氣動雙作用保位開關閥的設計與應用

吳 剛 毛聞之 吳佳歡

(中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 100085)

氣動雙作用保位開關閥的設計與應用

吳 剛 毛聞之 吳佳歡

(中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 100085)

針對在油田地面工程中受現場惡劣自然條件和氣溫的限制雨淋閥難以得到有效應用的問題，提出一種用雙作用氣動保位開關閥替代電式啟動雨淋閥的設計，為某些特殊工況下雨淋閥的選用提供了另一種選擇。雙作用氣動保位開關閥已在某海外油田地面工程中實際應用。

氣動雙作用保位開關閥 雨淋系統 故障保位

雨淋閥是一種水力驅動遠程控制的閥，可通過干式、濕式及電式等方式來開啟或關閉，滿足消防管網內注水的需要。當消防結束后，又能重新恢復伺應狀態。

根據國標[1～3]和相應行業標準的要求，大型原油儲罐、液化天然氣球罐及石油氣儲配站等多種工業場合均需設置消防雨淋系統。隨著近幾年石油化工、油氣儲運項目處理量和規模的不斷增大，爆炸和危險性升高，作為消防雨淋系統核心設備之一的雨淋閥得到廣泛使用。伊拉克南部米桑省某油田是中石油在中東地區的主力區塊之一，已探明石油和天然氣儲量巨大，主要包括3個原油中心處理站、一個天然氣中心處理站，且各站場內設計有眾多大型儲運設施，故消防系統和雨淋閥得到大量使用。根據介質特點，要求雨淋閥必須有良好的密封特性，快速的開關行程時間(一般小于15s)，準確的閥位回訊，且不受外部動力源故障影響，能夠實現可靠的開關/保位。

常規雨淋閥使用時，閥前管線充水，閥后為空管，對設置場所的溫度有要求。對于伊拉克油田，現場氣候條件惡劣,冬季晝夜溫差極大，極限工況下露天設置的雨淋閥可能冰堵。若將閥門設置在室內，由于防火間距和總圖布置的要求，勢必增長消防管線，延長冷卻水上罐時間；且管線增長后因腐蝕、銹蝕產生的銹渣、雜質等的量也會增加。而水霧噴頭的孔徑極小，極易堵塞[4]。至于保溫伴熱或管線直埋等措施，由于增加項目投資或增大運行維護量的原因，不推薦使用。

由此可見，特殊環境下油田地面工程雨淋系統設計時，消防管線是否帶壓、雨淋閥的選型設置等不能完全照搬傳統設計思路，需要結合現場情況而合理設計。雖然雨淋閥的控制原理和閥門結構經過多年的演變，形成了多個種類(如隔膜型、活塞型及杠桿型等)，但由于帶壓工作等多種原因，均不能完全適應油田地面工程的特點；而現有不同項目或相關論文中的閥門改造和優化(如引入止回單元[5]，改造閥芯結構適應大流通能力的特點，優化基本液路控制單元等)，也沒有根本改變核心控制原理和雨淋閥自身適應性，難以完全適應油田項目的特殊性。

筆者通過借鑒常規兩位式氣動控制閥[6]的氣路控制原理，參考某些特殊功能控制閥的控制回路中電磁閥的巧妙應用[7，8]，合理選擇閥體類型后，采用氣動/雙作用/故障保位/活塞式/開關球閥(含執行機構)來代替常規雨淋閥，確保實現了各種工況下的故障保位即不受動力源失去的影響，滿足了閥門快速開啟、關閉，遠程受控的功能需求。而且由于不用帶壓工作，從而適應現場惡劣環境的特點，成功應用于伊拉克南部米桑省某油田項目。

1 氣動雙作用故障保位活塞式開關閥的結構與原理

雨淋閥的選用中，電式啟動雨淋閥因其與站控系統聯鎖控制的時效性和操作運行的可控性而得到廣泛使用，此處針對該類雨淋閥進行相應的功能替代設計。

氣動雙作用故障保位活塞式開關閥的氣動控制回路包括雙作用活塞執行機構(合理設計承壓面積，確保行程時間滿足快開要求)、兩位兩通氣控閥、三位五通雙勵磁電磁閥、止回閥、儲氣瓶及過濾調壓器等。閥門本體的選型可考慮全通徑閥芯、固定式球閥(分體式結構/硬密封五級/快開特性)。

1.1閥的氣動控制回路狀態1

閥的氣動控制回路狀態1——無氣源，執行機構保位如圖1所示。

圖1 閥的氣動控制回路狀態1

閥的氣動控制回路狀態1的相應三位五通電磁閥(SOV)在不同控制命令下的工作狀態如下：

a. SOV在線圈1(Coil1)和線圈2(Coil2)都不帶電時，兩邊線圈都沒有磁場，兩邊的彈簧推力相等，因此SOV里的滑閥會被兩邊的彈簧推力推到中間并維持在中間位置。SOV的氣源入口被堵，連接氣控閥1(PV1)和氣控閥2(PV2)的出口也會被堵。通往PV1和PV2的氣源因此會被SOV斷開。

b. SOV在Coil1和Coil2都帶電時，兩邊線圈都有磁場。磁場產生的推力互相抵消，兩邊的彈簧推力也相等。因此SOV里的滑閥會被兩邊的彈簧推力推到中間并維持在中間位置。SOV的氣源入口被堵，連接PV1和PV2的出口也會被堵，通往PV1和PV2的氣源因此會被SOV斷開。

c. PV1和PV2在沒有氣源的情況下，彈簧推力會把PV1的滑閥推到右邊位置，把PV2的滑閥推到左邊位置，連接PV1和PV2的氣源都被排空，PV1和PV2連接A缸和B缸的氣路被堵，故A缸和B缸里的氣壓將被鎖在缸里。

d. 氣缸執行機構因此維持在最后位置。

當然，如果儲氣瓶上游的儀表風氣源故障失氣，由于氣瓶入口的止回閥和氣瓶自身儲氣量的保證，氣缸執行機構也能保位。后續各種工況分析也都包含此工況，不再贅述。

1.2閥的氣動控制回路狀態2

閥的氣動控制回路狀態2A——無氣源，信號開閥，執行機構保位如圖2所示。

圖2 閥的氣動控制回路狀態2A

閥的氣動控制回路狀態2A的相應電磁閥在不同控制命令下的工作狀態如下：

a. SOV的Coil1不帶電、Coil2帶電。Coil1線圈沒有磁場，Coil2有磁場，兩邊的彈簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑閥會被Coil2的磁場吸到右邊位置。SOV的氣源和PV2接通，PV1的氣會被排空，但因為沒有氣源，將沒有氣壓通往PV2。

b. PV1和PV2在沒有氣源的情況下，彈簧推力會把PV1的滑閥推到右邊位置，把PV2的滑閥推到左邊位置，連接PV1和PV2的氣源都被排空，PV1和PV2連接A缸和B缸的氣路被堵，因此A缸和B缸里的氣壓將被鎖在缸里。

c. 氣缸執行機構因此維持在最后位置。

閥的氣動控制回路狀態2B——無氣源，信號關閥，執行機構保位如圖3所示。

閥的氣動控制回路狀態2B的相應電磁閥在不同控制命令下的工作狀態如下：

a. SOV的Coil1帶電、Coil2不帶電。Coil1線圈有磁場，Coil2沒有磁場，兩邊的彈簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑閥會被Coil1的磁場吸到左邊位置。SOV的氣源和PV1接通，PV2的氣會被排空，但因為沒有氣源，將沒有氣壓通往PV1。

圖3 閥的氣動控制回路狀態2B

b. PV1和PV2在沒有氣源的情況下，彈簧推力會把PV1的滑閥推到右邊位置，把PV2的滑閥推到左邊位置，連接PV1和PV2的氣源都被排空，PV1和PV2連接A缸和B缸的氣路被堵，故A缸和B缸里的氣壓將被鎖在缸里。

c. 氣缸執行機構因此維持在最后位置。

1.3閥的氣動控制回路狀態3

閥的氣動控制回路狀態3——有氣源，執行機構保位如圖4所示。

圖4 閥的氣動控制回路狀態3

閥的氣動控制回路狀態3的相應電磁閥在不同控制命令下的工作狀態如下：

a. SOV在Coil1和Coil2都不帶電時，兩邊線圈都沒有磁場，兩邊的彈簧推力相等，因此SOV里的滑閥會被兩邊的彈簧推力推到中間并維持在中間位置。SOV的氣源入口被堵，連接PV1和PV2的出口也被堵，通往PV1和PV2的氣源因此會被SOV斷開。

b. PV1和PV2在有氣源情況下，氣源壓力會克服彈簧推力把PV1滑閥推到左邊位置，把PV2滑閥推到右邊位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 雖然氣缸里的氣壓可以通過PV1和PV2排出，但因位SOV的滑閥在中間位置，所以A缸和B缸里的氣壓無法通過SOV排空，氣源也無法通過SOV進入A缸和B缸，因此執行機構將維持在最后位置。

1.4閥的氣動控制回路狀態4

閥的氣動控制回路狀態4A——有氣源，信號開閥，執行機構開閥如圖5所示。

圖5 閥的氣動控制回路狀態4A

閥的氣動控制回路狀態4A的相應電磁閥在不同控制命令下的工作狀態如下：

a. SOV的Coil1不帶電、Coil2帶電。Coil1線圈沒有磁場，Coil2有磁場，兩邊的彈簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑閥會被Coil2的磁場吸到右邊位置。SOV的氣源和PV2接通，PV1的氣會被排空。

b. PV1和PV2在有氣源的情況下，氣源壓力會克服彈簧推力把PV1滑閥推到左邊位置，把PV2滑閥推到右邊位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 氣源壓力通過SOV和PV2進入B缸，A缸里的氣壓通過PV1和SOV排空，因此執行機構活塞將從B移向A，執行機構把閥打開。

閥的氣動控制回路狀態4B——有氣源，信號關閥，執行機構關閥如圖6所示。

閥的氣動控制回路狀態4B的相應電磁閥在不同控制命令下的工作狀態如下：

a. SOV的Coil1帶電、Coil2不帶電。Coil1線圈有磁場，Coil2沒有磁場，兩邊的彈簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑閥會被Coil1的磁場吸到左邊位置。SOV的氣源和PV1接通，PV2的氣會被排空。

圖6 閥的氣動控制回路狀態4B

b. PV1和PV2在有氣源的情況下，氣源壓力會克服彈簧推力把PV1滑閥推到左邊位置，把PV2滑閥推到右邊位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 氣源壓力通過SOV和PV1進入A缸，B缸里的氣壓通過PV2和SOV排空，因此執行機構活塞將從A移向B，執行機構把閥關閉。

1.5閥的氣動控制回路狀態5

閥的氣動控制回路狀態5——有氣源，雙線圈同時帶電，執行機構保位如圖7所示。

圖7 閥的氣動控制回路狀態5

閥的氣動控制回路狀態5的相應電磁閥在不同控制命令下的工作狀態如下：

a. SOV在Coil1和Coil2都帶電時，兩邊線圈都有磁場，磁場產生的推力互相抵消，兩邊的彈簧推力也相等，因此SOV里的滑閥會被兩邊的彈簧推力推到中間并維持在中間位置。SOV的氣源入口被堵，連接PV1和PV2的出口也會被堵，通往PV1和PV2的氣源因此會被SOV斷開。

b. PV1和PV2在有氣源的情況下，氣源壓力會克服彈簧推力把PV1滑閥推到左邊位置，把PV2滑閥推到右邊位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 雖然氣缸里的氣壓可以通過PV1和PV2排出，但因位SOV的滑閥在中間位置，所以A缸和B缸里的氣壓無法通過SOV排空，氣源也無法通過SOV進入A缸和B缸，因此執行機構將維持在最后位置。

2 安裝與操作

采用雙作用氣動保位開關閥替代電式啟動雨淋閥后，仍然應該注意其作為雨淋閥使用中的一些要點[9]：

a. 雨淋閥裝置應盡量安裝在自然地坪以上的水平管道上，安裝位置應有足夠的空間，以便安裝維護與保養。

b. 安裝雨淋閥之前，供水管路必須徹底清洗，確保管道中沒有雜物。

c. 雨淋閥的關閉，需經過人工復位(確認)；執行機構配電磁閥可采用復位按鈕，以實現現場確認后回位。

d. 為氣動保位開關閥配置合理的手輪組，以實現可靠的現場手動開關操作，例如為電磁閥排氣和兩側氣缸連通提供手輪。

e. 氣瓶位置應距離閥門本體盡可能地接近，減少中間氣路故障可能。

f. 按照消防規范要求，定期測試雨淋閥裝置，確保可靠運行。

3 結束語

電式啟動雨淋閥在某些惡劣自然環境下操作使用不便，給項目投資和運行維護帶來一些問題；由于某些工程中工藝流程設計上的先決條件，導致部分消防管路無法帶壓，從而某些位置亦無法使用雨淋閥。雙作用氣動保位開關閥為部分工程應用提供了另一種功能替代選擇，它通過合理設計氣缸承壓面積、氣瓶容量和閥體選型，實現了與電式啟動雨淋閥功能和性能完全一致的控制效果。

氣動開關閥適用的溫度范圍較廣，操作方便快捷，降低了消防管網的運行維護工作量，為油田地面工程中雨淋閥的選型提供了新選擇。

[1] GB 50219-2014,水噴霧滅火系統技術規范[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[2] GB 50084-2001,自動噴水滅火系統設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2001.

[3] GBJ 16-87,建筑設計防火規范[S].北京:中國計劃出版社,1988.

[4] 戚友軍.淺談寒冷地區雨淋閥的設置[J].消防技術與產品信息,2004,(8):16～17.

[5] 鄭觀雄.止回式雨淋閥在消防工程上的應用[J].閥門,1995,(2):17～18.

[6] 顧天驃.新型氣動控制閥[J].化工自動化及儀表,1991,18(6):47～52.

[7] 陳金星,劉家勝.兩位式控制閥的控制氣路改進[J].化工自動化及儀表,2002,29(2):54～56.

[8] 李幫軍.電磁閥冗余在控制閥上的應用[J].化工自動化及儀表,2013,40(4):545～548.

[9] 余小玲.大朝山工程消防系統中的雨淋閥裝置[J].水利水電施工,2002,(3):79～80.

TH138.52+2

B

1000-3932(2016)05-0546-05

2016-04-11(修改稿)