國產(chǎn)高壓差小流量控制閥在海洋石油平臺中的應(yīng)用研究

劉橋林，石月娟

(1. 中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057；2. 吳忠儀表有限責(zé)任公司，寧夏 吳忠 751100)

海洋石油開發(fā)對中國國民經(jīng)濟發(fā)展具有戰(zhàn)略意義，隨著國內(nèi)海洋石油勘探開發(fā)技術(shù)的不斷提高，中國已建成上百座海洋石油平臺；海洋石油開采平臺建設(shè)投資巨大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，危險多，因此對于設(shè)備設(shè)施的安全性、穩(wěn)定性和可靠性要求很高。在海洋石油生產(chǎn)中，存在較多嚴苛的流體控制工況，如高壓注水壓力控制、往復(fù)式天然氣壓縮機滌氣罐液位控制、TEG脫水系統(tǒng)接觸塔液位控制等，以上工況往往具有高壓差、小流量的特點。

1 工藝參數(shù)

某海洋石油平臺撬塊工藝參數(shù)見表1所列。

2 計算與結(jié)構(gòu)選型

控制閥應(yīng)用得好壞，除產(chǎn)品質(zhì)量和用戶是否正確安裝、使用與維護外，正確的計算選型十分重要。

2.1 液位控制閥現(xiàn)狀及存在的問題

在某氣田群開發(fā)工程項目投產(chǎn)前，發(fā)現(xiàn)已完成現(xiàn)場安裝的進口TEG脫水系統(tǒng)接觸塔液位控制閥，存在如下隱患：

表1 某海洋石油平臺撬塊工藝參數(shù)

1)閥芯流速達到45 m/s，遠超ISA推薦的閥芯流速30 m/s。過高工作壓差極易使出口處產(chǎn)生高流速，從而引發(fā)整個閥門氣蝕、沖刷及高噪音，更甚者引發(fā)管道振動等危害現(xiàn)象發(fā)生，不利于整個系統(tǒng)的正常工作。該閥門選用STELLITE高強度和耐磨性材料作為內(nèi)件，這雖然能在一定程度上延長閥門使用壽命，卻不能從根本上解決問題。

2)表1中，pv值選取太小，閥門計算CV偏小，導(dǎo)致最終選取的額定CV偏小，閥門不能滿足最大流量調(diào)節(jié)的要求。

2.2 介質(zhì)成分及閥門CV值的計算

按表2所列數(shù)據(jù)，該閥門入口之前的介質(zhì)是氣液兩相，其中的氣相介質(zhì)是天然氣(甲烷、乙烷、氮氣)等，而液相介質(zhì)則是三甘醇、水、液態(tài)天然氣(異戊烷、異丁烷、正丁烷、丙烷)等其他成分，CO2溶解在三甘醇之中。

介質(zhì)流入閥門之后，由于壓力降低，CO2會從三甘醇中釋放出來，液態(tài)天然氣及溶解天然氣成分也會氣化。計算液相介質(zhì)時，所用的pv值應(yīng)該按介質(zhì)中的摩爾分數(shù)推算得出，詳見表3所列。三甘醇本身的飽和蒸氣壓很低，在該項目中不存在氣化的問題。所以，如果用三甘醇的飽和蒸氣壓作為該閥門液相介質(zhì)的pv，計算出來的CV值會偏小。選型計算中的pv是與三甘醇中CO2摩爾分數(shù)有關(guān)。

表2 介質(zhì)的具體成分及摩爾分數(shù)

按表3混合介質(zhì)物理數(shù)據(jù)分析，根據(jù)整體液相介質(zhì)的摩爾分數(shù)，綜合后得pv=0.631 MPa，氣相流量為10.5 kg/h，液相流量為1 818.5 kg/h。

表3 混合介質(zhì)物理數(shù)據(jù)分析

液位控制閥選型數(shù)據(jù)見表4所列，氣相介質(zhì)的計算CV=0.008 0；當(dāng)pv=0.631 MPa時，液相介質(zhì)計算CV=0.254 1，詳見表4選型數(shù)據(jù)表最后1列。該閥門的氣相加液相總介質(zhì)的計算CV=0.008 0+0.254 1=0.262 1。為了安全起見，在p1與p2之間選取pv=4 MPa。在pv=4 MPa的兩種工況下，計算閥門CV分別為0.304 6，0.318 0，選取額定CV=0.350 0。

2.3 多級降壓控制閥

對于液體介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)壓力低于飽和蒸汽壓時，會導(dǎo)致閃蒸現(xiàn)象的發(fā)生，從而產(chǎn)生阻塞流。根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，當(dāng)高壓差介質(zhì)流經(jīng)某阻力元件后，靜壓能與動壓能相互轉(zhuǎn)換，流速的增加會致使壓力降低。因此，增大介質(zhì)的阻力系數(shù)可實現(xiàn)控制高壓降的目的。多級降壓閥芯使得每級節(jié)流均能保證節(jié)流處壓力處于汽化壓力之上，從根本上消除氣蝕現(xiàn)象。

表4 液位控制閥選型數(shù)據(jù)

現(xiàn)給定參數(shù)的介質(zhì)工作壓差高達8.638 MPa，內(nèi)件只有采用多級降壓原理結(jié)構(gòu)，才能有效地控制閥芯出口流速，各種工況和閥芯對應(yīng)的流速分析見表5所列。

表5 各種工況和閥芯對應(yīng)的流速分析 m/s

采用吳忠儀表有限責(zé)任公司生產(chǎn)高阻抗軸向防空化的多級降壓控制閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)閥門能夠平穩(wěn)、精確地調(diào)節(jié)具有高壓力降的液體和氣體介質(zhì)，完全能夠消除傳統(tǒng)單座閥在高壓差工況調(diào)節(jié)時所帶來的空化、氣蝕、震動以及高噪音的影響。該閥門設(shè)計的固有流量特性是由多級凹口減壓閥芯和閥芯套構(gòu)成的大流量通道實現(xiàn)的，無論調(diào)節(jié)的介質(zhì)是單一的還是混合的，即使含有細小雜質(zhì)顆粒，都具有非常好的調(diào)節(jié)性能。

與多級迷宮和低噪音結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，串式減壓更適于有潛在介質(zhì)堵塞問題的海洋平臺，即使是CV值很小，也可以提供特殊的解決方案。串式多級減壓控制閥采用套筒全程導(dǎo)向，導(dǎo)向表面硬化處理，以應(yīng)對汽蝕產(chǎn)生的震動，延長使用壽命。選擇執(zhí)行機構(gòu)時滿足最大關(guān)閉壓差下，閥門能夠完全動作，并且執(zhí)行機構(gòu)輸出力按1.3倍的余量考慮。

圖1 串式減壓結(jié)構(gòu)示意

3 控制閥選型結(jié)果分析與驗證

3.1 流場數(shù)值模擬分析

將計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)引入該產(chǎn)品的整個設(shè)計過程，用以設(shè)計驗證，從而保證了閥門設(shè)計的技術(shù)含量和產(chǎn)品質(zhì)量。通過CFD技術(shù)分析開度100%時的內(nèi)部流場的速度云圖和壓力云圖，如圖2和圖3所示。

圖2 開度為100%時內(nèi)部流場速度云圖示意

通過圖2可見，進出口流速比較均勻。由于介質(zhì)流至串式閥芯里，根據(jù)連續(xù)性方程，流通面積急速下降，速度變大，此時的壓力也隨之迅速降低。

通過圖3可見，串式閥芯內(nèi)部的流體壓力均在凹口轉(zhuǎn)彎道內(nèi)逐漸下降，直至出口處壓力降到最低。流體介質(zhì)的壓力在串式閥芯里逐級降低，第一級壓降最高，第二級次之，以此類推。使每一級壓力都保持在飽和蒸氣壓以上，從根本上消除了閃蒸，避免氣蝕損壞閥內(nèi)件，從而保證了閥門在高壓差工況下的長周期可靠運行。

圖3 開度為100%時內(nèi)部流場壓力云圖示意

3.2 試驗驗證結(jié)果

按GB/T 4213—2008《氣動調(diào)節(jié)閥》 6.11規(guī)定對控制閥進行流量試驗測試，實測試驗數(shù)據(jù)詳見表6所列。由表6可知，閥門額定流量系數(shù)實測值CV為0.352 3，與規(guī)定值(即設(shè)計值CV為0.35，則KV≤5)的偏差未超過規(guī)定值的±20%，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在相對行程為10%～80%，斜率偏差均位于7%～13%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；在相對行程>80%時，斜率偏差為7.92%值時位于3%～15%內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。據(jù)此繪制的流量特性曲線圖如圖4所示。

表6 閥門流量試驗測試數(shù)據(jù)

續(xù)表6

圖4 流量特性曲線

4 結(jié)束語

采用國產(chǎn)高壓差小流量控制閥替代國外針型閥芯的控制閥，避免了采購國外品牌控制閥超長到貨期、法蘭間距不一致導(dǎo)致現(xiàn)場配管需要切割焊接壓力測試等問題，有力保證了項目質(zhì)量和進度，控制閥的穩(wěn)定運行保證了整個氣田的生產(chǎn)安全穩(wěn)定運行，取得了良好的研究應(yīng)用效果。