成品油汽車裝車系統裝車控制閥的選型和應用

姬玲君

（中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071）

隨著經濟、技術的發展，一卡通定量裝車系統越來越成熟，原來老式的手動裝車逐漸改造升級為一卡通定量裝車。目前，新建裝車項目基本上都實現了一卡通自動定量裝車。在實現一卡通自動定量裝車后，對裝車輛的精確控制要求也越來越高，裝車控制閥作為汽車裝車系統中的主要控制對象，對閥門的選用也越來越重要。本文簡單闡述了裝車控制閥的選用、使用場合和注意事項等內容。

1 裝車流程

以某項目為例，汽車裝車控制方案為：定量裝車系統采用DCS+批量控制器進行集中-分布式控制。現場每個裝車鶴管設有批量控制器、質量流量計、裝車控制閥、防靜電溢油控制器、讀卡器、防爆顯示器、歸位開關、防護道閘、現場防爆按鈕、可燃有毒氣體檢測器等。批量控制器采集流量、防靜電、溢油、IC 卡等信號，控制裝車控制閥，通過通訊模式與DCS 系統進行通訊。批量控制器可通過遠程監控系統設定裝車量，也可現場設定裝車量。防爆顯示器通過通訊模式與批量控制器通訊，顯示實際裝車量。裝車過程中的一切報警及操作內容均由操作站自動記錄，DCS 操作站自動整理、存儲生產數據，自動生成日報、月報、年報等管理報表。

該項目的油品裝車基本生產程序如下（見圖1）：

圖1 裝車流程Fig.1 Loading process

1）司機在批量控制器上刷IC 卡，批量控制器讀取IC卡的信息，驗證是否允許裝車。批量控制器會顯示刷卡的狀態，讀取裝車信息，并下載到批量控制器，批量控制器獲得預裝量。

2）司機觸摸人體靜電球，把車鑰匙放到鑰匙管理器里面，把鶴管連接到槽車，連接防靜電溢油控制器等安全聯鎖設備。

3）司機確認所有連接無誤后，按啟動開始裝車。

4）批量控制器根據裝車信息，打開閥門，讀取流量計數據，開始監控裝車。

在批判性分析邏輯經驗主義者“公認觀點”的基礎上，蘇佩斯則開創了一種基于“集合論模型”的語義進路來對科學理論加以闡釋，后經過薩普（F. Suppe）、范·弗拉森（B. C. van Fraassen）以及史納德（J. D. Sneed）等人的發展，該進路逐漸形成一種語義模型，成為一種新的“公認觀點”。盡管其理論存在一定的困境與挑戰，但對于我們對科學理論的深入探討和把握具有重要的價值和意義。

5）裝車開始，批量控制器控制裝車控制閥，按小開度打開裝車控制閥，同時給出啟泵信號，進入第一段小流量裝車。根據流量大小或延時一定時間后批量控制器給裝車控制閥全開信號，閥門全開。裝車過程中，質量流量計將流量信號送至批量控制器，批量控制器顯示瞬時流量和累計流量，并把數據發送給控制室裝車監控站和現場防爆顯示器。當將要達到剩余接近提前量后，批量控制器發出第一段關閥信號，使閥門關到一定小開度，根據流量大小或延時一段時間，進行小流量控制。當達到最后一段關閥設定量后，批量控制器發出裝車結束信號，關閉閥門，發出停泵信號。當裝車完成后，司機收好鶴管，將API 插頭歸位完成設備歸位，取出車鑰匙，等待道閘放行后過磅離場。

從以上裝車流程可以看出，控制閥是汽車裝車流程中的主要控制對象，是否能夠保證定量裝車系統的整體穩定，裝車控制閥選用和控制至關重要。若對裝車控制閥進行多段控制，可提高控制精度，如快到預裝量時，可以提前對閥門進行關小，待達到預裝量時，閥門關閉，可以使裝車流程更穩定。

2 裝車控制閥

定量裝車系統主要是通過流量精確控制裝車控制閥實現的定量裝車。汽車裝車項目中比較常見的裝車控制閥一般有：兩位式開關閥、數控電液閥、氣動多段式裝車閥、V型調節球閥[1]。

2.1 數控電液閥

數控電液閥在油品裝車項目上已經使用很廣泛，詳細的工作原理在此不再贅述。批量控制器通過控制數控電液閥的常開電磁閥和常閉電磁閥的通電和斷電，將閥門的開度控制在需要的位置，可根據批量控制器的計算和不同的裝車階段，對裝車控制閥進行多級控制，對介質流量進行控制，實現定量裝車。

數控電液閥不需要外接氣源、液壓系統等，由工藝介質作為動力源，安裝簡單。無論是油庫還是煉油廠，不需要考慮外配設施。通過調節調節球閥的開度，可以調整閥門的開關時間。同時，通過批量控制器對電液閥進行多級控制，都能有效地消除水擊現象[2]。

由電液閥工作原理可知，若粘度較大，易結晶的工藝介質流經導管時容易堵塞，所以電液閥可用于輕質油品，不適合用在重質油品場合。同時在液化氣裝車時也應慎用，因為液化氣容易氣化，造成管道振動等。

電液閥是根據工藝介質作為驅動力的，不同的項目、不同的介質管路壓力都不相同，所以在批量控制器進行多段控制時，每一段控制的時間參數需進行多次實驗，選擇一個或多個合適的開關控制時間。

2.2 兩位式開關閥

兩位式開關閥一般有氣動開關閥、電動開關閥兩類，氣動開關閥用于有氣源的項目中，電動開關閥一般用于沒有氣源，工藝介質又不適合用數控電液閥的工況。兩位式開關閥在裝車控制中相對簡單，但是因開關閥的開關時間比較快，容易出現水擊現象。在氣路管線上增設減速器，可適當增加閥門的開關時間，在裝車泵與裝車鶴管距離較近時可選擇使用，但是裝車泵與裝車鶴管距離較遠時，增加減速器的作用并不太顯著，所以在選型時需要特別注意、慎用，一般不用。

2.3 氣動多段式裝車閥

氣動多段式裝車閥可實現兩段開兩段關、三段開三段關等功能。每一段開、關閥的開度可控，可以控制流量。開關閥的時間可調，盡可能地避免水擊現象[3]。

三段式開關閥是由3 個電磁閥來控制，實現三段開三段關，例如全關→30%開度→60%開度→100%全開，100%全開→60%開度→30%開度→0%全關。其中，30%、60%開度可調，以此來實現更精確的控制流量，提供定量裝車的整體控制精度。

2.4 V型調節球閥

V 型調節球閥可根據廠區或油庫內的公用工程配備情況，選用氣動調節球閥和電動調節球閥。當有氣源時，優先選用氣動調節球閥；當無氣源時，可選用電動調節球閥。

目前項目中，當選用調節閥時，多數也是開環控制。在批量控制器內設定閥門開度，并未根據流量計信號調節閥進行閉環控制[4]。

3 裝車控制閥選型及注意事項

選用數控電液閥，可以實現閥門多段式控制，對流量進行精確控制，提高定量裝車系統的控制精度。但由工作原理限制，數控電液閥不能用于重質油品。數控電液閥的控制對象為兩個電磁閥，信號電纜為一根四芯的信號電纜。

數控電液閥的驅動力為工藝介質，上下游壓力的波動對電液閥的控制影響較大。當一臺裝車泵為多個裝車鶴管服務時，就會出現一臺大揚程的裝車泵運行，但僅有一個裝車鶴管投用。這樣最高壓力和最低壓力在最大流速的比值就會過大，閥門的控制就會受到影響。所以，當一臺裝車泵控制多個鶴管同時裝車的工況下，選用數控電液閥應注意。若裝車泵為變頻泵時，可以適當避免壓力波動大的情況，結合裝車批量控制器和裝車泵出口壓力的參數，綜合考慮，理論上可以正常選用數控電液閥。但是在調試過程中會相對復雜一些，所以建議一臺泵對應多套裝車鶴管時特別注意。另外在安裝時，需要先把閥套內的空氣排空，否則會影響閥門的控制[5]。

選用氣動開關閥，只能控制閥門的開、關，無法實現流量的精確控制，同時容易造成水擊，但是閥門成本相對其它控制方案較低。氣動開關閥的控制對象為一個兩位三通電磁閥，反饋有開和關回訊，信號電纜為一根兩芯的電纜用于電磁閥，兩根兩芯的信號電纜用于回訊開關。電動開關閥的控制對象為電動執行機構，需要兩根四芯的電纜分別用于開、關閥控制和開、關閥位回訊信號，同時需要一根電源線用于外供的380VAC 電源。

選用氣動多段式閥門，可以對閥門進行多段式控制，可用于各種油品，但是相對數控電液閥，需要外接氣源作為驅動力，但是調試比數控電液閥要簡單；氣動多段式閥門的控制對象為兩個兩位三通電磁閥，狀態反饋有開和關回訊，信號電纜為兩根兩芯的電纜用于電磁閥，兩根兩芯的信號電纜用于回訊開關。

不同廠家的多段式閥門小開度設置位置不同，有的廠家兩段式閥門小開度常規設置在50%，有的設置在20%、30%等，建議在出設計數據表時，提出最小開度要求，避免閥門供貨商最小開度設置過大，造成最終使用效果不理想。

選用調節閥，可以對流量進行精確控制，但泄漏等級方面不如其它幾種閥門類型。氣動調節閥的控制對象為閥門定位器，信號類型為4mA ～20mA+Hart，信號電纜為一根兩芯的電纜。電動調節閥的控制對象為電動執行機構，需要兩根兩芯的電纜分別用于開閥控制和閥位反饋信號，同時需要一根電源線用于外供的380VAC 或220VAC 電源。

以上幾類裝車控制閥，數控電液閥可以安裝在垂直管道上，相應節約安裝空間。其它幾種控制閥均不建議安裝在垂直管線上，首選在水平管線上安裝。

4 水擊

在裝車過程中或裝車結束時，若閥門突然快速關閉，會出現“水擊現象”。若水擊壓力過大，會造成裝車管線上壓力超高，超過管道的設計壓力，甚至可能超過3 倍以上，管道出現強烈的振動，同時伴有噪音。因水擊壓力與管道的長度成正比，所以當裝車泵與裝車場之間管道距離較長時，水擊現象會普遍出現，所以在汽車裝車設施設計時需要特別注意裝車控制閥的關閉時間不能過快，盡可能地降低水擊壓力。

“水擊”分為直接水擊和間接水擊[6]。

若需要選擇合適的閥門關斷時間，首先需要計算出管道的直接水擊壓力和間接水擊壓力，而計算水擊壓力首先需要計算出水擊水頭。

1）直接水擊水頭

2）間接水擊水頭

式（1）、 式（2） 中：Hd—— 直接水擊水頭，m；Hi——間接水擊水頭，m；L——管道長度，m；Vo——閥門前水的流速，m/s；Tt——水擊相時，s；Tg——關閉閥門時間，s；g——重力加速度，m/s2；C——水擊傳播速度，m/s；K——介質的體積單行模數，KN/m2；D——管道管徑，m；E——管道材質縱向彈性模數，KN/m2；e——管壁壁厚，m；ρ——介質密度。

為消除裝車過程中出現“水擊”現象，裝車控制閥的選型尤為重要。某柴油汽車裝車改造項目，原項目為手動控制氣動開關閥的開關，改造為一卡通定量裝車，裝車控制閥利舊原氣動開關閥。在項目試運行過程中發現裝車控制閥關閉后，工藝管道上壓力已接近于管道的設計壓力。經查找原因，因裝車泵距離裝車設施大約2000m，且閥門關閉時間太快，造成“水擊”現象，水擊壓力太大，存在嚴重的安全隱患。

經計算，該柴油管道直接水擊壓力為1.47MPa，若將閥門的關斷時間調整為3.5s 以上時，可消除直接水擊。

間接水擊的壓力增量計算結果見表1。

由表1 計算顯示，該柴油管道在閥門關斷時間為15s時，間接水擊的增壓為0.33MPa；加上泵揚程60m，核算該柴油裝車時的總壓為0.83MPa，遠遠達不到管道的設計壓力。綜合考慮，該項目最終將閥門更換為氣動多段式直通球閥。

5 結論

目前汽車裝車控制方案均為定量裝車，若要提高控制精度，需要各專業綜合考慮。例如，裝車限定流量需要根據上游流量計的選型情況、裝車泵出口壓力、經驗等提前在批量控制器中設定好。選擇一臺合適的控制閥更能直接地影響裝車的穩定性、精確度。本文根據實際項目簡單分析了裝車流程中常用控制閥的使用工況及注意事項，供廣大工程設計人員和施工、維護人員參考。