陈 崑 黄竞跃 邱小平 曾祥炜

(四川大学制造科学与工程学院1)成都 610065) (四川省科学技术协会2) 成都 610041) (西南交通大学物流学院3)成都 610031)

0 引 言

管道运输作为5大运输手段之一,已成为工业国家的主动脉.然而,人类还不能完全掌握其规律、控制其产生的危害,偶尔的事故也会给人类带来灾害,其中管道爆破就是最严重的一种事故.研究发现,动力源的可靠性是难以保证的.其实,管道输送中管道及其输送的介质就传递着流体信息、表达流体变化,就是传递控制能量最直接、最真实、最可靠的载体,它比任何模拟、虚拟更准确.

非能动控制技术无需任何附加的能源,无需昂贵而复杂的控制(SCADA)系统,能够适应沙漠、河流、海洋、森林、冰雪等恶劣的自然条件,比附加电机、压力油罐、柴油动力,燃气轮机发电的操作系统要简单可靠得多.它以管道和输送的介质为工程的根本,将其作为控制调节的基础,先后解决了一系列管道技术难题[1].

1 差流可调梭阀

基于梭式系列技术的关键基本元件——差流可调梭阀,是梭式系列元件的基础.其技术条件、动作原理及功能如下.

1)技术条件,见表1所列.

表1 差流可调梭阀的技术条件

2)动作原理,如图1所示.

图1 差流可调梭阀的动作原理

3)差流可调梭阀多种功能(表2) 差流可调梭阀利用其两端压差而具备的智能双向调节功能,极大地改观了现有阀门仅有的单向调节功能,为密闭管道控制的简化提供了新型基础元件,而其对称性结构也具有更好地改善流体性能,可实现全方位的任意安装,既提高可靠性又降低了 成本.

表2 差流可调梭阀的功能

2 梭式爆破保护装置的设计与实验

梭式爆破保护装置利用管道爆破瞬间流速的突变,引起保护装置两端压差的突变,实现紧急切断.该装置可以判断正常流量的增加和管道爆破的突增.通过多年摸拟试验和工业运用试验,管道爆破值的认定和整定,可以根据工况的实际情况,试验确定.

为防止关闭管道过快而引起的再爆破,特为该装置增加缓闭功能,从而保证管道爆破保护的可靠性.在研制过程中,先后设置了缓冲器、调节器,把装置关闭时压力升高控制在许可范围,由此设计了A,B,C,D 4种结构分别进行试验、选择[2-3].

1)A型梭式管道爆破保护装置 其结构形式见图2.阀芯内设有缓冲器,当阀芯关闭时可以减缓关闭时间.该结构利用阀芯内的缓冲器减缓阀瓣关闭速度,使水击产生的压力降到最低点.图3为其水击压力波形图.

2)B型梭式管道爆破保护装置 其结构形式见图4.该结构在阀体留有泄压孔,由阀前向阀后泄压,中间连接一个调节阀,泄压后自动关闭,当阀芯关闭时,瞬时压力突然增高,而通过泄压孔泄出部分压力(调节阀泄压滞后3s后自动关闭),使水击产生的压力降低一部分.图5为其水击波形图.

图2 A型结构示意图1-阀体;2-阀芯;3-缓冲器

图3 A型保护装置水击压力波形图流速v=1.4 m/s;水击压力Δp=0.05 MPa

3)C型梭式管道爆破保护装置 其结构形式见图6.该结构综合前2种结构形式,又增加了过渡带,在阀座增加了反向流,缓闭阀芯关闭运动速度,同时又能通过阀体泄压孔泄掉一部分压力,使产生的水击压力降到最低点.图7为其水击压力波形图.

图6 C型结构示意图1-阀体;2-调节器;3-阀芯;4-泄压孔;5-缓冲器

图4 B型结构示意图1-阀体;2-调节器;3-阀芯;4-泄压孔

图5 B型保护装置水击压力波形图流速v=1.4 m/s;水击压力Δp=4.55 MPa

图7 C型保护装置水击压力波形图流速v=1.4 m/s,水击压力Δp=0.005 MPa

4)D型梭式管道爆破保护 其装置结构见图8.阀芯内未设缓冲器,阀体上未设泄压孔,中间未接调节器.关闭迅速,但压力升高突增,不安全.图9为其水击压力波形图.

5)试验结果分析

图8 D型结构示意图1-阀体;2-阀芯

图9 D型保护装置水击压力波形图流速v=1.22 m/s;水击压力Δp=7.3 MPa

(1)正常运行时流量变化很小 设定爆破保护流量值为35 m3/h,试验结果如表3所列,该数据表明：流量值设定后,其变化范围在0%～3%之内,误差小于3%.

(2)C型结构最合理 除A,B,C型结构外,为了对照,也将D型(无缓闭和无泄压)结构投入了水击试验,由4种水击压力波形曲线,获得的参数列于表4.

表3 爆破保护流量值试验结果

其中：p1保护装置进口压力;p2保护装置出口压力;Q保护装置流量值.

表4 梭式爆破保护装置水击试验结果

从表2中可以看出C型(缓闭、泄压结构)形式产生水击压力最小.D型进口前(无缓闭泄压结构)形式水击最大,对输送管道产生破坏作用,必须采用缓闭和泄压结构形式才能满足使用要求.

3 梭式爆破保护装置的应用

3.1 利用经放大的本体介质驱动主阀

为适应大型阀的控制、管理,建立最新系统,改造传统系统,需：(1)适应SCADA,DCS,VSAT等系统;(2)适应当今已经成熟、标准规范的现有大型执行元件,如蝶阀、球阀、闸阀;(3)适应和改造现有的系统,在保持现有工艺系统不变、控制主阀体不变的情况下提高可靠性和调节精度.据此,利用经放大的本体介质驱动大型阀门实现管道爆破保护系统[4-6]原理如图10所示.

图10 非能动管道爆破保护系统

3.2 利用本体介质驱动通球自控主阀

本发明除考虑管道爆破保护外,还要能与自动化系统结合通过自控系统操作主阀,清洁球通过,如图11所示.它能做到清洁球到达和离开的主阀自动启闭,利用介质运载的指挥器随机自动启闭主阀控制[7].

图11 非能动管道通球爆破保护系统

3.3 与现代控制系统集成

该装置可利用原有的通讯系统、伺服调节系统实现在线无级调节.也可与卫星系统(VSAT)、智能化集中控制系统(SCADA)等结合成现代的综合控制系统,如图11示.它能做到当爆破发生时,可利用远距离采集的数据实时地找出爆破点,并实施控制.

图12 非能动管道爆破保护系统与SCADA的集成

4 结 束 语

梭式系列控制技术,强调了非能动控制,为不同的自然条件,不同的介质要求,不同的安全级别和可靠性的要求,提供了有效、节能、价廉、可靠性高的流体自动化控制体系.本技术不具排它性,可以根据输送系统的要求,与其他控制体系结合形成有效的体系.梭式系统控制技术系统及其新型的基本控制元件,不仅适合密闭管道的远距离输送,而且为石油、化工、供水、发电、航空及核电等系统提供了新技术思想和新的控制元件.

[1]陈 崑,曾祥炜,姚 进.压力管道梭式非能动控制系统.制造业自动化,2008,2：72-74.

[2]徐合力,蒋炎坤.弯曲输流管道流固耦合流动特性研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版,2008, 32(2)：343-347.

[3]曾祥炜,黄首一,高树藩,等.梭式管道爆破保护装置的动态特性[J].油气储运,1999,18(1)：30-34.

[4]曾祥炜.非能动控制梭式管道爆破保护装置.中国, 1419640[D].2004-01-15.

[7]曾祥炜.非能动控制梭式通球管道爆破保护装置.中国,1419643[P].2004-01-15.

[6]Zeng Xiangwei,Qiu Xiaoping,Huang Huang,et al. Shuttle-type passive control system for pressure pipeline conveying[C]//Proc.8th Conference on Systemics,Cybernetics and Informatics,2004,8：446-451.

[6]Zeng Xiangwei,Chen Kun,Qiu Xiaoping,et al.The burst protectors for the pressure pipeline in shuttletype passive control system[C]//Proc.9th Conference on Systemics,Cybernetics and Informatics, 2005,(2)：403-407.