梭式結構智能管道保護裝置＊

陳 崑 黃競躍 邱小平 曾祥煒

(四川大學制造科學與工程學院1)成都 610065) (四川省科學技術協會2) 成都 610041) (西南交通大學物流學院3)成都 610031)

0 引 言

管道運輸作為5大運輸手段之一,已成為工業國家的主動脈.然而,人類還不能完全掌握其規律、控制其產生的危害,偶爾的事故也會給人類帶來災害,其中管道爆破就是最嚴重的一種事故.研究發現,動力源的可靠性是難以保證的.其實,管道輸送中管道及其輸送的介質就傳遞著流體信息、表達流體變化,就是傳遞控制能量最直接、最真實、最可靠的載體,它比任何模擬、虛擬更準確.

非能動控制技術無需任何附加的能源,無需昂貴而復雜的控制(SCADA)系統,能夠適應沙漠、河流、海洋、森林、冰雪等惡劣的自然條件,比附加電機、壓力油罐、柴油動力,燃氣輪機發電的操作系統要簡單可靠得多.它以管道和輸送的介質為工程的根本,將其作為控制調節的基礎,先后解決了一系列管道技術難題[1].

1 差流可調梭閥

基于梭式系列技術的關鍵基本元件——差流可調梭閥,是梭式系列元件的基礎.其技術條件、動作原理及功能如下.

1)技術條件,見表1所列.

表1 差流可調梭閥的技術條件

2)動作原理,如圖1所示.

圖1 差流可調梭閥的動作原理

3)差流可調梭閥多種功能(表2) 差流可調梭閥利用其兩端壓差而具備的智能雙向調節功能,極大地改觀了現有閥門僅有的單向調節功能,為密閉管道控制的簡化提供了新型基礎元件,而其對稱性結構也具有更好地改善流體性能,可實現全方位的任意安裝,既提高可靠性又降低了 成本.

表2 差流可調梭閥的功能

2 梭式爆破保護裝置的設計與實驗

梭式爆破保護裝置利用管道爆破瞬間流速的突變,引起保護裝置兩端壓差的突變,實現緊急切斷.該裝置可以判斷正常流量的增加和管道爆破的突增.通過多年摸擬試驗和工業運用試驗,管道爆破值的認定和整定,可以根據工況的實際情況,試驗確定.

為防止關閉管道過快而引起的再爆破,特為該裝置增加緩閉功能,從而保證管道爆破保護的可靠性.在研制過程中,先后設置了緩沖器、調節器,把裝置關閉時壓力升高控制在許可范圍,由此設計了A,B,C,D 4種結構分別進行試驗、選擇[2-3].

1)A型梭式管道爆破保護裝置 其結構形式見圖2.閥芯內設有緩沖器,當閥芯關閉時可以減緩關閉時間.該結構利用閥芯內的緩沖器減緩閥瓣關閉速度,使水擊產生的壓力降到最低點.圖3為其水擊壓力波形圖.

2)B型梭式管道爆破保護裝置 其結構形式見圖4.該結構在閥體留有泄壓孔,由閥前向閥后泄壓,中間連接一個調節閥,泄壓后自動關閉,當閥芯關閉時,瞬時壓力突然增高,而通過泄壓孔泄出部分壓力(調節閥泄壓滯后3s后自動關閉),使水擊產生的壓力降低一部分.圖5為其水擊波形圖.

圖2 A型結構示意圖1-閥體;2-閥芯;3-緩沖器

圖3 A型保護裝置水擊壓力波形圖流速v=1.4 m/s;水擊壓力Δp=0.05 MPa

3)C型梭式管道爆破保護裝置 其結構形式見圖6.該結構綜合前2種結構形式,又增加了過渡帶,在閥座增加了反向流,緩閉閥芯關閉運動速度,同時又能通過閥體泄壓孔泄掉一部分壓力,使產生的水擊壓力降到最低點.圖7為其水擊壓力波形圖.

圖6 C型結構示意圖1-閥體;2-調節器;3-閥芯;4-泄壓孔;5-緩沖器

圖4 B型結構示意圖1-閥體;2-調節器;3-閥芯;4-泄壓孔

圖5 B型保護裝置水擊壓力波形圖流速v=1.4 m/s;水擊壓力Δp=4.55 MPa

圖7 C型保護裝置水擊壓力波形圖流速v=1.4 m/s,水擊壓力Δp=0.005 MPa

4)D型梭式管道爆破保護 其裝置結構見圖8.閥芯內未設緩沖器,閥體上未設泄壓孔,中間未接調節器.關閉迅速,但壓力升高突增,不安全.圖9為其水擊壓力波形圖.

5)試驗結果分析

圖8 D型結構示意圖1-閥體;2-閥芯

圖9 D型保護裝置水擊壓力波形圖流速v=1.22 m/s;水擊壓力Δp=7.3 MPa

(1)正常運行時流量變化很小 設定爆破保護流量值為35 m3/h,試驗結果如表3所列,該數據表明：流量值設定后,其變化范圍在0%～3%之內,誤差小于3%.

(2)C型結構最合理 除A,B,C型結構外,為了對照,也將D型(無緩閉和無泄壓)結構投入了水擊試驗,由4種水擊壓力波形曲線,獲得的參數列于表4.

表3 爆破保護流量值試驗結果

其中：p1保護裝置進口壓力;p2保護裝置出口壓力;Q保護裝置流量值.

表4 梭式爆破保護裝置水擊試驗結果

從表2中可以看出C型(緩閉、泄壓結構)形式產生水擊壓力最小.D型進口前(無緩閉泄壓結構)形式水擊最大,對輸送管道產生破壞作用,必須采用緩閉和泄壓結構形式才能滿足使用要求.

3 梭式爆破保護裝置的應用

3.1 利用經放大的本體介質驅動主閥

為適應大型閥的控制、管理,建立最新系統,改造傳統系統,需：(1)適應SCADA,DCS,VSAT等系統;(2)適應當今已經成熟、標準規范的現有大型執行元件,如蝶閥、球閥、閘閥;(3)適應和改造現有的系統,在保持現有工藝系統不變、控制主閥體不變的情況下提高可靠性和調節精度.據此,利用經放大的本體介質驅動大型閥門實現管道爆破保護系統[4-6]原理如圖10所示.

圖10 非能動管道爆破保護系統

3.2 利用本體介質驅動通球自控主閥

本發明除考慮管道爆破保護外,還要能與自動化系統結合通過自控系統操作主閥,清潔球通過,如圖11所示.它能做到清潔球到達和離開的主閥自動啟閉,利用介質運載的指揮器隨機自動啟閉主閥控制[7].

圖11 非能動管道通球爆破保護系統

3.3 與現代控制系統集成

該裝置可利用原有的通訊系統、伺服調節系統實現在線無級調節.也可與衛星系統(VSAT)、智能化集中控制系統(SCADA)等結合成現代的綜合控制系統,如圖11示.它能做到當爆破發生時,可利用遠距離采集的數據實時地找出爆破點,并實施控制.

圖12 非能動管道爆破保護系統與SCADA的集成

4 結 束 語

梭式系列控制技術,強調了非能動控制,為不同的自然條件,不同的介質要求,不同的安全級別和可靠性的要求,提供了有效、節能、價廉、可靠性高的流體自動化控制體系.本技術不具排它性,可以根據輸送系統的要求,與其他控制體系結合形成有效的體系.梭式系統控制技術系統及其新型的基本控制元件,不僅適合密閉管道的遠距離輸送,而且為石油、化工、供水、發電、航空及核電等系統提供了新技術思想和新的控制元件.

[1]陳 崑,曾祥煒,姚 進.壓力管道梭式非能動控制系統.制造業自動化,2008,2：72-74.

[2]徐合力,蔣炎坤.彎曲輸流管道流固耦合流動特性研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2008, 32(2)：343-347.

[3]曾祥煒,黃首一,高樹藩,等.梭式管道爆破保護裝置的動態特性[J].油氣儲運,1999,18(1)：30-34.

[4]曾祥煒.非能動控制梭式管道爆破保護裝置.中國, 1419640[D].2004-01-15.

[7]曾祥煒.非能動控制梭式通球管道爆破保護裝置.中國,1419643[P].2004-01-15.

[6]Zeng Xiangwei,Qiu Xiaoping,Huang Huang,et al. Shuttle-type passive control system for pressure pipeline conveying[C]//Proc.8th Conference on Systemics,Cybernetics and Informatics,2004,8：446-451.

[6]Zeng Xiangwei,Chen Kun,Qiu Xiaoping,et al.The burst protectors for the pressure pipeline in shuttletype passive control system[C]//Proc.9th Conference on Systemics,Cybernetics and Informatics, 2005,(2)：403-407.