减压阀在大落差管道上的应用

摘要：库尔勒至鄯善输油管道采用了常温密闭输送工艺及scada系统等先进技术，是目前国内自动化水平领先的一条管道。详细介绍了自荷兰引进的rzd-rmbx型减压阀的结构、工作原理、调节特性及运行工况。该减压阀首次在国内输油管道上用于解决大落差的难题。运行一年多来，工作平稳正常，效果良好。

关键词：输油管道减压阀

1997年7月我国首次引进荷兰莫克维迪(mokveld)公司64.8mmansi600rzd-rmbx型减压阀，用于库鄯输油管道吐鲁番盆地西南部落差最大(115km内落差达1660m)的觉罗塔格山至艾丁湖减压输油段。运行一年多来，工作平稳正常，效果良好。

一、减压阀的结构及工作原理

减压阀是一种轴流式调节阀，由阀外体、阀内体、阀杆、活塞杆、活塞和笼筒组成(见图1)。

图1减压阀结构示意图

1—阀外体;2—阀内体;3—活塞杆;4—阀杆;5—活塞;6—笼筒

1、阀体

阀体包括阀外体和阀内体，是一完整的铸造体，阀的内外体之间有一轴向对称流道，见图1箭头所示处。

2、笼筒

笼筒是减压阀的关键部件，结构见图2。壁面上有许多孔洞，rzd-rmbx型减压阀选用三层笼筒，即笼筒壁面分三层，每层按一定规律分布有许多孔洞，三层壁面按一定的要求组合为一体(见图2)。

图2笼筒示意图

3、活塞杆和阀杆

活塞杆与阀杆构成一个90°的角式传动机构(见图1)，活塞借助此传动机构在导轨内沿阀门的中心线运动，活塞杆与阀杆上的45°的齿条相互耦合，阀杆上下传动，带动活塞杆及活塞在全行程上前后运动。活塞的端面上均匀分布有孔洞(见图1)，以使活塞内外压力平衡，前后运动时不受轴向压力的影响。

4、工作原理

减压阀是活塞型阀门，活塞在笼筒内被导引，节流发生在活塞边缘与笼筒的孔口之间，油流来自笼筒外，因此在笼筒层孔内油流速度很高，笼筒选用的材质高度抗腐蚀与磨蚀。减压阀有获专利的密封系统，主密封圈位于笼筒的最前端，活塞在全行程上被导引，当被推动穿过主密封圈时，阀门前后的差压强迫主密封圈紧贴活塞壁而紧密关闭阀门。活塞通过活塞杆的导引在笼筒内前后运动，阀杆借助它与活塞杆上的45°的齿条传动活塞杆，当执行机构驱动阀杆向上时，活塞向后移动，开大阀门;当执行机构驱动阀杆向下时，活塞向前移动，关小阀门。

减压阀采用了带气动阀门定位器的活塞执行机构，气源装置给执行机构提供了一定压力的压缩空气，电/气转换器把从控制室来的4～20madc信号转换为0.02～0.1mpa的标准气动信号，传输信号为电信号，现场操作为气动信号。执行机构接受控制信号转换成相应的直线位移输出，通过推杆带动阀杆上下移动，从而使阀门开度在全行程上变化。

5、性能特点

轴向对称流道。阀体采用了轴向对称流道，完全避免了优先流和不必要的流向改变，使噪音和紊流趋势明显降低。

气密级专利密封系统。减压阀具有获专利的密封系统，即使在最恶劣的工作条件下，也能在全压力范围内保证关断严密。

压力平衡。由于减压阀装配了压力平衡活塞，使得操作活塞的轴向力与阀门两端的压差无关，因此使用较小的执行机构就能达到快动的目的。

二、调节特性

减压阀的调节特性是由阀内部件的结构决定的，所谓调节特性是指流过阀门介质的相对流通能力与阀门相对开度的关系，相对流通能力是阀门某一开度时流通能力与全开时流通能力之比，相对开度是阀门某一开度与全开度之比〔1〕。减压阀的调节特性如图3所示。

从图3中可以看出，减压阀具有良好的线性调节特性，最小流量时开度约在10%处，这一点使得阀门接近关闭时工作缓和平稳，确保关断严密。在正常的可调范围内流量变化与阀门开度成线性关系。

图3减压阀特性曲线

三、减压阀在管道中的调节原理

库鄯输油管道使用了两个减压阀，并联安装在觉罗塔格减压站，其中主阀pv1001起主要调节作用，副阀pv1002起备用调节作用，库鄯输油管道一期工程水力坡降线示意图如图4所示。

图4库鄯输油管道一期工程水力坡降线示意图

从图4中可以看出减压阀的主要作用是。

(1)在减压站通过减压阀节流降压，消耗掉管道最高点至末站进站间的多余位能(p2-p3)。

(2)通过减压阀控制减压站上游管道的压力，保证高点正压运行，并避免高点至减压站管道内出现不满流现象。

(3)全线停运时，通过减压阀的严密关断，防止减压站上游出现不利于再启动的空管现象。

图4中高点与减压站处由伯努利方程得到简化后的稳定流的能量方程〔2〕：

即p2=p1+γ(z1-z2)-γ.hf

由列宾宗公式得：

(1)式中z1——高点高程，m;

z2——减压站高程，m;

p1——高点压力，pa;

p2——减压站进站压力，pa;

q——管道内原油流量，m3/s;

d——管道内径，m;

l——高点至减压站间的管道长度，m;

γ——油品相对密度，kg/m3;

ν——油品运动粘度，m2/s;

β——流态系数，取0.0246s2/m。

其中z1、z2、d、l、β、γ、ν为已知，为了保证高点正压运行，取p1为0.2mpa(设计参考值)，由式(1)中可以得出：减压站的进站压力p2随q变化而变化，q取首站出站流量。在实际运行中psp(减压站进站压力设定值)由scada系统根据实时测定的q进行计算得出，并从主机系统实时传给减压站的站控plc，由plc内的pid(比例积分微分)调节程序对减压站的上游压力p2进行控制。

当p2>psp时，pv1001开大，直至偏差e=0为止;

当p2=psp时，pv1001保持当前开度。

副阀pv1002是备用调节阀，其压力设定值为固定值，即不随管道流量变化而变化。当主阀pv1001故障关闭或流通能力不够时，副阀将自动参与调节，两阀的压力流量曲线如图5所示。

图5压力流量曲线图

由图5可看出，主阀pv1001控制上游压力随流量增大而减小，而副阀pv1002控制上游压力为一定值，但两阀出口压力(随流量的变化)相同。

四、减压阀运行工况分析

rzd-rmbx型减压阀结构独特，并首次在我国输油管道上使用，由于设计上的疏忽，减压站进站主流程上未装过滤器，加之减压阀的安装未严格按照规程执行，因此导致库鄯输油管道在输水试运期间减压阀严重受堵，流通能力减小，后经补装过滤器，并多次冲洗减压阀，运行工况才逐渐趋于正常。

通过分析主阀pv1001的两组运行数据，得出如表1所列的结果。

第一组数据中取通过流量约490m3/h，运行时间为8个月，减压阀的实际开度从99.61%降为35.36%，经过计算，实际开度与理论开度间的绝对误差从71.61%降为7.61%。第二组数据取通过流量约643m3/h，运行时间为4个月，实际开度从56.31%降为40.83%，绝对误差从23.81%降为8.03%。从表1中可以看出，减压阀随着运行时间的累计，流通能力也逐渐恢复，主要原因是减压阀在运行过程中，笼筒内的堵塞物由于受到高压原油的长期冲蚀与磨蚀而逐渐减少。以1998年3月21日与1998年8月1日的两组运行参数(见表2)为依据，对减压阀的出口压力与流量的变化进行比较。

通过比较可以看出，图6中曲线1较曲线2接近曲线3，这说明随着运行时间的累计，减压阀的运行情况将逐渐趋于正常。

根据减压阀的运行情况，提出以下建议。

(1)减压阀笼筒上的孔洞很小(φ6mm)，为保证减压阀的正常运行，减压阀前应设置合适的过滤器，并应根据情况适时清洗过滤器。

(2)由于减压阀在投产前受堵，笼筒内的堵塞物至今仍有残余，这就使得原油通过减压阀的压差相对增大，而减压阀的允许压差为6.0mpa，也即当减压阀前后压差为6.0mpa时，它的通过流量已达饱和，若超过6.0mpa，则阀内件将会受到损害，因此运行中的压差都应小于6.0mpa。

图6出口压力与流量的变化曲线

1—1998年8月1日的一组运行情况;

2—1998年3月21日的一组运行情况;

3—流量与出口压力的关系曲线

(3)减压阀的执行机构采用了气动驱动方式，保证其气源装置的正常工作就是保证减压阀的正常运行，因此对气源装置应定期进行维护和保养。另外，如果能深化减压阀的理论培训以及严格按规程施工和操作，那么其运行优势将会得到更好发挥。