓力超過設(shè)定壓力時(shí)，釋放多余的壓力）。

1.2 氮?dú)馐叫箟洪y工作原理

如圖1所示，活塞底部（與閥門入口介質(zhì)接觸的一側(cè)）的壓力等量的傳遞到活塞彈簧側(cè)。當(dāng)管道內(nèi)液體壓力小于閥門設(shè)定壓力（即活塞底部管線壓力小于彈簧側(cè)氮?dú)鈮毫Γr(shí)，泄壓閥不動(dòng)作。當(dāng)管道內(nèi)液體壓力升高，大于設(shè)定壓力時(shí)（即活塞底部管線壓力大于彈簧側(cè)氮?dú)鈮毫Γr(shí)，在壓力的作用下，活塞上移，從而打開閥門?；钊苿?dòng)油箱內(nèi)的輕質(zhì)油使氮?dú)鈮嚎s，氮?dú)庖徊糠钟山財(cái)嚅y進(jìn)入到緩沖氣瓶中，另一部分經(jīng)充氣閥進(jìn)入氮?dú)饪刂票P，經(jīng)氮?dú)饪刂票P內(nèi)的安全閥排放到大氣中。當(dāng)管線壓力降低到氮?dú)鈮毫υO(shè)定點(diǎn)時(shí)，氣壓推動(dòng)閥門活塞下移，使閥門關(guān)閉并保持關(guān)閉狀態(tài)。閥門打開和關(guān)閉速度由安裝在缸內(nèi)表面上的單向閥控制，打開速度不受限制，從而實(shí)現(xiàn)閥門的快速打開。關(guān)閉速度由單向閥固定節(jié)流孔控制。

2 氮?dú)馐叫箟洪y的選型

氮?dú)馐叫箟洪y的作用是泄放掉密閉輸油管道中多余的壓力，避免水擊的產(chǎn)生。選型前首先要對管道有一個(gè)全面的認(rèn)知，建立起管道流體的動(dòng)態(tài)模型，通過模擬仿真對管道的水擊現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2.1 管道水擊分析

對于輸油管道的水擊泄放壓力，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中沒有具體的描述，僅在《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50253-2014中要求：“管道水擊和其他因素造成的瞬間最大壓力值，在管道系統(tǒng)中的任何一點(diǎn)都不應(yīng)超過管道設(shè)計(jì)壓力的1.1倍”[3]。將該原則應(yīng)用到專門為輸油管道水擊分析編制的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序中進(jìn)行管道水力系統(tǒng)模擬。

計(jì)算機(jī)進(jìn)行管道瞬變流動(dòng)分析需要利用反映管道各種特征的一系列數(shù)據(jù)。所需要的數(shù)據(jù)一般如下所列：

表1 不同尺寸閥門的額定Cv值Table 1 Rated Cv of valves of different sizes

1）管道輸送量

規(guī)定設(shè)計(jì)輸送量、計(jì)算輸送量。

2）原油物性

密度、凝點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)粘度-溫度數(shù)據(jù)組、反常點(diǎn)、流變指數(shù)、稠度系數(shù)等。

3）管道參數(shù)

線路縱斷面（高程-里程）數(shù)據(jù)組，各泵站間距、管徑、壁厚、管壁粗糙度，鋼材屈服極限，保溫層厚度、保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，地溫、管道總傳熱系統(tǒng)等。

4）管道主要設(shè)備布置簡圖

輸油泵臺(tái)數(shù)及工作方式（并、串聯(lián)），加熱爐臺(tái)數(shù)，全線各泵站輸油泵、調(diào)節(jié)閥、加熱爐及泄放閥的相互連接關(guān)系圖，泵站內(nèi)部局部摩阻值及其分布。

5）設(shè)備特性

輸油泵型號(hào)，泵額定流量、揚(yáng)程與效率，泵轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速慣性矩。

加熱爐額定流量時(shí)壓降。

調(diào)節(jié)閥型號(hào)、閥額定流量時(shí)壓降、全行程時(shí)間、調(diào)節(jié)特性、調(diào)節(jié)器的特性系數(shù)。

泄放閥給定壓力值、不同超壓百分?jǐn)?shù)時(shí)的流量系數(shù)。

6）設(shè)計(jì)給定值

泵站進(jìn)、出站壓力給定值，越站輸送時(shí)各泵站的壓力限制。

泵站進(jìn)站油溫。

通過軟件模擬，可以得到：當(dāng)中間泵站突然關(guān)閉及末站突然關(guān)閉時(shí)，管道各處任何時(shí)間的最高與最低壓力線圖；各中間泵站壓力-時(shí)間曲線；各中間泵站流量-時(shí)間曲線；泄放閥泄放速率；泄放閥累積泄放量。

然后通過分析，得到管道在模擬環(huán)境下的泄放壓力、泄放量、泄放時(shí)間、泄放速率等參數(shù)，作為設(shè)備選型的參數(shù)依據(jù)。

2.2 閥門的選型計(jì)算

閥門的容量系數(shù)大多以Cv值來表示，表征閥門的流通能力。閥門的額定Cv值是閥門固有的容量，因各廠家生產(chǎn)的閥門各有不同，其額定Cv值也略有差異。表1中所列為某廠家生產(chǎn)的不同口徑的氮?dú)馐叫箟洪y的額定Cv值。

在閥門選型時(shí)，需要根據(jù)公式計(jì)算出理論Cv值，公式如下：

Q——流體的流量，GPM（USgal/min）

ΔP——閥門設(shè)定壓力與背壓之差，psi

ρ——流體的密度，g/cm3

ΔP0——1psi

ρ0——1g/cm3

將計(jì)算出的理論Cv值對應(yīng)閥門列表，初選出閥門口徑。然后，將該泄壓閥數(shù)據(jù)輸入到水擊分析程序中，模擬管道水擊狀態(tài)下輸油管道各處在任何時(shí)間所出現(xiàn)的最高與最低壓力，以判斷泄壓閥保護(hù)效果是否滿足要求。如果不能滿足要求，需要調(diào)整閥門口徑再次進(jìn)行分析，直到管道模擬數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求，得到合適的閥門尺寸。

2.3 緩沖氣瓶的選型計(jì)算

緩沖氣瓶為閥門的氣路建立起穩(wěn)定的背壓，其基本原理是：當(dāng)閥門打開時(shí)，緩沖氣瓶的有效容積減少，其減少量等于主閥活塞的置換容積。根據(jù)波義耳定律：P1V1=P2V2，緩沖氣瓶的容積決定了閥門開啟時(shí)泄壓設(shè)定點(diǎn)的變化百分比。

假定在絕熱壓縮條件下確定緩沖氣瓶體積：

V——?dú)怏w總體積（緩沖氣瓶和主閥活塞后的體積），in3

V0——閥門全開條件下主閥活塞的置換體積，in3

P1——閥門關(guān)閉條件下所需的設(shè)定壓力，psi

P2——閥門開啟條件下的最高容許過壓，psi

K——氮?dú)獾慕^熱系數(shù)

從式（2）中可以看出，在確定緩沖氣瓶容積V前，需要得到以下參數(shù)：1）根據(jù)閥門口徑從表2中查得主閥活塞的置換容積；2）根據(jù)管道模擬仿真軟件得到閥門的壓力設(shè)定點(diǎn)壓力；3）閥門開啟條件下的最高容許過壓。

閥門采用輕活塞彈簧，該彈簧在閥門關(guān)閉和打開時(shí)都會(huì)提供一個(gè)加載壓力，故在計(jì)算過程中，P1、P2應(yīng)是減去彈簧加載壓力后的真實(shí)氣壓。

此外，在配管、配件和閥門頂部也有一定的空隙，但相較于緩沖氣瓶的容積占比很小，故計(jì)算中忽略不計(jì)。

表2 主閥活塞的置換容積Table 2 Replacement volume of main valve piston

3 選型及應(yīng)用中需要注意的因素

1）管道水擊模擬計(jì)算時(shí)，原油的流速不應(yīng)超過1.2m/s。實(shí)際工程應(yīng)用中，為了滿足原油長距離輸送的經(jīng)濟(jì)性要求，原油的流速通常控制在1m/s以內(nèi)。

2）選擇的Cv值不應(yīng)超過閥門額定Cv值的85%，以得到良好的流量特性。

3）緩沖氣瓶應(yīng)埋入地下（通常埋深1m），使氣體保持恒溫。氣體溫度升高會(huì)導(dǎo)致熱膨脹，從而改變泄壓設(shè)定點(diǎn)，產(chǎn)生安全隱患。

4）當(dāng)?shù)獨(dú)馄繅毫ο陆档皆O(shè)定壓力的2倍左右時(shí)，需要更換氣瓶。

5）注意氮?dú)庹{(diào)壓閥閥體上的標(biāo)示，不要使用大于允許壓力的氮?dú)馄繅毫B接到調(diào)壓閥上。

6）連接到調(diào)壓閥的連接管要清潔。將調(diào)壓閥和連接件等表面的油污和黃油擦拭干凈。

7）建議每6～12個(gè)月檢查一次水擊設(shè)定壓力和水擊泄放系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

氮?dú)馐叫箟洪y對高粘度流體具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠快速、高效地泄放掉原油長輸管道中多余的壓力，保障管道的安全運(yùn)行。本文通過分析，詳細(xì)介紹了氮?dú)馐叫箟洪y選型的整個(gè)過程，包括管道水力系統(tǒng)建模獲取管道數(shù)據(jù)、閥門的計(jì)算、緩沖氣瓶的計(jì)算以及選型中的注意事項(xiàng)。在實(shí)際的閥門選型過程中，還需要綜合考慮閥門的安裝位置、可維護(hù)性等，從而選到最適用的閥門。