国产高压差小流量控制阀在海洋石油平台中的应用研究

2019-12-26刘桥林石月娟

石油化工自动化 2019年6期

刘桥林，石月娟

(1. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江 524057；2. 吴忠仪表有限责任公司，宁夏吴忠 751100)

海洋石油开发对中国国民经济发展具有战略意义，随着国内海洋石油勘探开发技术的不断提高，中国已建成上百座海洋石油平台；海洋石油开采平台建设投资巨大，生产环境恶劣，危险多，因此对于设备设施的安全性、稳定性和可靠性要求很高。在海洋石油生产中，存在较多严苛的流体控制工况，如高压注水压力控制、往复式天然气压缩机涤气罐液位控制、TEG脱水系统接触塔液位控制等，以上工况往往具有高压差、小流量的特点。

1 工艺参数

某海洋石油平台撬块工艺参数见表1所列。

2 计算与结构选型

控制阀应用得好坏，除产品质量和用户是否正确安装、使用与维护外，正确的计算选型十分重要。

2.1 液位控制阀现状及存在的问题

在某气田群开发工程项目投产前，发现已完成现场安装的进口TEG脱水系统接触塔液位控制阀，存在如下隐患：

表1 某海洋石油平台撬块工艺参数

1)阀芯流速达到45 m/s，远超ISA推荐的阀芯流速30 m/s。过高工作压差极易使出口处产生高流速，从而引发整个阀门气蚀、冲刷及高噪音，更甚者引发管道振动等危害现象发生，不利于整个系统的正常工作。该阀门选用STELLITE高强度和耐磨性材料作为内件，这虽然能在一定程度上延长阀门使用寿命，却不能从根本上解决问题。

2)表1中，pv值选取太小，阀门计算CV偏小，导致最终选取的额定CV偏小，阀门不能满足最大流量调节的要求。

2.2 介质成分及阀门CV值的计算

按表2所列数据，该阀门入口之前的介质是气液两相，其中的气相介质是天然气(甲烷、乙烷、氮气)等，而液相介质则是三甘醇、水、液态天然气(异戊烷、异丁烷、正丁烷、丙烷)等其他成分，CO2溶解在三甘醇之中。

介质流入阀门之后，由于压力降低，CO2会从三甘醇中释放出来，液态天然气及溶解天然气成分也会气化。计算液相介质时，所用的pv值应该按介质中的摩尔分数推算得出，详见表3所列。三甘醇本身的饱和蒸气压很低，在该项目中不存在气化的问题。所以，如果用三甘醇的饱和蒸气压作为该阀门液相介质的pv，计算出来的CV值会偏小。选型计算中的pv是与三甘醇中CO2摩尔分数有关。

表2 介质的具体成分及摩尔分数

按表3混合介质物理数据分析，根据整体液相介质的摩尔分数，综合后得pv=0.631 MPa，气相流量为10.5 kg/h，液相流量为1 818.5 kg/h。

表3 混合介质物理数据分析

液位控制阀选型数据见表4所列，气相介质的计算CV=0.008 0；当pv=0.631 MPa时，液相介质计算CV=0.254 1，详见表4选型数据表最后1列。该阀门的气相加液相总介质的计算CV=0.008 0+0.254 1=0.262 1。为了安全起见，在p1与p2之间选取pv=4 MPa。在pv=4 MPa的两种工况下，计算阀门CV分别为0.304 6，0.318 0，选取额定CV=0.350 0。

2.3 多级降压控制阀

对于液体介质，当介质压力低于饱和蒸汽压时，会导致闪蒸现象的发生，从而产生阻塞流。根据流体力学相关理论，当高压差介质流经某阻力元件后，静压能与动压能相互转换，流速的增加会致使压力降低。因此，增大介质的阻力系数可实现控制高压降的目的。多级降压阀芯使得每级节流均能保证节流处压力处于汽化压力之上，从根本上消除气蚀现象。

表4 液位控制阀选型数据

现给定参数的介质工作压差高达8.638 MPa，内件只有采用多级降压原理结构，才能有效地控制阀芯出口流速，各种工况和阀芯对应的流速分析见表5所列。

表5 各种工况和阀芯对应的流速分析 m/s

采用吴忠仪表有限责任公司生产高阻抗轴向防空化的多级降压控制阀结构如图1所示，该结构阀门能够平稳、精确地调节具有高压力降的液体和气体介质，完全能够消除传统单座阀在高压差工况调节时所带来的空化、气蚀、震动以及高噪音的影响。该阀门设计的固有流量特性是由多级凹口减压阀芯和阀芯套构成的大流量通道实现的，无论调节的介质是单一的还是混合的，即使含有细小杂质颗粒，都具有非常好的调节性能。

与多级迷宫和低噪音结构设计相比，串式减压更适于有潜在介质堵塞问题的海洋平台，即使是CV值很小，也可以提供特殊的解决方案。串式多级减压控制阀采用套筒全程导向，导向表面硬化处理，以应对汽蚀产生的震动，延长使用寿命。选择执行机构时满足最大关闭压差下，阀门能够完全动作，并且执行机构输出力按1.3倍的余量考虑。

图1 串式减压结构示意

3 控制阀选型结果分析与验证

3.1 流场数值模拟分析

将计算流体力学(CFD)技术引入该产品的整个设计过程，用以设计验证，从而保证了阀门设计的技术含量和产品质量。通过CFD技术分析开度100%时的内部流场的速度云图和压力云图，如图2和图3所示。

图2 开度为100%时内部流场速度云图示意

通过图2可见，进出口流速比较均匀。由于介质流至串式阀芯里，根据连续性方程，流通面积急速下降，速度变大，此时的压力也随之迅速降低。

通过图3可见，串式阀芯内部的流体压力均在凹口转弯道内逐渐下降，直至出口处压力降到最低。流体介质的压力在串式阀芯里逐级降低，第一级压降最高，第二级次之，以此类推。使每一级压力都保持在饱和蒸气压以上，从根本上消除了闪蒸，避免气蚀损坏阀内件，从而保证了阀门在高压差工况下的长周期可靠运行。

图3 开度为100%时内部流场压力云图示意

3.2 试验验证结果

按GB/T 4213—2008《气动调节阀》 6.11规定对控制阀进行流量试验测试，实测试验数据详见表6所列。由表6可知，阀门额定流量系数实测值CV为0.352 3，与规定值(即设计值CV为0.35，则KV≤5)的偏差未超过规定值的±20%，符合标准规定。在相对行程为10%～80%，斜率偏差均位于7%～13%，满足标准要求；在相对行程>80%时，斜率偏差为7.92%值时位于3%～15%内，满足标准要求。据此绘制的流量特性曲线图如图4所示。