氮封阀在海上储罐的选型和应用

薛 滨

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

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氮封阀在海上储罐的选型和应用

薛 滨

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

工业生产中通常使用氮气等惰性气体作为危险液体储罐覆盖气介质。文章详细介绍了覆盖气新型自力式压力调节阀——氮封阀的基本原理、工作特性、选型方法、安装使用，以及与传统调节阀对比的优缺点。

氮封阀；自力式压力调节阀；气动调节阀

1 工艺概况

海上储罐(常低压容器)中的危险液体在常规设计中，是以氮气等惰性气体进行覆盖，以减少液体挥发出可燃和有毒气体，并将危险源阻隔在罐体内，另一方面覆盖气也可以阻隔外部空气进入容器内，以防止空气与危险气体混合达到爆炸极限，图1为典型的常低压容器的压力控制方式。

图1 传统常低压容器压力控制流程图

覆盖气压力的调节是整个工艺和安全的核心问题，并具有如下特点。

1)工艺要求调压阀的控制压力低。由于是常低压容器，一般覆盖气压力设定为2～6 kPa的微压，并且长期波动。

2)工艺要求调压阀的动作响应速度快。在容器启泵或突然进液时，压力会突然降低或上升，如果调节阀动作不灵敏，极易造成容器产生负压或超压，给容器安全带来极大隐患。

3)工艺要求调压阀前后差压大。调压阀入口氮气压力一般在800～1 200 kPa，而出口压力在2～6 kPa。所以长期保持压力调节稳定是对调压阀的一个基本要求。

海上储罐设计目前还在使用自力式压力调节阀(PCV)调压的方式，在现场应用的经验来看，往往无法完全满足上述的要求，并对日常操作维护带来了极大的挑战。为了完成这种特殊工况的压力调节，一种新型压力调节阀映入眼帘——氮封阀。

2 氮封阀概述

氮封阀(如图2)是一种自力式调节阀门，设计用于容器低压覆盖气的减压。它能够根据设定值自动地进行开关动作，以保持覆盖气压力能较好的被控制。它设计简单，可靠性高并且维修费用低。

图2 氮封阀

在大多数常低压容器上，操作压力非常的低。这对覆盖气的进排气阀的设计和选型上提出了很大的挑战。氮封阀使这种情况得到了有效的解决。首先，氮封阀的设定值被定义为阀门关死的状态，这样可以使覆盖气的控制压力在设定值内自由波动，从而减少阀门开关次数，以节省覆盖气的损失。其次，氮封阀有一个较宽的可调比，这使得选型也变的更加简单。氮封阀具有如下特性。

1)适应性强，单阀系统可用于大多数氮封阀系统，阀体设计为自清洁型，维护方便。

2)稳定性强，采用压力平衡先导式，供气压力的波动不会影响设定值。

3)操作简单，动作阀门设定值可100%符合罐内压力，可不用外取压。温度变化也不影响设定值。

4)低维修费用，使用标准的O型圈用于密封，在顶部安装时，可以允许只解体膜头就可以更换膜片。

3 容量计算和阀门选择

3.1 容量计算

氮封阀容量计算由2部分组成。

第一部分的氮封阀的吸入量Q吸入取决于容器内介质排出的大排量Qmax(m3/h)，但需乘以0.94的系数，公式如下：

Q吸入=0.94Qmax，

第二部分氮封阀吸入量取决于天气引起的温度变化，需要通过查表得出常用容器罐体的容量，这部分容量变化是因温度变化致使介质收缩造成的。最终我们得出以下公式：

Q总量=Q吸入+Q温度，

式中：Q总量为容器需要的总氮气量；Q温度为容器内气体受温度变化产生的排量。

3.2 阀门选择

如果容器的覆盖气压力是变化的，需要用最小的供气压力来选择氮封阀，供气的最大压力决定了氮封阀的故障容量。首先用最小的供气压力来选择阀门的尺寸控制吸入总量，接下来通过计算流阻进一步的精确计算吸入总量和故障容量。

4 动作原理

4.1 关闭状态分析

如图3所示，阀门处在关闭位置。这时容器压力处在稳定或高于设定点的状态，取压点引入膜腔内的压力大于设点弹簧的压力，先导阀处于关闭状态。并且此时没有气体从先导排放管线中排出；所有气源压力全部作用在主阀芯上，通过工艺加工，此时主阀芯上部的压力是大于下部的，所以主阀芯被压死处于关闭状态。

图3 氮封阀关闭状态

4.2 开启状态分析

如图4所示，阀门处在开启位置。这时容器压力小于设定点的状态，取压点引入膜腔内的压力小于设点弹簧的压力，先导阀处于开启状态。先导阀腔内的压力被泻放到了阀门出口，并且由于先导阀腔的入口采用限流孔结构，进气流量不足以补充腔内压力，致使气源作用在主阀芯上的压力下部大于上部，从而推开了阀芯，使阀门处于打开状态。气源开始向罐体内开始补气。

图4 氮封阀开启状态

一旦罐内压力重新高于设定点，先导阀将重新关闭，先导阀腔内的压力将会回升，最终促使主阀芯重新关闭。至此，氮封阀完整的补气过程就完成了。

5 安装注意事项

氮封阀的典型安装示意图如图5所示，其中需要注意如下几点。

1)阀门可以为角型安装或直通安装，并且可以根据自身需要选择螺纹连接或法兰连接。

2)阀门的进出口隔离阀必须选用大于或等于阀门尺寸的全通径阀门。

3)取压管线应选用大于12.7 mm(1/2英寸)管径的不锈钢仪表管，并保证取压管线与阀门连接处处在整个取压管线的最高点，以利于冷凝液的排放。

4)由于先导阀腔入口孔径较小，所以建议加装过滤器，以防污物将入口堵塞。

5)其他安装要求和注意事项与常规自力式压力调节阀相同。

图5 安装图

6 氮封阀与传统压力调节阀的对比

6.1 与自力式压力调节阀(PCV)的对比

自力式压力调节阀根据取压点位置分阀前和阀后2类，取压点在阀前时，用于调节阀前压力恒定。取压点在阀后时，用于调节阀后压力恒定。自力式调节阀是目前广泛应用于容器压力控制的阀门。

自力式压力调节阀的主要特点如下。

1)自力式压力调节阀无需外加能源，能在无电无气的场合工作，既方便又节约能源。

2)压力分段范围窄且互相交叉，调节精度较高。

3)压力设定值在运行期间可连续设定。

4)对阀后压力调节，阀前压力与阀后压力之比为10∶1～10∶8。

5)膜片式检测，执行机构检测精度高、动作灵敏。

6)采用压力平衡机构，使调节阀反应灵敏，控制精确。

从以上特点可以看出，自力式压力调节阀所拥有的优点，氮封阀几乎全部拥有，但是调节阀所局限的前后压差比和连续调节特性，却是它应用在氮封系统的明显缺点。氮封气往往是从标准供气压力几百千帕到几千千帕直接减压为几千帕，通常设计的PCV是无法满足需求的，而特殊设计的PCV(带指挥器)虽然可以满足调节要求，但是在实际使用工况中，PCV却受到介质要求高(易脏堵)限制，产生了后期维护成本较高的问题。另外，由于PCV连续调节的特性，阀门并没有处于完全关闭的状态，致使覆盖气一直处于泄漏状态，造成了覆盖气的大量浪费，对环保和节能减排带了不利影响。而长时间的压力波动也使PCV一直处于调节状态，造成设定压力波动较大，从而影响工艺流程的稳定性，长期工况下，设定值需要经常维护标定。与PCV相比氮封阀却可以有效地规避上述问题，且另一个独特的优势是死区小，在微压状态下，往往动作更加灵敏，对精度控制和容器安全都更有好处。

6.2 与气动调节阀(PV)+智能变送器的对比

气动调节阀就是以压缩气体为动力源，以汽缸为执行器，并借助于阀门定位器、转换器、电磁阀、保位阀、储气罐、气体过滤器等附件去驱动阀门，实现开关量或比例式调节，接收工业自动化控制系统的控制信号来完成调节管道介质的流量、压力、温度、液位等各种工艺过程参数。气动调节阀的特点就是控制简单，反应快速，且本质安全，不需另外再采取防爆措施。

气动调节阀和智能变送器的组合最大的优点就是控制精度高，控制方式灵活(中控组态)，在一些压力精度要求较高的场合，是最佳的解决方案。但是在这个压力精度控制要求不高的特殊应用场合却又显得有些大材小用，它们的造价高，安装相对复杂，后期调试成本大就成了它们的劣势。另外，它和自力式调节阀一样也存在泄漏量大的问题。所以，与氮封阀相比性价比低就是PV阀的最大劣势。

7 结束语

氮封阀作为一种特殊的自力式调节阀，在储罐覆盖气的压力控制上具有先天的优势，各种性能指标都满足了容器覆盖气压力控制的特殊要求，并且具有价格适中，后期维护简便，整体性价比高等优点，在常低压容器覆盖气的压力控制选择方案上，应将氮封阀作为设计的首选方案。

In industrial production,some inert gases,such as nitrogen,are used as medium for cover gas of storage tank in which dangerous liquid exists.In this paper,the cover gas for the new type of independent pressure regulating valve,nitrogen valve,is introduced,together with its basic principle,working character,selecting method,installation & use,and comparison of the merits and drawbacks between the new type of valve and the traditional one.

nitrogen valve;independent pressure regulating valve;pneumatic regulating valve

薛 滨(1981-)，男，陕西咸阳人，工程师，大学本科，主要从事海上油气开采设计工作。

P75

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.014

2015-12-18