密閉輸送管道梭式非能動(dòng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的保護(hù)特點(diǎn)

1元控制的應(yīng)用管道運(yùn)輸是工業(yè)國(guó)家的中心動(dòng)脈。20世紀(jì)以來,全世界的管道運(yùn)輸迅猛發(fā)展,至今已有數(shù)百萬(wàn)公里的煤、油、氣、水、礦石和化學(xué)原料運(yùn)輸管道,并且以每年4萬(wàn)公里以上的速度遞增。運(yùn)行方式也由敞開式發(fā)展到密閉輸送式?？刂品绞接扇斯卧刂瓢l(fā)展到衛(wèi)星通訊系統(tǒng)(VSAT)與智能化集中控制(SCADA)相結(jié)合的現(xiàn)代體系。密閉輸送流程的全線是一個(gè)連續(xù)的水力系統(tǒng),系統(tǒng)中任何一點(diǎn)的壓力波動(dòng)都將引起系統(tǒng)的變化。因此,任何設(shè)計(jì)都要考慮整體和自動(dòng)化。密閉輸送的最大特點(diǎn)是節(jié)能和可靠性高,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但技術(shù)上難以解決的問題是密閉連續(xù)條件下管道運(yùn)行中產(chǎn)生的水擊。梭控調(diào)節(jié)系統(tǒng)為解決這些問題提供了有效方法。該系統(tǒng)無需任何附加的能源及昂貴而復(fù)雜的控制(SCADA)系統(tǒng),能夠適應(yīng)沙漠、河流、海洋、森林和冰雪等惡劣的自然條件。比附加電機(jī)、壓力油罐、柴油動(dòng)力和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。本發(fā)明已獲中、美、日、法和加等多國(guó)發(fā)明專利,并獲得1998年國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)。目前已擁有相關(guān)基礎(chǔ)元件專利34項(xiàng)。2梭式非動(dòng)能管理系統(tǒng)的特點(diǎn)由水力坡降線的比較,可以得出梭式非能動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有節(jié)能和防水擊功能(圖1)。2.1增加大出站,降低泵揚(yáng)程梭式調(diào)節(jié)系統(tǒng)使泵站的上站至下站余壓增大,即可以使現(xiàn)有泵站間距離加大,或者使下一泵站出口輸出壓力降低,從而降低泵揚(yáng)程(降低泵功率),達(dá)到節(jié)能。2.2流可調(diào)梭閥和儲(chǔ)能罐泵站間發(fā)生壓力升高時(shí),由于梭式回流閥的泄壓使其泵輸出壓力保持在正常值。當(dāng)發(fā)生液流突變產(chǎn)生水擊時(shí),差流可調(diào)梭閥和儲(chǔ)能罐將會(huì)瞬時(shí)地吸收水擊波的最大峰值,保證管道安全,并隨時(shí)吸收運(yùn)行過程中由于支流流量變化及其他原因引起的壓力波動(dòng)。泵站間發(fā)生壓力降低時(shí)差流可調(diào)梭閥和儲(chǔ)能罐能迅速地給管道補(bǔ)充壓力,使其恢復(fù)正常運(yùn)行。由于支路或其他原因引起的管道中出現(xiàn)真空時(shí),補(bǔ)氣排氣閥可以瞬時(shí)打開補(bǔ)進(jìn)大氣,以免管道破壞。3新型多段式控制單元及其應(yīng)用3.1a站“管路充裝閥”當(dāng)管線B站泵因事故停泵(圖2),AB管線流速趨于零時(shí),梭式回流閥主閥瞬時(shí)關(guān)閉,輔助閥打開。流體通過旁通管線(減壓)流入A泵入口,A泵仍然繼續(xù)運(yùn)行,不會(huì)因B站泵停泵產(chǎn)生“管路充裝”。A泵通過梭式回流閥向A泵入口輸送液體,使A泵不產(chǎn)生發(fā)熱事故和壓力增高現(xiàn)象。輸送管線梭式回流閥用于防止停輸后A站后面管段出現(xiàn)超壓。該閥可以取代超壓自動(dòng)斷電保護(hù)和其他的保護(hù)措施。如管線流動(dòng)停止,A泵后的梭式回流閥主閥關(guān)閉,旁通開啟,AB管道中的壓力平衡,產(chǎn)生壓頭近似平均值h/2,此值小于超壓曲線的允許值。A泵仍然繼續(xù)運(yùn)行,由于梭式回流閥輔助閥打開,流體減壓進(jìn)入A泵入口,AB管段壓力不會(huì)增高。3.2差流可調(diào)壓力保護(hù)裝置目前解決管道水擊有幾種辦法。①由自動(dòng)泄壓閥把壓力油泄入泄壓罐。②采用壓力波抵消法。當(dāng)A站發(fā)生正向水擊時(shí),通過計(jì)算機(jī)迅速的計(jì)算和調(diào)節(jié),使B站產(chǎn)生反向水擊波與之抵消。③在每站出口處采用自動(dòng)化程度很高的調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)瞬變流動(dòng)的壓力脈動(dòng),防止進(jìn)站壓力低,出站壓力高。④采用復(fù)雜而昂貴的變頻調(diào)速系統(tǒng)。梭式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的差流可調(diào)壓力保護(hù)裝置比上述4種方法簡(jiǎn)單,成本低,可靠性和調(diào)節(jié)精度高,可以實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)自力調(diào)節(jié),并能代替現(xiàn)有壓力保護(hù)系統(tǒng)和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(圖3)。差流可調(diào)壓力保護(hù)裝置主要是利用差流可調(diào)梭閥雙向調(diào)節(jié)功能。差流可調(diào)梭閥利用流體在閥內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生差壓的原理,推動(dòng)梭形閥芯前后運(yùn)動(dòng),通過變換流量的大小調(diào)節(jié)壓力傳遞的大小。該閥具有雙向節(jié)流、單向節(jié)流和雙向交替逆止等多種功能。由于差流可調(diào)梭閥并聯(lián)在輸送管線上,經(jīng)過調(diào)節(jié)和控制,使進(jìn)入流量大于流出流量,流入流出的流量可以是無級(jí)的差值,相當(dāng)于在主管線與儲(chǔ)能罐間,串接了一個(gè)雙向無級(jí)調(diào)節(jié)的阻抗,這樣可實(shí)現(xiàn)進(jìn)入壓力大于傳出壓力。另外,差流可調(diào)梭閥和儲(chǔ)能罐連接在一起能吸收管段超壓和超壓部分的壓力波。儲(chǔ)能罐是圓柱形容器,內(nèi)設(shè)多孔板。罐內(nèi)貯1/3空氣和2/3的液體。因?yàn)闅怏w是可壓縮的,危險(xiǎn)的壓力波進(jìn)入罐中將被衰減。如果壓力波壓力超過儲(chǔ)能罐的安全值時(shí),罐頂部設(shè)有雙向交替差流閥自動(dòng)泄放出空氣,達(dá)到安全值自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)AB管線產(chǎn)生超低壓行為,儲(chǔ)能罐的氣體膨脹自動(dòng)向AB管段補(bǔ)壓,直至管壓平衡。儲(chǔ)能罐的壓力低于設(shè)定值時(shí),雙向交替差流閥自動(dòng)開啟氣源向罐中補(bǔ)氣,保持容器1/3的氣體。差流可調(diào)梭閥和雙向交替差流閥與儲(chǔ)能罐聯(lián)合使用,形成了差流可調(diào)壓力保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于長(zhǎng)輸管線壓力的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)時(shí),無需電源和鋪設(shè)通訊網(wǎng)絡(luò),投資少,可靠性高。3.3破裂保護(hù)閥梭式爆破保護(hù)閥利用流體本身動(dòng)力,當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí),能瞬時(shí)自動(dòng)關(guān)閉輸送管線。該裝置主控件梭芯沿管道軸心線設(shè)在管道內(nèi)部,能適應(yīng)管道所經(jīng)受的任何自然環(huán)境。當(dāng)輸送管線發(fā)生破裂時(shí),液體從破裂處流出,總流量相對(duì)增加,當(dāng)達(dá)到整定流量時(shí),該閥芯失去平衡,被液體推向關(guān)閉。從而終止外泄,使事故損失降到最低。關(guān)閉的同時(shí)發(fā)出信號(hào),指出管道破裂區(qū)域。為防止緊急切斷引起水擊,采取了水擊消除措施,使關(guān)閉時(shí)間可以在2～8s之間調(diào)整。當(dāng)破裂管線維修好后,梭式爆破保護(hù)閥自動(dòng)開啟。管線需要通清管器時(shí),閥通過清管器的觸動(dòng)會(huì)自動(dòng)提升,為通清管器打開通道。清管器通過后閥門自動(dòng)恢復(fù)工作位置。該閥是完全自力式閥門,投資少,可靠性強(qiáng)。3.4管道空氣排除梭式排氣補(bǔ)氣閥設(shè)置在AB管線末端或特殊工作狀況位置。當(dāng)首次輸送和間斷輸送注入液體時(shí),梭式排氣閥自動(dòng)打開,排除管內(nèi)空氣,管內(nèi)空氣從排氣孔自動(dòng)排除。當(dāng)液體注滿管道時(shí),利用液體的浮力將閥內(nèi)的浮球升起,關(guān)閉閥門的排氣出口,排氣完成。當(dāng)輸送管道的液體流空時(shí),需要向管道補(bǔ)氣。當(dāng)排液時(shí),排氣補(bǔ)氣閥補(bǔ)氣口自動(dòng)打開,向管道內(nèi)補(bǔ)氣,使管內(nèi)液體很快排出管外。當(dāng)管道發(fā)生負(fù)壓時(shí),自動(dòng)打開,向管道補(bǔ)充大氣壓力,防止管道壓破。3.5剩余能量消能當(dāng)管線輸送接近末端的某點(diǎn),由于地形起伏和水力坡降的大小出現(xiàn)翻越點(diǎn)。液流從峰點(diǎn)可自流到終點(diǎn),由于剩余能量使液流速度突然變化,發(fā)生不滿流,增大水擊壓力?，F(xiàn)有技術(shù)采用變徑、減壓節(jié)流、設(shè)置副管等方式來消能。差流可調(diào)壓力保護(hù)裝置設(shè)置在翻越點(diǎn)的下游,可以在壓力降低時(shí)迅速補(bǔ)充能量,在壓力上升時(shí)吸收能量防止水擊造成的破壞(圖4)。3.6正、負(fù)水擊及管道自當(dāng)管線輸送的山谷谷底末端和相似的工況下,由于多種原因造成液流速度的變化,突然的減速產(chǎn)生正水擊使其壓力升高,突然的加速產(chǎn)生負(fù)水擊,使其壓力降低。無論正、負(fù)水擊,壓力對(duì)管道都會(huì)造成損害。因此,在大落差管段的下游末端處應(yīng)裝設(shè)差流可調(diào)壓力保護(hù)裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)正負(fù)水擊液流狀態(tài)的補(bǔ)償(圖5)。3.7梭式管道破裂保護(hù)裝置地勢(shì)起伏劇烈、地震高烈度區(qū)、活動(dòng)斷層區(qū)及通過沙漠、河流和淺海等安全要求嚴(yán)格的地區(qū)。必須按規(guī)程規(guī)定距離設(shè)立管道破裂保護(hù)裝置。梭式管道破裂保護(hù)裝置系非能動(dòng)系統(tǒng),可以完全自力控制,也可與SCADA系統(tǒng)匹配,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。同時(shí)具備自力式通清潔球功能。特殊的工況要求,還可以設(shè)置雙向破裂保護(hù)裝置,無論裝置的上游或者下游發(fā)生破裂都可以實(shí)現(xiàn)自力式關(guān)閉,實(shí)施管道保護(hù)。3.8梭式非能動(dòng)控制系統(tǒng)沙漠、河流、海洋、森林、荒野和冰雪等自然條件下,非能動(dòng)的控制設(shè)備特別重要。梭控球閥、梭控閘閥和梭控蝶閥在無法建立最簡(jiǎn)單通訊聯(lián)絡(luò),無法提供操作動(dòng)力源及控制電源的條件下,能可靠地執(zhí)行管道的啟閉操作,進(jìn)行過流保護(hù)和緊急切斷。需要通過清潔球時(shí),能自動(dòng)流暢地通過。在密閉的長(zhǎng)距離輸送中,梭控球閥是全線自動(dòng)控制的重要基礎(chǔ)元件。梭控球閥的閥芯和閥體部分沒有大的改變,因此流道和流阻等特性沒有改變。由于控制部份的小型集成化和自動(dòng)化程度的提高,開啟和關(guān)閉速度的調(diào)整更簡(jiǎn)單可靠。防治水擊的效果更好。根據(jù)管道建設(shè)的需要,梭式非能動(dòng)控制系統(tǒng)(正申請(qǐng)中、美、日、德、法和意等25個(gè)國(guó)家專利)分為3種類型(表1)。將于近期在工程中實(shí)施。4流體自動(dòng)化控制體系梭式系列控制技術(shù),強(qiáng)調(diào)了非能動(dòng)控