核化工項目儀控壓空系統分析

朱凌佳

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

氣動控制閥是化工工業企業中廣泛應用的儀控設備。其工作原理是以壓縮空氣為動力，以薄膜或氣缸為執行機構，結合閥門定位器、電磁閥和保位閥等去驅動閥門，進行比例性或開關量的調節。氣動控制閥分為氣動調節閥和氣動開關閥，執行機構通常為氣缸式或薄膜式。薄膜式通常接收0.02MPa～0.10MPa的標準壓力，而氣缸式的操作壓力可達0.5MPa。

在核化工項目中，儀控用氣設備除了大量使用的氣動控制閥外[1]，還存在很多特有的非接觸式的檢測儀表，例如吹氣裝置[2]。部分化工設備都安裝在設備室或熱室內，在生產運行過程中，其液位、液位信號、界面以及密度需要進行檢測。由于設備和熱室內存有大量的高放射性的酸堿物質，人員很難進入，在工程設計中對上述各參數的檢測方法在滿足測量需求的前提下，必須考慮到儀表的調試、運行、檢修等階段的人員輻照和放射性泄漏問題。而吹氣裝置配差壓變送器的非接觸式的檢測手段可以滿足以上要求，并克服了一般非接觸式儀表（紅外和超聲等）不能同時滿足對設備內介質進行檢測，又能讓儀表不安裝在設備室或熱室內。這些吹氣裝置需要氣源供氣后才能正常使用。以上這些構成了核化工項目中儀控壓空系統的用氣主體。

1 3類典型的儀控壓空方案設計

在核化工項目中，物項劃分為放化安全級和非安全級兩大類。凡承擔或支持后處理廠安全功能，其損壞可直接或間接導致事故工況，以及其他具有防止事故發生或緩解事故后果功能的物項，屬于放化安全級物項，其余為非安全級物項。因此，部分需要壓空用氣的儀表設備會參與執行放化安全級功能，正常工況下由正常壓空提供用氣，事故工況下由應急壓空提供用氣。所以，儀控壓空包含了正常壓空和應急壓空。

圖1 某核化工項目的儀控壓空示意圖Fig.1 Schematic diagram of instrument-controlled compressed air in a nuclear chemical project

圖2 某項目儀控系統壓空分配圖Fig.2 Compression air distribution diagram of the instrumentation and control system of a project

圖3 玻璃固化項目的儀控壓空示意圖Fig.3 Schematic diagram of the instrument-controlled air pressure for the glass curing project

在某核化工項目中，儀控壓空系統的設計方案如圖1。

正常壓空的一路經穩壓貯存罐后用于非安全級吹氣裝置和非安全級氣動開關閥的用氣，并保證30 min不間斷，另一路經穩壓貯存罐后用于非安全級氣動調節閥的用氣。兩路應急壓空用于安全級儀表、安全級氣動開關閥的用氣，同一安全級測點的兩重冗余儀表分別使用兩路應急氣源。在正常運行工況下，正常壓空都能保證非安全級吹氣裝置和安全級吹氣裝置的供氣不間斷，防止吹氣管堵塞或放射性物質沿吹氣管向外擴散。事故工況下，應急壓空儲氣罐可保證儀表設備的30 min用氣量，同時兩臺應急壓縮空壓機啟動，分別為兩路安全級的儀表設備提供應急氣源，以保證儀表在事故工況下使用。儀控系統壓空分配圖如圖2。

在某玻璃固化項目中，在借鑒國外同類項目的背景下，結合國內核化工項目的特點，提出儀控壓空系統的設計方案如圖3。

相比于設計方案（a）（b）里不再區分儀表設備和控制設備，跟其他核化工項目一樣，儀控系統壓空分為非安全級儀控壓空和安全級儀控壓空。非安全級儀控壓空來源于壓空站的正常壓空，安全級儀控壓空在非事故工況下也由正常壓空提供，事故工況下正常壓空失效后由應急壓空機1或2（一用一備）經應急壓空貯氣罐提供。由于項目中存在執行放化安全功能和不執行放化安全功能（又叫固有安全）的安全級氣動開關閥，分別由安全級儀控壓空和非安全級儀控壓空提供用氣。同樣的，儀控壓空分配圖如圖4。

考慮到以上兩個項目的應用背景不盡相同，其借鑒的項目也不一樣，因此儀控壓空方案在設計的時候有所差別。在某核化工項目中，安全級儀表進行冗余設計，安全級壓空按兩路冗余設計，應急壓空機分別給兩路應急壓空提供氣源。這樣保證了安全級儀表在一路失效的情況下，另一路仍能執行放化安全功能，而單列安全級的儀控設備只能放在兩路應急壓空的其中一路。而在玻璃固化項目中，儀控應急壓空不再分成兩路應急壓空，兩臺應急壓空機是一用一備的關系，一起給一路應急壓空提供氣源。這樣保證了在任意一臺應急壓空機失效的情況下，依然有應急壓空機提供應急壓空。

圖4 玻璃固化項目儀控系統壓空分配示意圖Fig.4 Schematic diagram of pressure distribution in the instrumentation and control system of the glass curing project

2 用氣耗氣量的計算方法

從上述的用氣方案可以看出，儀控系統壓空的耗氣總容量取決于吹氣裝置和氣動控制閥的耗氣量。按工業自動化術語，耗氣量的定義為：氣動儀表、元件或控制設備為完成給定動作在規定時間內所消耗的標準狀態空氣量，以每小時標立（Nm3/h）表示。

在進行核化工項目設計時需要考慮到工程的經濟性，儀控設備的耗氣量會影響到儀表空壓機的容量，因此耗氣量的計算要有所依據。為便于統計儀控設備的耗氣量，本文將對儀控系統中的各用氣主體的耗氣量進行簡單剖析，用匯總包絡的計算方式討論各類儀控設備在工作范圍內最大的耗氣量。假設所有吹氣裝置的耗氣量為Q1，氣動調節閥的耗氣量為Q2，非安全級氣動開關閥（包含不執行放化安全功能的安全級氣動開關閥）的耗氣量為Q3，安全級氣動開關閥（執行放化安全功能）的耗氣量為Q4，則儀控設備壓空的總耗氣量為：Q1+Q2+Q3+Q4。

2.1 吹氣裝置

在吹氣裝置中，凈化后的壓縮空氣經過減壓閥后，進入恒流器再經轉子流量計后，將以一定的流量均勻送入吹氣儀表管中。現在市場上的吹氣儀表管分為：兩管、三管和四管的吹氣裝置。吹氣裝置的穩定運行和測量精度要求，取決于吹氣管中吹氣的流量。在氣源壓力調節時，從范圍中選擇一個即可，同時吹氣管的氣體流量在滿足現場調試的要求下，也控制在要求范圍內。根據之前的項目運行經驗，發現吹氣裝置的氣源壓力一般選擇在0.02MPa～0.3MPa之間，每根吹氣儀表管對應的吹氣裝置上的浮子流量計示值基本在3NL/h～4NL/h。由于吹氣儀表管數量的不同，不同型號的吹氣裝置的耗氣量也不盡相同。考慮到從吹氣裝置到設備的吹氣儀表管長度比較長，有的最長可到30 m，管路也會存在一定的漏氣量。為便于統計吹氣裝置的總的耗氣量，計算方法可按表1執行。

表1 吹氣裝置耗氣量統計Table 1 Statistics of air consumption of blowing device

表2 單臺定位器的耗氣量Table 2 Air consumption of a single positioner

表3 氣動調節閥氣量統計Table 3 Statistics of air volume of pneumatic control valve

再考慮到HG/T 20510-2014中對儀表氣源容量的規定，則吹氣裝置的總耗氣量Q1=（2+0.2）×d/1000 Nm3/h，由于在核化工項目中吹氣裝置較多，供氣管網系統泄漏系數按0.2考慮。

2.2 氣動調節閥和氣動開關閥

氣動控制閥是傳統工業工廠中廣泛應用的儀表，其工作原理是以壓縮空氣為動力，以薄膜或氣缸為執行機構，結合閥門定位器、電磁閥和保位閥等去驅動閥門，進行比例性或開關量的調節。氣動控制閥分為氣動調節閥和氣動開關閥，其執行機構通常為氣缸式或薄膜式。薄膜式通常接收0.02MPa～0.10MPa的標準壓力，而氣缸式的操作壓力可達0.5MPa。

在對閥門的氣源配置進行設計時，需充分了解控制閥的耗氣量。閥門的耗氣量由穩態耗氣量和動態耗氣量組成。從理論上來說，總耗氣量應該是各閥門耗氣量的和。據了解，在火力電廠工程中，閥門的總耗氣量按照行業的技術規范，以單臺閥門的最大耗氣量和閥門數量為依據，結合損耗系數，可以得到總耗氣量。此計算方法依賴于廠家的設備資料是否能夠完整提供，同時在項目開展前需要了解到工藝操作相關的具體參數，而這些在項目進展前期是很難確定的。基于上述原因，下面將對這兩類閥門的用氣量的計算方法進行分析，總結出一種在核化工項目中可實際應用的方法。

2.3 氣動調節閥

一般情況下，調節閥由于執行機構處于密閉環境，耗氣量主要取決于在穩態時閥門定位器的耗氣量[3]。核化工項目中，氣動調節閥由國內廠家制造生產提供，執行機構選用單座薄膜型，結構簡單、動作可靠且維修方便，并采用智能型閥門定位器。經查閱國內部分廠家的產品樣本，氣動調節閥的穩態耗氣量可以大致列出（樣本中的耗氣量一般為輸出為50%時的計算值），見表2。

由于氣動調節閥的定位器結構和大小都不一樣，耗氣量也會有所不同，依照以往的工程設計經驗，單個氣動調節閥耗氣量的差別對于總的氣動調節閥的耗氣量影響可以忽略不計[4]。除此之外，氣動調節閥的耗氣量與供氣壓力，流量和其輸出開度均有聯系，調節閥的供氣管路、執行機構以及減壓閥會泄漏空氣量，在統計耗氣量時除了定位器的耗氣量外，這些也應該考慮進去。另外，工程的調試和運行期間，新增的用氣設備耗氣量也需要考慮進去。在實際運行工況下，所有的氣動調節閥的輸出開度并不都是50%，在輸出開度變化的時候，膜片和控制閥桿會動作，因此會產生一定的動態耗氣量，而這些由閥門動作的頻次和薄膜結構決定。在核化工項目中，儀控設計人員需要在施工圖設計初期提前給壓空專業提供氣源資料，而此時并不具備收集完整的耗氣資料的條件。綜上所述，其中閥門在開度為50%的情況下，單個閥門耗氣量可按500NL/h。氣動調節閥的總耗氣量Q2可按下面方法執行。

考慮到HG/T 20510-2014《儀表供氣設計規范》[5]中對儀表氣源容量的規定，則氣動調節閥的總耗氣量Q2=（2+0.1）×b/1000 Nm3/h，其中0.1為按最小值考慮的供氣管網系統泄漏系數。

2.4 氣動開關閥

開關閥的耗氣量一般指的是執行機構完成動作過程中所消耗的壓空氣體流量[6]。其耗氣量主要為動態耗氣量，穩態耗氣量可忽略不計，而動態耗氣量取決于執行機構與其動作頻率。開關閥的氣動執行機構品牌眾多，而閥門動作的頻率受影響的因素較多，例如氣缸容量和氣源流量、口徑、動作次數等[7,8]。執行機構又分為單作用和雙作用兩類，機構越大耗氣量則越大。經查詢SH/T 3020-2013《石油化工儀表供氣設計規范》，氣動開關閥的耗氣量以口徑DN250為邊界，在標準工況下單臺閥門的耗氣量可按1.7Nm3/h和3.4 Nm3/h包絡考慮。為了準確得到開關閥的耗氣量，將針對單作用和雙作用閥門進行計算方法的討論。經查詢部分樣本，對執行機構規格與容量的關系形成表4。

結合公式PV/T=常數，可得到單臺單作用閥門的耗氣量計算公式如下：

單臺雙作用閥門的耗氣量計算公式如下：

其中：

V——空氣耗氣量，NL。

P——操作壓力，MPa。

A，B——執行器容積，L。

N——動作次數，次。

以Q3的計算為例，在核化工項目中，為便于統計氣動開關閥的總耗氣量，所有閥門的動作同時率按60%～85%考慮，可取0.7，每小時動作頻率按兩次考慮，操作壓力P為0.4MPa，把新增用氣設備數量的耗氣量和管路泄漏對耗氣量的損耗考慮進去后，按HG/T 20510-2014《儀表供氣設計規范》要求執行，可得到氣動開關閥的總耗氣量Q3 =（2+0.3）×c/1000 Nm3/h，其中供氣管網系統泄漏系數考慮為0.3。

同理，可得到Q4的計算方式。

表4 執行器規格與容量對應表Table 4 Actuator specifications and capacity correspondence table

表5 氣動開關閥氣量統計Table 5 Statistics of air volume of pneumatic switch valve

3 結論

從前述可以看到，影響儀表設備的耗氣量因素眾多。在統計耗氣量的過程中應考慮吹氣裝置的數量和種類，氣動控制閥的數量和單臺閥門的耗氣量，并考慮一定的裕量。同時，在計算方法的探討過程中提供了部分減少儀控設備的用氣消耗的思路，例如降低管道壓空泄漏，選擇耗氣量小的定位器，減少執行機構的開關操作頻率，選擇結構更為優化的執行機構等，從而使儀控設備的耗氣量統計更具量化性。本文提供的計算方法為核化工項目的工程經濟性起到了一定作用。