成品油汽車裝車系統(tǒng)裝車控制閥的選型和應(yīng)用

姬玲君

（中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071）

隨著經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的發(fā)展，一卡通定量裝車系統(tǒng)越來(lái)越成熟，原來(lái)老式的手動(dòng)裝車逐漸改造升級(jí)為一卡通定量裝車。目前，新建裝車項(xiàng)目基本上都實(shí)現(xiàn)了一卡通自動(dòng)定量裝車。在實(shí)現(xiàn)一卡通自動(dòng)定量裝車后，對(duì)裝車輛的精確控制要求也越來(lái)越高，裝車控制閥作為汽車裝車系統(tǒng)中的主要控制對(duì)象，對(duì)閥門的選用也越來(lái)越重要。本文簡(jiǎn)單闡述了裝車控制閥的選用、使用場(chǎng)合和注意事項(xiàng)等內(nèi)容。

1 裝車流程

以某項(xiàng)目為例，汽車裝車控制方案為：定量裝車系統(tǒng)采用DCS+批量控制器進(jìn)行集中-分布式控制?，F(xiàn)場(chǎng)每個(gè)裝車鶴管設(shè)有批量控制器、質(zhì)量流量計(jì)、裝車控制閥、防靜電溢油控制器、讀卡器、防爆顯示器、歸位開(kāi)關(guān)、防護(hù)道閘、現(xiàn)場(chǎng)防爆按鈕、可燃有毒氣體檢測(cè)器等。批量控制器采集流量、防靜電、溢油、IC 卡等信號(hào)，控制裝車控制閥，通過(guò)通訊模式與DCS 系統(tǒng)進(jìn)行通訊。批量控制器可通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定裝車量，也可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定裝車量。防爆顯示器通過(guò)通訊模式與批量控制器通訊，顯示實(shí)際裝車量。裝車過(guò)程中的一切報(bào)警及操作內(nèi)容均由操作站自動(dòng)記錄，DCS 操作站自動(dòng)整理、存儲(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)等管理報(bào)表。

該項(xiàng)目的油品裝車基本生產(chǎn)程序如下（見(jiàn)圖1）：

圖1 裝車流程Fig.1 Loading process

1）司機(jī)在批量控制器上刷IC 卡，批量控制器讀取IC卡的信息，驗(yàn)證是否允許裝車。批量控制器會(huì)顯示刷卡的狀態(tài)，讀取裝車信息，并下載到批量控制器，批量控制器獲得預(yù)裝量。

2）司機(jī)觸摸人體靜電球，把車鑰匙放到鑰匙管理器里面，把鶴管連接到槽車，連接防靜電溢油控制器等安全聯(lián)鎖設(shè)備。

3）司機(jī)確認(rèn)所有連接無(wú)誤后，按啟動(dòng)開(kāi)始裝車。

4）批量控制器根據(jù)裝車信息，打開(kāi)閥門，讀取流量計(jì)數(shù)據(jù)，開(kāi)始監(jiān)控裝車。

在批判性分析邏輯經(jīng)驗(yàn)主義者“公認(rèn)觀點(diǎn)”的基礎(chǔ)上，蘇佩斯則開(kāi)創(chuàng)了一種基于“集合論模型”的語(yǔ)義進(jìn)路來(lái)對(duì)科學(xué)理論加以闡釋，后經(jīng)過(guò)薩普（F. Suppe）、范·弗拉森（B. C. van Fraassen）以及史納德（J. D. Sneed）等人的發(fā)展，該進(jìn)路逐漸形成一種語(yǔ)義模型，成為一種新的“公認(rèn)觀點(diǎn)”。盡管其理論存在一定的困境與挑戰(zhàn)，但對(duì)于我們對(duì)科學(xué)理論的深入探討和把握具有重要的價(jià)值和意義。

5）裝車開(kāi)始，批量控制器控制裝車控制閥，按小開(kāi)度打開(kāi)裝車控制閥，同時(shí)給出啟泵信號(hào)，進(jìn)入第一段小流量裝車。根據(jù)流量大小或延時(shí)一定時(shí)間后批量控制器給裝車控制閥全開(kāi)信號(hào)，閥門全開(kāi)。裝車過(guò)程中，質(zhì)量流量計(jì)將流量信號(hào)送至批量控制器，批量控制器顯示瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給控制室裝車監(jiān)控站和現(xiàn)場(chǎng)防爆顯示器。當(dāng)將要達(dá)到剩余接近提前量后，批量控制器發(fā)出第一段關(guān)閥信號(hào)，使閥門關(guān)到一定小開(kāi)度，根據(jù)流量大小或延時(shí)一段時(shí)間，進(jìn)行小流量控制。當(dāng)達(dá)到最后一段關(guān)閥設(shè)定量后，批量控制器發(fā)出裝車結(jié)束信號(hào)，關(guān)閉閥門，發(fā)出停泵信號(hào)。當(dāng)裝車完成后，司機(jī)收好鶴管，將API 插頭歸位完成設(shè)備歸位，取出車鑰匙，等待道閘放行后過(guò)磅離場(chǎng)。

從以上裝車流程可以看出，控制閥是汽車裝車流程中的主要控制對(duì)象，是否能夠保證定量裝車系統(tǒng)的整體穩(wěn)定，裝車控制閥選用和控制至關(guān)重要。若對(duì)裝車控制閥進(jìn)行多段控制，可提高控制精度，如快到預(yù)裝量時(shí)，可以提前對(duì)閥門進(jìn)行關(guān)小，待達(dá)到預(yù)裝量時(shí)，閥門關(guān)閉，可以使裝車流程更穩(wěn)定。

2 裝車控制閥

定量裝車系統(tǒng)主要是通過(guò)流量精確控制裝車控制閥實(shí)現(xiàn)的定量裝車。汽車裝車項(xiàng)目中比較常見(jiàn)的裝車控制閥一般有：兩位式開(kāi)關(guān)閥、數(shù)控電液閥、氣動(dòng)多段式裝車閥、V型調(diào)節(jié)球閥[1]。

2.1 數(shù)控電液閥

數(shù)控電液閥在油品裝車項(xiàng)目上已經(jīng)使用很廣泛，詳細(xì)的工作原理在此不再贅述。批量控制器通過(guò)控制數(shù)控電液閥的常開(kāi)電磁閥和常閉電磁閥的通電和斷電，將閥門的開(kāi)度控制在需要的位置，可根據(jù)批量控制器的計(jì)算和不同的裝車階段，對(duì)裝車控制閥進(jìn)行多級(jí)控制，對(duì)介質(zhì)流量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)定量裝車。

數(shù)控電液閥不需要外接氣源、液壓系統(tǒng)等，由工藝介質(zhì)作為動(dòng)力源，安裝簡(jiǎn)單。無(wú)論是油庫(kù)還是煉油廠，不需要考慮外配設(shè)施。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)球閥的開(kāi)度，可以調(diào)整閥門的開(kāi)關(guān)時(shí)間。同時(shí)，通過(guò)批量控制器對(duì)電液閥進(jìn)行多級(jí)控制，都能有效地消除水擊現(xiàn)象[2]。

由電液閥工作原理可知，若粘度較大，易結(jié)晶的工藝介質(zhì)流經(jīng)導(dǎo)管時(shí)容易堵塞，所以電液閥可用于輕質(zhì)油品，不適合用在重質(zhì)油品場(chǎng)合。同時(shí)在液化氣裝車時(shí)也應(yīng)慎用，因?yàn)橐夯瘹馊菀讱饣?，造成管道振?dòng)等。

電液閥是根據(jù)工藝介質(zhì)作為驅(qū)動(dòng)力的，不同的項(xiàng)目、不同的介質(zhì)管路壓力都不相同，所以在批量控制器進(jìn)行多段控制時(shí)，每一段控制的時(shí)間參數(shù)需進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，選擇一個(gè)或多個(gè)合適的開(kāi)關(guān)控制時(shí)間。

2.2 兩位式開(kāi)關(guān)閥

兩位式開(kāi)關(guān)閥一般有氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥、電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥兩類，氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥用于有氣源的項(xiàng)目中，電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥一般用于沒(méi)有氣源，工藝介質(zhì)又不適合用數(shù)控電液閥的工況。兩位式開(kāi)關(guān)閥在裝車控制中相對(duì)簡(jiǎn)單，但是因開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間比較快，容易出現(xiàn)水擊現(xiàn)象。在氣路管線上增設(shè)減速器，可適當(dāng)增加閥門的開(kāi)關(guān)時(shí)間，在裝車泵與裝車鶴管距離較近時(shí)可選擇使用，但是裝車泵與裝車鶴管距離較遠(yuǎn)時(shí)，增加減速器的作用并不太顯著，所以在選型時(shí)需要特別注意、慎用，一般不用。

2.3 氣動(dòng)多段式裝車閥

氣動(dòng)多段式裝車閥可實(shí)現(xiàn)兩段開(kāi)兩段關(guān)、三段開(kāi)三段關(guān)等功能。每一段開(kāi)、關(guān)閥的開(kāi)度可控，可以控制流量。開(kāi)關(guān)閥的時(shí)間可調(diào)，盡可能地避免水擊現(xiàn)象[3]。

三段式開(kāi)關(guān)閥是由3 個(gè)電磁閥來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)三段開(kāi)三段關(guān)，例如全關(guān)→30%開(kāi)度→60%開(kāi)度→100%全開(kāi)，100%全開(kāi)→60%開(kāi)度→30%開(kāi)度→0%全關(guān)。其中，30%、60%開(kāi)度可調(diào)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確的控制流量，提供定量裝車的整體控制精度。

2.4 V型調(diào)節(jié)球閥

V 型調(diào)節(jié)球閥可根據(jù)廠區(qū)或油庫(kù)內(nèi)的公用工程配備情況，選用氣動(dòng)調(diào)節(jié)球閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥。當(dāng)有氣源時(shí)，優(yōu)先選用氣動(dòng)調(diào)節(jié)球閥；當(dāng)無(wú)氣源時(shí)，可選用電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥。

目前項(xiàng)目中，當(dāng)選用調(diào)節(jié)閥時(shí)，多數(shù)也是開(kāi)環(huán)控制。在批量控制器內(nèi)設(shè)定閥門開(kāi)度，并未根據(jù)流量計(jì)信號(hào)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行閉環(huán)控制[4]。

3 裝車控制閥選型及注意事項(xiàng)

選用數(shù)控電液閥，可以實(shí)現(xiàn)閥門多段式控制，對(duì)流量進(jìn)行精確控制，提高定量裝車系統(tǒng)的控制精度。但由工作原理限制，數(shù)控電液閥不能用于重質(zhì)油品。數(shù)控電液閥的控制對(duì)象為兩個(gè)電磁閥，信號(hào)電纜為一根四芯的信號(hào)電纜。

數(shù)控電液閥的驅(qū)動(dòng)力為工藝介質(zhì)，上下游壓力的波動(dòng)對(duì)電液閥的控制影響較大。當(dāng)一臺(tái)裝車泵為多個(gè)裝車鶴管服務(wù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一臺(tái)大揚(yáng)程的裝車泵運(yùn)行，但僅有一個(gè)裝車鶴管投用。這樣最高壓力和最低壓力在最大流速的比值就會(huì)過(guò)大，閥門的控制就會(huì)受到影響。所以，當(dāng)一臺(tái)裝車泵控制多個(gè)鶴管同時(shí)裝車的工況下，選用數(shù)控電液閥應(yīng)注意。若裝車泵為變頻泵時(shí)，可以適當(dāng)避免壓力波動(dòng)大的情況，結(jié)合裝車批量控制器和裝車泵出口壓力的參數(shù)，綜合考慮，理論上可以正常選用數(shù)控電液閥。但是在調(diào)試過(guò)程中會(huì)相對(duì)復(fù)雜一些，所以建議一臺(tái)泵對(duì)應(yīng)多套裝車鶴管時(shí)特別注意。另外在安裝時(shí)，需要先把閥套內(nèi)的空氣排空，否則會(huì)影響閥門的控制[5]。

選用氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，只能控制閥門的開(kāi)、關(guān)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)流量的精確控制，同時(shí)容易造成水擊，但是閥門成本相對(duì)其它控制方案較低。氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的控制對(duì)象為一個(gè)兩位三通電磁閥，反饋有開(kāi)和關(guān)回訊，信號(hào)電纜為一根兩芯的電纜用于電磁閥，兩根兩芯的信號(hào)電纜用于回訊開(kāi)關(guān)。電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的控制對(duì)象為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要兩根四芯的電纜分別用于開(kāi)、關(guān)閥控制和開(kāi)、關(guān)閥位回訊信號(hào)，同時(shí)需要一根電源線用于外供的380VAC 電源。

選用氣動(dòng)多段式閥門，可以對(duì)閥門進(jìn)行多段式控制，可用于各種油品，但是相對(duì)數(shù)控電液閥，需要外接氣源作為驅(qū)動(dòng)力，但是調(diào)試比數(shù)控電液閥要簡(jiǎn)單；氣動(dòng)多段式閥門的控制對(duì)象為兩個(gè)兩位三通電磁閥，狀態(tài)反饋有開(kāi)和關(guān)回訊，信號(hào)電纜為兩根兩芯的電纜用于電磁閥，兩根兩芯的信號(hào)電纜用于回訊開(kāi)關(guān)。

不同廠家的多段式閥門小開(kāi)度設(shè)置位置不同，有的廠家兩段式閥門小開(kāi)度常規(guī)設(shè)置在50%，有的設(shè)置在20%、30%等，建議在出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表時(shí)，提出最小開(kāi)度要求，避免閥門供貨商最小開(kāi)度設(shè)置過(guò)大，造成最終使用效果不理想。

選用調(diào)節(jié)閥，可以對(duì)流量進(jìn)行精確控制，但泄漏等級(jí)方面不如其它幾種閥門類型。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制對(duì)象為閥門定位器，信號(hào)類型為4mA ～20mA+Hart，信號(hào)電纜為一根兩芯的電纜。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制對(duì)象為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要兩根兩芯的電纜分別用于開(kāi)閥控制和閥位反饋信號(hào)，同時(shí)需要一根電源線用于外供的380VAC 或220VAC 電源。

以上幾類裝車控制閥，數(shù)控電液閥可以安裝在垂直管道上，相應(yīng)節(jié)約安裝空間。其它幾種控制閥均不建議安裝在垂直管線上，首選在水平管線上安裝。

4 水擊

在裝車過(guò)程中或裝車結(jié)束時(shí)，若閥門突然快速關(guān)閉，會(huì)出現(xiàn)“水擊現(xiàn)象”。若水擊壓力過(guò)大，會(huì)造成裝車管線上壓力超高，超過(guò)管道的設(shè)計(jì)壓力，甚至可能超過(guò)3 倍以上，管道出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)，同時(shí)伴有噪音。因水擊壓力與管道的長(zhǎng)度成正比，所以當(dāng)裝車泵與裝車場(chǎng)之間管道距離較長(zhǎng)時(shí)，水擊現(xiàn)象會(huì)普遍出現(xiàn)，所以在汽車裝車設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意裝車控制閥的關(guān)閉時(shí)間不能過(guò)快，盡可能地降低水擊壓力。

“水擊”分為直接水擊和間接水擊[6]。

若需要選擇合適的閥門關(guān)斷時(shí)間，首先需要計(jì)算出管道的直接水擊壓力和間接水擊壓力，而計(jì)算水擊壓力首先需要計(jì)算出水擊水頭。

1）直接水擊水頭

2）間接水擊水頭

式（1）、 式（2） 中：Hd—— 直接水擊水頭，m；Hi——間接水擊水頭，m；L——管道長(zhǎng)度，m；Vo——閥門前水的流速，m/s；Tt——水擊相時(shí)，s；Tg——關(guān)閉閥門時(shí)間，s；g——重力加速度，m/s2；C——水擊傳播速度，m/s；K——介質(zhì)的體積單行模數(shù)，KN/m2；D——管道管徑，m；E——管道材質(zhì)縱向彈性模數(shù)，KN/m2；e——管壁壁厚，m；ρ——介質(zhì)密度。

為消除裝車過(guò)程中出現(xiàn)“水擊”現(xiàn)象，裝車控制閥的選型尤為重要。某柴油汽車裝車改造項(xiàng)目，原項(xiàng)目為手動(dòng)控制氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)，改造為一卡通定量裝車，裝車控制閥利舊原氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥。在項(xiàng)目試運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)裝車控制閥關(guān)閉后，工藝管道上壓力已接近于管道的設(shè)計(jì)壓力。經(jīng)查找原因，因裝車泵距離裝車設(shè)施大約2000m，且閥門關(guān)閉時(shí)間太快，造成“水擊”現(xiàn)象，水擊壓力太大，存在嚴(yán)重的安全隱患。

經(jīng)計(jì)算，該柴油管道直接水擊壓力為1.47MPa，若將閥門的關(guān)斷時(shí)間調(diào)整為3.5s 以上時(shí)，可消除直接水擊。

間接水擊的壓力增量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1 計(jì)算顯示，該柴油管道在閥門關(guān)斷時(shí)間為15s時(shí)，間接水擊的增壓為0.33MPa；加上泵揚(yáng)程60m，核算該柴油裝車時(shí)的總壓為0.83MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到管道的設(shè)計(jì)壓力。綜合考慮，該項(xiàng)目最終將閥門更換為氣動(dòng)多段式直通球閥。

5 結(jié)論

目前汽車裝車控制方案均為定量裝車，若要提高控制精度，需要各專業(yè)綜合考慮。例如，裝車限定流量需要根據(jù)上游流量計(jì)的選型情況、裝車泵出口壓力、經(jīng)驗(yàn)等提前在批量控制器中設(shè)定好。選擇一臺(tái)合適的控制閥更能直接地影響裝車的穩(wěn)定性、精確度。本文根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目簡(jiǎn)單分析了裝車流程中常用控制閥的使用工況及注意事項(xiàng)，供廣大工程設(shè)計(jì)人員和施工、維護(hù)人員參考。