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电子式调节阀在模拟长距离管道工况中的应用

管道工况中管道系统是由管道、泵站、检测控制设备和其他辅助设备构成的复杂水力系统,其管理、运行与维护的技术性非常强。运行管理人员的训练水平直接决定了管道输油保障能力的高低。但由于经费和实际条件的限制,在训练中很难实现管道系统的实际运行工况,仅能采用短管道加装阻力管的形式。由于训练工况与长距离管道的实际情况有较大差别,针对长距离管道突发工况处理的相关科目的训练几乎为空白,因此使训练效果大打折扣。

调节阀用于长距离管道工况的模拟,是对调节阀在工程应用中的拓展和创新。调节阀又称控制阀,是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置,它由执行机构和阀组成。执行机构起推动作用,而阀起调节流量的作用,执行机构将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置,阀是调节阀的调节部分,它与介质直接接触,在执行机构的推动下,改变阀芯与阀座之间的流通面积,从而达到调节流量的目的。

1 管道的水力特性

管道沿程水力摩阻一般采用达西—韦斯巴赫公式计算:

式中:hf为沿程水力摩阻,m;λ为沿程摩阻因数;l为管道长度,m;d为管道内径,m;v为液体的平均流速,m/s。

摩阻因数随流态而不同,是雷诺数和管子相对粗糙度的函数。因为

且π和g为常数,所以式(1)可写成:

式中:l为管道长度,m;d为管道内径,m;q为流量,m3/s。

0.082 66是一个单位为s2/m的量。在应用式(2)时,必须使用上述规定的各量的单位。

等径管道所需压头按式(3)计算:

式中:h为管道所需压头;Δz为输送高度,即管道终点对起点的高差,终点低于起点时为负值;Δhz为终端所需压头。

在确定的输送条件下,Δz和Δhz为确定值,当输送流量一定时,管道越长,所需压头越大。设定两根长度分别为l1和l2(l1<l2)的管道,在相同的流量下管道所需的压头分别为h1和h2,用管道特性曲线表征q和h的关系(图1)。

图1 管道特性曲线

在相同的流量q下,两管道所需的压头值相差为Δh:

由短管道和长管道特性曲线分析比较可知,如果用长度为l1的短管道来模拟长管道l2,要实现相同的工况,则需要使用调节阀调节管道l1的流量,使之达到流量q,此时调节阀进出口压差需要达到Δh,即选用调节阀时应满足的流量和压差条件。如将该条件转化为流量和开度的关系,则对调节阀的选择和使用控制会更具有应用价值。

2 调节阀的工作流量特性

2.1 调节阀的流量特性

调节阀的流量方程式为:

式中:q为流体的体积流量,m3/s;A为调节阀连接管的横截面积,m2;ξ为调节阀的阻力系数,与调节阀的结构形式、流体的性质和开度有关;p1为调节阀阀前的压力,Pa;p2为调节阀阀后的压力,Pa;ρ为流体密度,kg/m-3

调节阀的流量系数

由式(5)可得到:

用曲线表示调节阀进出口压差与流量的关系(图2)。

图2 调节阀进出口压差与流量的关系曲线

图1和图2将短管道模拟长管道流量与压力的关系和调节阀进出口压差与流量的关系对应起来,使短管道加调节阀模拟长距离管道工况成为可能。

2.2 调节阀与管道结合的工作流量特性

调节阀与管道串联系统的总压差Δps等于管道系统(除调节阀外的全部设备和管道)的压差ΔpΣ与调节阀的压差Δpv之和:

从调节阀的流量方程可知,通过调节阀的流量q与流量系数Kv有关,而流量系数又随阀门开度而变化。根据调节阀压差的变化规律,最终可推算出相对流量与相对位移的关系式,即调节阀的工作流量特性。qmax表示管道阻力等于零时调节阀全开流量,q100表示存在管道阻力时调节阀的全开流量,则有:

式中s为系统中阀的压降比,也称阀阻比,s值越大,调节阀上的压差损失越大;s值越小,畸变越严重。为了保证调节质量,需选用具有恰当s值和流量特性的调节阀。以理想流量特性为等百分比特性的调节阀为例,可得不同s值时,调节阀的工作特性畸变情况(图3)。

(a) 以qmax为参比值     (b) 以q100为参比值

图3 串联管道时调节阀的工作特性

3 长距离管道工况模拟原理与控制

由管道的水力特性和调节阀的特性分析得出,采用短管道加调节阀模拟长距离管道工况时,为了达到与长距离管道相同的流量,调节阀进出口压差应对应达到Δh;在该流量下的流量比q/q100对应阀门的开度1/L亦为定值。各量之间形成确定的对应关系。通过控制系统和执行机构定量改变调节阀的开度1/L,达到调节流量到给定值的目的,实现用短管道加调节阀对长距离管道工况的模拟。

在实际工程应用中,采用短管道加调节阀模拟长距离管道工况时,首先应根据实际条件选择具有合适流量特性和阀阻比的调节阀。调节阀的控制过程为,根据所需模拟的长距离管道工况进行理论计算,得出流量qt和调节阀两端压差Δh;采集调节阀进出口压力得到实际压差Δh,比较Δh与Δh,判断阀门应执行的动作;qt对应流量比q/q100,由调节阀的工作特性曲线得到对应的阀门开度1/L,控制机构和执行机构调节阀门开度到l/L,即得到模拟流量q;实时测量调节阀进出口压力和管路的流量,将测量值反馈到控制机构并与理论值进行比较,从而判断和控制阀门动作。

图4 调节系统流程图

调节系统(图4)由变送器、调节器、调节阀和调节对象等构成。这是一个闭环系统,当进行管道工况模拟时,输入参数的变化破坏了原来的平衡状态。通过变送器的检测(流量和压力),调节器调节阀的动作,使被调参数(管路中的流量)达到指定值,即实现所需工况的模拟。

通过对管道水力特性和调节阀特性的分析研究,阐明了调节阀在长距离管道工况模拟中的应用原理,并提出了控制方案,拓展了调节阀在管道中的应用范围。若将该原理用于管道运行与管理人员的训练,不仅能够用短管道实现长距离管道工况的模拟,提高管道系统实际运行工况的训练水平,而且能显著降低训练成本,具有较高的实际应用价值,减少生产中操作上的错误,及时有效的解决问题,提高生产。