國產高壓差小流量控制閥在海洋石油平臺中的應用研究

劉橋林，石月娟

(1. 中海石油(中國)有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524057；2. 吳忠儀表有限責任公司，寧夏 吳忠 751100)

海洋石油開發對中國國民經濟發展具有戰略意義，隨著國內海洋石油勘探開發技術的不斷提高，中國已建成上百座海洋石油平臺；海洋石油開采平臺建設投資巨大，生產環境惡劣，危險多，因此對于設備設施的安全性、穩定性和可靠性要求很高。在海洋石油生產中，存在較多嚴苛的流體控制工況，如高壓注水壓力控制、往復式天然氣壓縮機滌氣罐液位控制、TEG脫水系統接觸塔液位控制等，以上工況往往具有高壓差、小流量的特點。

1 工藝參數

某海洋石油平臺撬塊工藝參數見表1所列。

2 計算與結構選型

控制閥應用得好壞，除產品質量和用戶是否正確安裝、使用與維護外，正確的計算選型十分重要。

2.1 液位控制閥現狀及存在的問題

在某氣田群開發工程項目投產前，發現已完成現場安裝的進口TEG脫水系統接觸塔液位控制閥，存在如下隱患：

表1 某海洋石油平臺撬塊工藝參數

1)閥芯流速達到45 m/s，遠超ISA推薦的閥芯流速30 m/s。過高工作壓差極易使出口處產生高流速，從而引發整個閥門氣蝕、沖刷及高噪音，更甚者引發管道振動等危害現象發生，不利于整個系統的正常工作。該閥門選用STELLITE高強度和耐磨性材料作為內件，這雖然能在一定程度上延長閥門使用壽命，卻不能從根本上解決問題。

2)表1中，pv值選取太小，閥門計算CV偏小，導致最終選取的額定CV偏小，閥門不能滿足最大流量調節的要求。

2.2 介質成分及閥門CV值的計算

按表2所列數據，該閥門入口之前的介質是氣液兩相，其中的氣相介質是天然氣(甲烷、乙烷、氮氣)等，而液相介質則是三甘醇、水、液態天然氣(異戊烷、異丁烷、正丁烷、丙烷)等其他成分，CO2溶解在三甘醇之中。

介質流入閥門之后，由于壓力降低，CO2會從三甘醇中釋放出來，液態天然氣及溶解天然氣成分也會氣化。計算液相介質時，所用的pv值應該按介質中的摩爾分數推算得出，詳見表3所列。三甘醇本身的飽和蒸氣壓很低，在該項目中不存在氣化的問題。所以，如果用三甘醇的飽和蒸氣壓作為該閥門液相介質的pv，計算出來的CV值會偏小。選型計算中的pv是與三甘醇中CO2摩爾分數有關。

表2 介質的具體成分及摩爾分數

按表3混合介質物理數據分析，根據整體液相介質的摩爾分數，綜合后得pv=0.631 MPa，氣相流量為10.5 kg/h，液相流量為1 818.5 kg/h。

表3 混合介質物理數據分析

液位控制閥選型數據見表4所列，氣相介質的計算CV=0.008 0；當pv=0.631 MPa時，液相介質計算CV=0.254 1，詳見表4選型數據表最后1列。該閥門的氣相加液相總介質的計算CV=0.008 0+0.254 1=0.262 1。為了安全起見，在p1與p2之間選取pv=4 MPa。在pv=4 MPa的兩種工況下，計算閥門CV分別為0.304 6，0.318 0，選取額定CV=0.350 0。

2.3 多級降壓控制閥

對于液體介質，當介質壓力低于飽和蒸汽壓時，會導致閃蒸現象的發生，從而產生阻塞流。根據流體力學相關理論，當高壓差介質流經某阻力元件后，靜壓能與動壓能相互轉換，流速的增加會致使壓力降低。因此，增大介質的阻力系數可實現控制高壓降的目的。多級降壓閥芯使得每級節流均能保證節流處壓力處于汽化壓力之上，從根本上消除氣蝕現象。

表4 液位控制閥選型數據

現給定參數的介質工作壓差高達8.638 MPa，內件只有采用多級降壓原理結構，才能有效地控制閥芯出口流速，各種工況和閥芯對應的流速分析見表5所列。

表5 各種工況和閥芯對應的流速分析 m/s

采用吳忠儀表有限責任公司生產高阻抗軸向防空化的多級降壓控制閥結構如圖1所示，該結構閥門能夠平穩、精確地調節具有高壓力降的液體和氣體介質，完全能夠消除傳統單座閥在高壓差工況調節時所帶來的空化、氣蝕、震動以及高噪音的影響。該閥門設計的固有流量特性是由多級凹口減壓閥芯和閥芯套構成的大流量通道實現的，無論調節的介質是單一的還是混合的，即使含有細小雜質顆粒，都具有非常好的調節性能。

與多級迷宮和低噪音結構設計相比，串式減壓更適于有潛在介質堵塞問題的海洋平臺，即使是CV值很小，也可以提供特殊的解決方案。串式多級減壓控制閥采用套筒全程導向，導向表面硬化處理，以應對汽蝕產生的震動，延長使用壽命。選擇執行機構時滿足最大關閉壓差下，閥門能夠完全動作，并且執行機構輸出力按1.3倍的余量考慮。

圖1 串式減壓結構示意

3 控制閥選型結果分析與驗證

3.1 流場數值模擬分析

將計算流體力學(CFD)技術引入該產品的整個設計過程，用以設計驗證，從而保證了閥門設計的技術含量和產品質量。通過CFD技術分析開度100%時的內部流場的速度云圖和壓力云圖，如圖2和圖3所示。

圖2 開度為100%時內部流場速度云圖示意

通過圖2可見，進出口流速比較均勻。由于介質流至串式閥芯里，根據連續性方程，流通面積急速下降，速度變大，此時的壓力也隨之迅速降低。

通過圖3可見，串式閥芯內部的流體壓力均在凹口轉彎道內逐漸下降，直至出口處壓力降到最低。流體介質的壓力在串式閥芯里逐級降低，第一級壓降最高，第二級次之，以此類推。使每一級壓力都保持在飽和蒸氣壓以上，從根本上消除了閃蒸，避免氣蝕損壞閥內件，從而保證了閥門在高壓差工況下的長周期可靠運行。

圖3 開度為100%時內部流場壓力云圖示意

3.2 試驗驗證結果

按GB/T 4213—2008《氣動調節閥》 6.11規定對控制閥進行流量試驗測試，實測試驗數據詳見表6所列。由表6可知，閥門額定流量系數實測值CV為0.352 3，與規定值(即設計值CV為0.35，則KV≤5)的偏差未超過規定值的±20%，符合標準規定。在相對行程為10%～80%，斜率偏差均位于7%～13%，滿足標準要求；在相對行程>80%時，斜率偏差為7.92%值時位于3%～15%內，滿足標準要求。據此繪制的流量特性曲線圖如圖4所示。

表6 閥門流量試驗測試數據

續表6

圖4 流量特性曲線

4 結束語

采用國產高壓差小流量控制閥替代國外針型閥芯的控制閥，避免了采購國外品牌控制閥超長到貨期、法蘭間距不一致導致現場配管需要切割焊接壓力測試等問題，有力保證了項目質量和進度，控制閥的穩定運行保證了整個氣田的生產安全穩定運行，取得了良好的研究應用效果。