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

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

1元控制的應(yīng)用管道運輸是工業(yè)國家的中心動脈。20世紀以來,全世界的管道運輸迅猛發(fā)展,至今已有數(shù)百萬公里的煤、油、氣、水、礦石和化學(xué)原料運輸管道,并且以每年4萬公里以上的速度遞增。運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連續(xù)的水力系統(tǒng),系統(tǒng)中任何一點的壓力波動都將引起系統(tǒng)的變化。因此,任何設(shè)計都要考慮整體和自動化。密閉輸送的最大特點是節(jié)能和可靠性高,易于實現(xiàn)自動化。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、壓力油罐、柴油動力和燃氣輪機發(fā)電的操作系統(tǒng)簡單可靠。本發(fā)明已獲中、美、日、法和加等多國發(fā)明專利,并獲得1998年國家發(fā)明獎。目前已擁有相關(guān)基礎(chǔ)元件專利34項。2梭式非動能管理系統(tǒng)的特點由水力坡降線的比較,可以得出梭式非能動調(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,從而降低泵揚程(降低泵功率),達到節(jié)能。2.2流可調(diào)梭閥和儲能罐泵站間發(fā)生壓力升高時,由于梭式回流閥的泄壓使其泵輸出壓力保持在正常值。當發(fā)生液流突變產(chǎn)生水擊時,差流可調(diào)梭閥和儲能罐將會瞬時地吸收水擊波的最大峰值,保證管道安全,并隨時吸收運行過程中由于支流流量變化及其他原因引起的壓力波動。泵站間發(fā)生壓力降低時差流可調(diào)梭閥和儲能罐能迅速地給管道補充壓力,使其恢復(fù)正常運行。由于支路或其他原因引起的管道中出現(xiàn)真空時,補氣排氣閥可以瞬時打開補進大氣,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”當管線B站泵因事故停泵(圖2),AB管線流速趨于零時,梭式回流閥主閥瞬時關(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)運行,不會因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斷電保護和其他的保護措施。如管線流動停止,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)運行,由于梭式回流閥輔助閥打開,流體減壓進入A泵入口,AB管段壓力不會增高。3.2差流可調(diào)壓力保護裝置目前解決管道水擊有幾種辦法。①由自動泄壓閥把壓力油泄入泄壓罐。②采用壓力波抵消法。當A站發(fā)生正向水擊時,通過計算機迅速的計算和調(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化程度很高的調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)瞬變流動的壓力脈動,防止進站壓力低,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)壓力保護裝置比上述4種方法簡單,成本低,可靠性和調(diào)節(jié)精度高,可以實現(xiàn)非能動自力調(diào)節(jié),并能代替現(xiàn)有壓力保護系統(tǒng)和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(圖3)。差流可調(diào)壓力保護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)流動產(chǎn)生差壓的原理,推動梭形閥芯前后運動,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,使進入流量大于流出流量,流入流出的流量可以是無級的差值,相當于在主管線與儲能罐間,串接了一個雙向無級調(diào)節(jié)的阻抗,這樣可實現(xiàn)進入壓力大于傳出壓力。另外,差流可調(diào)梭閥和儲能罐連接在一起能吸收管段超壓和超壓部分的壓力波。儲能罐是圓柱形容器,內(nèi)設(shè)多孔板。罐內(nèi)貯1/3空氣和2/3的液體。因為氣體是可壓縮的,危險的壓力波進入罐中將被衰減。如果壓力波壓力超過儲能罐的安全值時,罐頂部設(shè)有雙向交替差流閥自動泄放出空氣,達到安全值自動關(guān)閉。當AB管線產(chǎn)生超低壓行為,儲能罐的氣體膨脹自動向AB管段補壓,直至管壓平衡。儲能罐的壓力低于設(shè)定值時,雙向交替差流閥自動開啟氣源向罐中補氣,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能罐聯(lián)合使用,形成了差流可調(diào)壓力保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于長輸管線壓力的自動控制和調(diào)節(jié)時,無需電源和鋪設(shè)通訊網(wǎng)絡(luò),投資少,可靠性高。3.3破裂保護閥梭式爆破保護閥利用流體本身動力,當發(fā)生泄漏時,能瞬時自動關(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。當輸送管線發(fā)生破裂時,液體從破裂處流出,總流量相對增加,當達到整定流量時,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)閉的同時發(fā)出信號,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)閉時間可以在2～8s之間調(diào)整。當破裂管線維修好后,梭式爆破保護閥自動開啟。管線需要通清管器時,閥通過清管器的觸動會自動提升,為通清管器打開通道。清管器通過后閥門自動恢復(fù)工作位置。該閥是完全自力式閥門,投資少,可靠性強。3.4管道空氣排除梭式排氣補氣閥設(shè)置在AB管線末端或特殊工作狀況位置。當首次輸送和間斷輸送注入液體時,梭式排氣閥自動打開,排除管內(nèi)空氣,管內(nèi)空氣從排氣孔自動排除。當液體注滿管道時,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。當輸送管道的液體流空時,需要向管道補氣。當排液時,排氣補氣閥補氣口自動打開,向管道內(nèi)補氣,使管內(nèi)液體很快排出管外。當管道發(fā)生負壓時,自動打開,向管道補充大氣壓力,防止管道壓破。3.5剩余能量消能當管線輸送接近末端的某點,由于地形起伏和水力坡降的大小出現(xiàn)翻越點。液流從峰點可自流到終點,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)壓力保護裝置設(shè)置在翻越點的下游,可以在壓力降低時迅速補充能量,在壓力上升時吸收能量防止水擊造成的破壞(圖4)。3.6正、負水擊及管道自當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)生負水擊,使其壓力降低。無論正、負水擊,壓力對管道都會造成損害。因此,在大落差管段的下游末端處應(yīng)裝設(shè)差流可調(diào)壓力保護裝置,實現(xiàn)對正負水擊液流狀態(tài)的補償(圖5)。3.7梭式管道破裂保護裝置地勢起伏劇烈、地震高烈度區(qū)、活動斷層區(qū)及通過沙漠、河流和淺海等安全要求嚴格的地區(qū)。必須按規(guī)程規(guī)定距離設(shè)立管道破裂保護裝置。梭式管道破裂保護裝置系非能動系統(tǒng),可以完全自力控制,也可與SCADA系統(tǒng)匹配,實現(xiàn)自動控制。同時具備自力式通清潔球功能。特殊的工況要求,還可以設(shè)置雙向破裂保護裝置,無論裝置的上游或者下游發(fā)生破裂都可以實現(xiàn)自力式關(guān)閉,實施管道保護。3.8梭式非能動控制系統(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單通訊聯(lián)絡(luò),無法提供操作動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,進行過流保護和緊急切斷。需要通過清潔球時,能自動流暢地通過。在密閉的長距離輸送中,梭控球閥是全線自動控制的重要基礎(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化程度的提高,開啟和關(guān)閉速度的調(diào)整更簡單可靠。防治水擊的效果更好。根據(jù)管道建設(shè)的需要,梭式非能動控制系統(tǒng)(正申請中、美、日、德、法和意等25個國家專利)分為3種類型(表1)。將于近期在工程中實施。4流體自動化控制體系梭式系列控制技術(shù),強調(diào)了非能動控