氣動(dòng)控制閥自備儲(chǔ)氣罐容積計(jì)算方法

龔達(dá)樂，劉培琳，吳剛，陸地

(中國石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100085)

氣動(dòng)控制閥是流程行業(yè)中最常用的執(zhí)行元件，氣動(dòng)控制閥執(zhí)行器主要以壓縮空氣為動(dòng)力源，通過氣源推動(dòng)執(zhí)行器氣缸內(nèi)的活塞或者薄膜運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)閥門開關(guān)動(dòng)作?？刂崎y儲(chǔ)氣罐可以起到消除壓力波動(dòng)，保證氣源動(dòng)力輸出給氣動(dòng)執(zhí)行器的連續(xù)性，更為重要的是，儲(chǔ)氣罐可以作為備用動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)控制閥的故障安全位置并可以保障執(zhí)行完工藝要求的安全行程數(shù)。

1 氣動(dòng)控制閥自備儲(chǔ)氣罐的作用及工作過程

氣動(dòng)控制閥自備儲(chǔ)氣罐在以下場(chǎng)合會(huì)考慮配備： 控制閥采用雙作用的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)閥門的故障開、故障關(guān)或者故障保位的要求[1]；控制閥采用單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)氣源故障時(shí)，仍要求控制閥能夠執(zhí)行幾個(gè)行程的開關(guān)動(dòng)作；全場(chǎng)停車后(包括儀表風(fēng)撬停車)，要求保障某些氣動(dòng)控制閥依次按序執(zhí)行幾個(gè)行程開關(guān)動(dòng)作，如緊急放空閥[2]，把全場(chǎng)工藝流程/裝置切換到安全狀態(tài)。

氣動(dòng)控制閥自備儲(chǔ)氣罐給氣動(dòng)執(zhí)行器提供氣源動(dòng)力的物理過程即壓縮氣體從儲(chǔ)氣罐通過氣體管路擴(kuò)散并填充到執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸的動(dòng)態(tài)過程[3]，基于理想氣體狀態(tài)方程，假設(shè)儲(chǔ)氣罐給執(zhí)行器氣缸供氣過程為絕熱過程，即可簡化為儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮氣體驅(qū)動(dòng)閥門執(zhí)行器動(dòng)作之前和儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮氣體通過氣體管路驅(qū)動(dòng)閥門執(zhí)行器動(dòng)作一個(gè)行程達(dá)到要求的位置之后兩個(gè)穩(wěn)態(tài)過程，可以用式(1)表示：

p罐V罐=p′罐V罐+p氣路V氣路+p氣缸V氣缸

(1)

式中：p罐，V罐——初始狀態(tài)儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力和容積；p′罐——儲(chǔ)氣罐提供氣源執(zhí)行一個(gè)執(zhí)行器行程之后儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力；p氣路，V氣路——儲(chǔ)氣罐至執(zhí)行器氣缸之間氣路內(nèi)氣體壓力和容積；p氣缸，V氣缸——執(zhí)行器氣缸內(nèi)氣體的壓力和容積。

若要求儲(chǔ)氣罐提供n個(gè)行程的備用氣源，則按照式(1)迭代n次，即可表示出整個(gè)儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮氣體工作的物理過程。需要注意的是： 對(duì)于單作用執(zhí)行器，彈簧復(fù)位的故障安全行程不消耗儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮氣體，僅把執(zhí)行器氣缸內(nèi)已有的壓縮氣體排空；對(duì)于雙作用執(zhí)行器，控制閥開行程和關(guān)行程都需要消耗儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮氣體[4]，則每一次動(dòng)作都需要用式(1)表示。

因此，氣動(dòng)控制閥自備儲(chǔ)氣罐的容積主要由以下幾個(gè)因素決定： 站場(chǎng)氣源供氣至儲(chǔ)氣罐的充氣壓力即p罐，氣動(dòng)執(zhí)行器氣缸開/關(guān)行程的容積V氣缸，要求儲(chǔ)氣罐提供備用氣源執(zhí)行閥門的行程數(shù)n，以及氣動(dòng)執(zhí)行器在閥門上下游最大差壓下所需的最低驅(qū)動(dòng)壓力p氣缸最低，執(zhí)行n個(gè)行程之后需要保證p氣缸>p氣缸最低；執(zhí)行器氣路的配管容積，氣路各元件的壓損、泄漏量由于對(duì)儲(chǔ)氣罐容積的影響較小[5]，可以采用一定的修正系數(shù)或者安全系數(shù)綜合考慮，簡化計(jì)算。

2 國內(nèi)外兩種氣動(dòng)控制閥儲(chǔ)氣罐容積計(jì)算方法對(duì)比分析

2.1 《石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的計(jì)算方法

國內(nèi)對(duì)于氣動(dòng)儀表的設(shè)計(jì)普遍參考HG/T 20510—2014《儀表供氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中的要求，目前該規(guī)范中只提供了對(duì)于氣源裝置儲(chǔ)氣罐容積的計(jì)算方法，而并未包含用氣儀表自備儲(chǔ)氣罐容積的計(jì)算[6]。《石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五篇第三章節(jié)中提供了閥門用儲(chǔ)氣罐容積的計(jì)算方法[7]，如式(2)所示：

(2)

式中：V罐——儲(chǔ)氣罐容積， m3；VQ——閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)容積，m3；N——?jiǎng)幼鞔螖?shù)；p1——管網(wǎng)供氣絕對(duì)壓力，kPa；p2——執(zhí)行器最低工作絕對(duì)壓力，kPa。

通過對(duì)式(2)的分析可以推導(dǎo)出該方程是基于式(3)表示儲(chǔ)氣罐驅(qū)動(dòng)閥門一次動(dòng)作行程的物理過程：

p罐V罐=p′罐V罐+p氣缸最低V氣缸

(3)

進(jìn)而可以推斷出式(3)適用的情況需基于以下假設(shè)： 儲(chǔ)氣罐與執(zhí)行器之間的氣路上設(shè)置有減壓閥，減壓閥設(shè)定值為執(zhí)行器最低工作壓力(假設(shè)1)；執(zhí)行器氣路中不存在泄氣、漏氣、耗氣裝置(假設(shè)2)；氣路管線容積忽略不計(jì)(假設(shè)3)。

因此，實(shí)際項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)中若采用該計(jì)算方法，需要考慮以下幾個(gè)因素： 執(zhí)行器氣路需要符合假設(shè)1；需要在式(3)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮一定的修正系數(shù)來對(duì)假設(shè)2，假設(shè)3的簡化進(jìn)行補(bǔ)償，具體值可以根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)考慮；需要在式(3)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮一定的安全系數(shù)，滿足工程設(shè)計(jì)裕量的要求，具體值可以由設(shè)計(jì)方和業(yè)主商定。

2.2 SHELL DEP S36.701中的計(jì)算方法

SHELL DEP全稱SHELL DESIGN AND ENGINEERING PRACTICE,為殼牌全球解決方案國際公司，根據(jù)殼牌集團(tuán)在全世界各地工程建設(shè)領(lǐng)域參與設(shè)計(jì)、建造、操作和維護(hù)期間所獲得的經(jīng)驗(yàn)，并且適當(dāng)參考國際、區(qū)域、國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而制定出版的設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)，旨在為殼牌公司在石油天然氣生產(chǎn)、天然氣處理、煉油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用的良好設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐制定標(biāo)準(zhǔn)，從而有助于從標(biāo)準(zhǔn)化中獲得效益最大化。該標(biāo)準(zhǔn)在歐美石油公司主導(dǎo)的海外油氣田項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用[8]。

SHELL DEP S36.701標(biāo)準(zhǔn)圖集[8]中提供了控制閥用儲(chǔ)氣罐容積的計(jì)算方法，如式(4)所示：

(4)

式中：V罐min——儲(chǔ)氣罐最小容積；s——安全系數(shù)，默認(rèn)值為1.25；α——考慮到電磁閥和執(zhí)行器之間的管道和管件額外容積的修正系數(shù)，默認(rèn)值為1；pact,min——執(zhí)行機(jī)構(gòu)在閥門上游最大壓力和下游最小壓力下驅(qū)動(dòng)閥門所需的最小氣源壓力(表壓)；b——要求閥門全行程數(shù)，從閥門關(guān)閉位置開始，默認(rèn)值為3；Vact——執(zhí)行器活塞克服彈簧作用完成一個(gè)行程所需要的氣量；pIA, min——?dú)庠垂芫€最小供氣壓力(表壓)；ΔpNRV——打開一個(gè)儲(chǔ)氣罐上游止回閥所需消耗的壓降。

該規(guī)范規(guī)定了以下注意事項(xiàng)規(guī)范儲(chǔ)氣罐的氣路設(shè)計(jì)：

1)氣源管線需要通過1個(gè)過濾器供氣到儲(chǔ)氣罐。

2)應(yīng)安裝2個(gè)止回閥，以防止在氣源故障的情況下氣體從儲(chǔ)氣罐倒流。止回閥應(yīng)是球型或提升型，安裝在流向朝上的垂直管線上。

3)儲(chǔ)氣罐氣源入口需在儲(chǔ)氣罐側(cè)邊，氣源出口需在儲(chǔ)氣罐頂部。不允許合并氣源入口和氣源出口。

4)儲(chǔ)氣罐需要提供氣瓶內(nèi)壓力低報(bào)警，報(bào)警值設(shè)定在需要執(zhí)行若干個(gè)閥門行程所需的最低罐內(nèi)壓力。一個(gè)全行程包括開和關(guān)兩個(gè)動(dòng)作。

5)儲(chǔ)氣罐最低處需提供一個(gè)排凝設(shè)施，以便清除任何積聚的液體。

6)如果閥門和對(duì)應(yīng)儲(chǔ)氣罐不能離線進(jìn)行維護(hù)，則儲(chǔ)氣罐的設(shè)計(jì)應(yīng)包括一個(gè)雙隔離和排放閥，以驗(yàn)證止回閥的運(yùn)行狀態(tài)。

7)只有在設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的情況下，才需要在儲(chǔ)氣罐上安裝安全閥。

8)應(yīng)避免在止回閥下游安裝諸如調(diào)壓閥之類的放氣裝置。如果使用它們，它們的排氣率應(yīng)包括在計(jì)算中。

9)該計(jì)算是基于沒有安裝調(diào)壓閥來限制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣源壓力的假設(shè)。

10)該計(jì)算是基于緩沖容器內(nèi)的空氣膨脹是絕熱的假設(shè)。

通過對(duì)式(4)的分析并結(jié)合以上注意事項(xiàng)可以推導(dǎo)出基于式(5)表示儲(chǔ)氣罐驅(qū)動(dòng)閥門一次動(dòng)作行程的物理過程：

p罐V罐=p′罐V罐+p′氣路V′氣路+p罐V氣缸

(5)

其中，p′氣路V′氣路是通過α修正計(jì)算，同時(shí)p′罐考慮了氣瓶入口的止回閥的壓降，并且執(zhí)行一次行程之后執(zhí)行器氣缸內(nèi)的壓力按照行程前儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力考慮。若儲(chǔ)氣罐需要滿足n次行程的需要，則通過n次式(5)的迭代計(jì)算，得到最終SHELL DEP S36.701中的計(jì)算方程式。

從SHELL DEP S36.701給出的該公式應(yīng)用的注意事項(xiàng)以及表示氣動(dòng)執(zhí)行器一次行程前后氣體狀態(tài)的基本方程式(5)可以看出，該計(jì)算公式存在的特點(diǎn)： 因?yàn)镾HELL DEP S36.701作為殼牌公司制定的企業(yè)規(guī)范，比一般性的國際規(guī)范要求更為嚴(yán)苛，所以計(jì)算中的很多假設(shè)都更為全面和保守，對(duì)于某些業(yè)主來說可能會(huì)增加成本；規(guī)定了氣源入口至儲(chǔ)氣罐之間需要設(shè)置2個(gè)止回閥，這也與API 553[9]中的要求一致；提供的計(jì)算公式只適用于沒有安裝減壓閥來限制到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣源壓力的情況，這也符合SHELL DEP 32.36.01.18[10]對(duì)氣動(dòng)開關(guān)閥執(zhí)行器氣路的要求，只在特定情況下才考慮減壓閥。

2.3 兩種方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

以某油氣項(xiàng)目中使用的單作用氣動(dòng)開關(guān)閥(對(duì)于雙作用氣動(dòng)開關(guān)閥，開關(guān)行程都需要消耗氣量)及其對(duì)儲(chǔ)氣罐的要求為例，要求儲(chǔ)氣罐提供2個(gè)全行程的備用氣源，氣源供氣壓力為600 kPa,執(zhí)行器最小動(dòng)作壓力為400 kPa,安全系數(shù)都取1.25 ，止回閥差壓取10 kPa。分別采用上述兩種計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表1所列。

表1 兩種方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表1中，儲(chǔ)氣罐容積(1)為采用《石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的公式計(jì)算得出的結(jié)果；儲(chǔ)氣罐容積(2)為采用SHELL DEP S36.701中公式得出的計(jì)算結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果可以清晰地看出，SHELL DEP推薦的公式計(jì)算出的儲(chǔ)氣罐容積更大。

3 結(jié) 論

通過對(duì)國內(nèi)外常用的兩種氣動(dòng)控制閥自備儲(chǔ)氣罐容積計(jì)算方法的分析與對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1)實(shí)際工程項(xiàng)目中，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目需求以及實(shí)際氣路設(shè)置，氣路中是否存在減壓閥、止回閥、安全閥等泄壓減壓裝置，決定采用哪種計(jì)算公式或者對(duì)手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)中的公式進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如引入修正系數(shù)、安全系數(shù)，以適應(yīng)實(shí)際項(xiàng)目的要求。

2)影響氣動(dòng)控制閥自備儲(chǔ)氣罐容積的因素，除了第一章所述的幾個(gè)常規(guī)因素外，不能忽略執(zhí)行器的氣路配置： 氣路中是否存在減壓閥、止回閥、安全閥等泄壓減壓裝置。這些配置的不同會(huì)影響到氣動(dòng)執(zhí)行器一個(gè)行程前后氣體物理狀態(tài)方程，進(jìn)而影響計(jì)算結(jié)果。

3)若選用《石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)》中提供的公式計(jì)算，因?yàn)樵摴綄?duì)實(shí)際過程進(jìn)行了簡化，所以在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，建議考慮一定的安全系數(shù)，比如1.2～1.8，作為設(shè)計(jì)裕量，以及修正系數(shù)，比如1.1～1.3，修正溫度、壓力，管路系統(tǒng)泄漏量，具體數(shù)值由設(shè)計(jì)單位酌情選定[3]。