天然气调压系统中工作调压阀的改进设计

李虎生

摘要： 介绍了天然气输气站调压控制系统的配置，根据输气站现场工况的特点，结合理论分析，对工作调压阀进行改进设计，从而使得天然气调压系统的运行更加的稳定。

Abstract： This paper introduces the configuration of pressure regulating control system in the natural gas transmission station. According to the characteristics of site conditions in the gas station， the working pressure regulating valve was improved by the theoretical analysis to make the operation of the natural gas pressure regulating system more stable.

关键词： 调压撬；工作调压阀；噪音；泄漏；优化设计

Key words： pressure regulating lever；work pressure regulating valve；noise；leak；optimal design

中图分类号：TF573 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）02-0171-02

1 概述

天然气输气站系统中电动轴流式调节阀在天然气输气管道中起非常重要流量调节和压力调压作用，即在天然气输气站控制系统中将轴流式调节阀定义为工作调压阀。目前在天然气输气站输气系统中选用工作调压阀时，对工作调压阀的噪音、阀门的开度，及阀门的密封性能要求越来越严格。为了使工作调压阀更好的满足输气站的现场使用性能，针对现场出现的问题，对工作调压阀的密封结构及部分零件的结构进行了一定的优化设计。

2 工作调压阀的结构特点

工作调压阀主要有两大部分组成：阀体组件和执行机构组件。工作调压阀主要由上阀盖、阀杆、阀体、套筒、阀芯、推杆等组成，其结构如图1所示。

工作调压阀阀体内腔设计为直线对称和无障碍的直通流线型流道。这种内腔设计可以使介质非常容易的通过，流体在阀门内部各个位置均匀分布，从而降低了流体局部的高速流、紊流、喷射流等冲击，提高了阀门的稳定性，最大限度地减少紊流和噪音。

阀体是一完整的铸造体，阀芯沿阀门的中心线运动。该阀主要是由阀芯与套筒相对流通面积的改变来实现对介质流量、压力的调节，从而达到节流调节的目的。阀芯是通过一个90°的角式传动机构进行操作的，该传动机构由一对滑动的齿条组成，这对啮合的齿条分别位于阀杆和推杆上。齿条间的误差非常小，从而保证了齿条传动机构没有滞后现象，达到高精度调节的目的。

3 调压系统中工作调压阀的控制

输气站调压撬由安全切断阀，自力式调压阀，轴流式电轴调节阀组成。自力式调压阀作为监控阀，轴流式电动调节阀作为工作调压阀，正常工作时安全切断阀处于全开位，监控阀也处于全开。只有工作调压阀调节下游压力或限制下游用户最大流量。工作调压阀，监控阀，安全切断阀，三个阀的设定压力点逐步升高。例如：工作调压阀的压力设定值为6MPa，监控阀的压力设定值则应为8MPa，安全切断阀的压力设定值则应为10MPa。在工作调压阀工作时，向上的压力超调量应尽可能小。因为如果下游压力升高，接近监控阀的压力设定值时，监控阀就开始工作，阀芯开始关闭，使得工作调压阀的进口压力减小，相当于给工作调压阀再次施加了一个压力变量，从而增加了工作调压阀的控制难度。因此工作调压阀在此调压系统中的作用非常重要，一旦工作调压阀的调节精度出现问题，会对整个调压系统造成很大的影响，所以工作调压阀在整个调压系统中担当中心枢纽的角色。调压系统控制平面图见图2。

4 工作调压阀的在天然气调压系统中出现的问题

4.1 噪音大 电动式工作调压阀电动头控制部分与调压站电控制系统匹配后，阀门的控制部分运行正常，即阀门的动作正常。工作调压阀在杭州萧山输气站运行过程中出现了以下问题，输气站输气压力低于6MPa时工作调压阀的运行正常，但当管道输气压力增大到7.5MPa时工作调压阀会出现震荡、阀芯运行不平稳及噪音超过95分贝。由于工作调压阀运行不稳定及噪音大等问题，从而对输气站的正常运行和周围环境造成了严重的影响。

4.2 泄漏量超标 电动式工作调压阀在输气站上使用的过程中，出现泄漏量超标，从而造成能源的浪费，并且影响了整个输气系统的使用性能。

4.3 调节精度差 调压站输气系统主要靠电动式工作调压阀来调节下游管道的压力，如果下游压力不稳定，会对整个调压系统产生影响，电动式工作调压阀在输气站上使用的过程中出现了调节精度差，调压不精确等问题，从增加了工作调压阀自身及整个调压系统产生控制难度。

5 调压系统中出现的问题进行分析

5.1 对输气站阀门撬装后进行压力场和流速分析 为了解决以上问题，结合输气站现场按图1顺序将3台阀门撬装后，用CFD软件进行压力场和流速分析，从而找到介质的高压分布区和高速分布区，为结构改进设计奠定可靠的理论基础。（图3分析过程图）

5.2 电动式工作调压流场分析 为了更加精确地找到高压天然气介质的高压及高速分布区，通过对3台撬装阀门进行压力和流场分析后。结合输气站实际工况压力及流量针对电动式工作调压阀进行了流场分析，来为阀门的优化设计奠定更加可靠的理论基础。（图4电动式工作调压阀流场分析图）

6 结合现场工况及理论分析对电动式工作调压阀进行的改进设计

6.1 流量套筒的改进设计 结合现场出现的问题及理论分析可得，电动式工作调压阀阀腔采用轴向对称流道，完全避免了间接流和流向不必要的改变，最大限度地提高了单位直径上的流通能力，大大降低了噪音，因此造成管道噪音大的原因不在阀腔及阀体结构上。理论分析显示阀腔高压区及高速区都集中在流量套筒边缘，因此要改变噪音大的问题，需在流量窗口上进行改进设计。结合介质的流量特性及窗口设计的基础知识，将流量窗口设计为错位式内隔断双层套筒，并且流量孔设计为直径4mm的小孔。（图5初设计套筒结构图；图6改进后错位式内隔断套双层筒结构）

6.2 密封结构的改进设计 为了更好地满足工作调压阀的密封性能，提高阀门的泄漏等级。结合现场的实际工况，将阀门的密封结构由开始的一道硬密封，改进为硬密封组合软密封的双重密封结构，并且软密封结构采用引压自密封结构，借助高压气体来提供楔形软密封阀座的密封力，通过双重密封结构有效的提高了阀门的泄漏等级。（图7原密封结构；图8改进后密封结构）

7 改进结构后的工作调压阀在调压系统上的使用情况

通过理论分析，并结合现场的实际工况，对电动式工作调压阀的部分零件结构进行了以上优化设计。改进结构后的工作调压阀与安全切断阀和监控调压阀进行撬装，将撬装后的系统在工厂进行性能测试，测试各项功能及性能正常后，将整个撬装阀门用于中国石油天然股份有限公司西气东输管道分公司浙江管理处萧山输气站。该进结构后的调压系统以下问题得到了明显的改善：①噪音大的问题得到了很好的改善，噪音由原来的95分贝降低到80分贝；②现场天然气压力升高时阀门的震荡现象也得到了很好的改善；③工作调压阀的调节精度也得到了提高；④工作调压阀的泄漏等级由开始FCI70-2Ⅳ提高到FCI70-2Ⅵ。以上性能得到改善后，调压撬的整个系统也得到了很好的改善。输气站工作人员对改进后的调压撬阀门给予了一定的认可。

8 结语

通过调压撬装系统中工作调压阀在使用过程中出现的问题，并基于调压系统中出现的问题进行阀门零件的优化设计，并且优化结构后的调压撬系统在现场中的使用性能良好。这为工作调压阀在天然气上的推广使用奠定了一定的基础。

参考文献：

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