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壓力控制是長輸氣管線終端站最關(guān)鍵的核心控制參數(shù)，它決定了終端站能否安全而又可靠地向客戶提供穩(wěn)定、合格的天然氣。天然氣從崖城Y13-1平臺(tái)經(jīng)直徑28英寸長780km的海底管線輸送到香港終端接收站，接收站是崖城作業(yè)公司為下游中華電力銷售合格用氣的最后一道處理裝置，其中壓力控制系統(tǒng)減壓站是香港終端的重要設(shè)備之一。

    如圖1所示，香港天然氣接收站的減壓站是由兩套完全一樣的管組組成，每套都具有100%供氣能力，選擇其中一套作為供氣的當(dāng)值管組，另一套就成了待命的管組。在每條16英寸（內(nèi)徑）的管線上都有兩個(gè)14英寸的控制閥及一個(gè)關(guān)停閥，在每條6英寸管線上則是一個(gè)4英寸的控制閥及一個(gè)關(guān)停閥。

    1 減壓站控制閥結(jié)構(gòu)與原理

    減壓站控制閥采用美國CCIDRAG?調(diào)節(jié)閥是一種流體壓力平衡型閥，如圖2所示。該閥適合高差壓流體控制，采用迷宮套筒閥芯，可以完全控制流體流經(jīng)閥內(nèi)件時(shí)的流速，流體高速通過閥芯是造成調(diào)節(jié)閥的工作環(huán)境惡劣的首要因素，利用CCIDRAG?盤組閥芯來調(diào)節(jié)流體流速，芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。迷宮套筒閥芯有多片迷宮芯片疊加制作而成，CCI迷宮式減壓閥的閥芯把流體分為很多平行的流道，每一流道有特定數(shù)量的的直角轉(zhuǎn)彎（迷宮），迫使工藝流體流經(jīng)帶有一些直拐角的曲折通道，利用這些直拐角增加了流體運(yùn)動(dòng)的阻尼，對(duì)流體產(chǎn)生的阻力，使壓降平均分布在各個(gè)拐角處，從而使閥芯的每一盤片每一通道的介質(zhì)速度得以控制在預(yù)定范圍之內(nèi)，對(duì)閥門的出口速度加以限制，而不考慮對(duì)壓力降的影響。采用迷宮套筒閥芯后，壓力-速度曲線變得平穩(wěn)過渡如圖3壓力曲線所示，流體流速的降低可以大大減輕產(chǎn)生汽蝕、腐蝕、高噪音和管道振動(dòng)等現(xiàn)象。CCIDRAG?迷宮式減壓閥所有迷宮盤片使用相同的流道數(shù)量，每一個(gè)流道有相同的直角轉(zhuǎn)彎及面積，這樣，流量與閥門的的開度在同等壓差時(shí)成正比例，提供需要的流量和閥特性，而不會(huì)損害閥的速度調(diào)節(jié)性能，提供合乎規(guī)范要求的調(diào)節(jié)和開閉性能，并且具有較長的免維護(hù)周期，從而可以提高工廠的生產(chǎn)效率。

    2 存在的問題

    減壓站壓力控制回路控制部分采用羅斯蒙特（RS3）系統(tǒng)的控制功能塊來實(shí)現(xiàn)，減壓站的壓力控制系統(tǒng)是一個(gè)串級(jí)控制，即由主控制器和從屬控制器兩級(jí)組成。采用串級(jí)控制的方式，是因?yàn)樘烊粴饨?jīng)過減壓控制后又經(jīng)過了一個(gè)出口過濾分離器和計(jì)量管線上的孔板，同時(shí)還分出一部分天然氣用于接收站里的加熱爐作燃燒氣。這些均會(huì)引起壓力的下降，減壓站下游的壓力與計(jì)量后的銷售氣壓力是有一定的差別，主控制器用來監(jiān)控銷售氣壓力，從屬控制器則監(jiān)控減壓站下游的壓力。

    現(xiàn)場(chǎng)控制部分采用羅斯蒙特智能壓力變送器、羅斯蒙特的電氣轉(zhuǎn)換器、法國BailyAV122100P閥門定位器、美國CCI壓力平衡式籠式調(diào)節(jié)閥，費(fèi)希爾FISHER2625型空氣增壓器，西門子空氣促進(jìn)器61H&61VH等組成。此控制回路復(fù)雜，在長期的實(shí)際生產(chǎn)中，壓力控制平穩(wěn)，儀表控制回路運(yùn)行良好。但在近年來壓力控制系雖然可以將壓力控制在銷售合同要求的范圍內(nèi)，但是下游壓力不穩(wěn)定，控制閥存在不同程度的卡滯，調(diào)節(jié)滯后，調(diào)節(jié)波動(dòng)等問題，現(xiàn)場(chǎng)噪音大。B管組作為供氣當(dāng)值管組時(shí)，曾出現(xiàn)下游壓力、流量波動(dòng)頻繁，控制閥PV-4013快速震蕩。

    3 閥門失效可能性原因分析

    3.1 卡滯

    調(diào)節(jié)閥的卡滯，從工藝操作的角度探討，其特征是離散控制系統(tǒng)DCS控制器閥位控制信號(hào)輸出到調(diào)節(jié)閥后，調(diào)節(jié)閥沒有得到相應(yīng)的閥位，造成調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行死區(qū)?？颍洪y桿、閥體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)彎曲變形，填料函壓得太多太緊造成摩擦力增大，使閥桿活動(dòng)受阻；由于閥籠、閥芯受到污染、雜物、腐蝕等原因造成摩擦力增大，示閥桿活動(dòng)受阻。

    從儀表維護(hù)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用來看，調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，調(diào)節(jié)閥內(nèi)節(jié)流內(nèi)件的機(jī)械卡滯出現(xiàn)的幾率偏多。調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用是通過調(diào)節(jié)閥芯與閥座的開啟度來實(shí)現(xiàn)其作用。天然氣中的硫化物的結(jié)硫、腐蝕、介質(zhì)雜質(zhì)結(jié)垢以及管道中的金屬雜質(zhì)的現(xiàn)象，會(huì)造成閥門卡滯。在解體B管組的調(diào)節(jié)閥時(shí)就發(fā)現(xiàn)如下問題：

    閥芯表面存在明顯的因卡滯造成的磨損拉毛現(xiàn)象，閥芯的表面、密封面存在嚴(yán)重的沖刷凹坑現(xiàn)象，如圖4所示。

    在閥芯與閥圈之間的密封圈的密封面破損，從凹坑現(xiàn)象判定有異物存在，導(dǎo)致密封面破損，如圖5所示。

    迷宮式閥籠里圈有破損，閥籠內(nèi)部、外部有異物存在，迷宮內(nèi)孔出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致閥籠與閥芯摩擦力增大，導(dǎo)致卡滯現(xiàn)象，如圖6所示。

    閥門閥桿與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的軸安裝不對(duì)中，造成閥門活動(dòng)內(nèi)件活動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致閥門卡滯，如圖7所示。

    3.2 內(nèi)部滲漏

    密封接觸面被腐蝕、磨損、有劃痕，造成不密合。在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)在閥芯與閥圈之間的密封圈的密封面破損，從凹坑現(xiàn)象，從迷宮式閥籠里圈有破損，有異物存在，導(dǎo)致密封面破損，造成閥門關(guān)閉時(shí)，閥芯與密封面密封不嚴(yán)，有內(nèi)漏。在閥門關(guān)閉時(shí)，閥芯與閥籠之間有雜物，引起閥芯與密封圈接觸偏離，引起閥門內(nèi)漏。

    3.3 振動(dòng)噪聲

    介質(zhì)流動(dòng)過程中的振動(dòng)能使得閥門、管道隨之震動(dòng)。閥桿與底座接觸不良，調(diào)節(jié)閥本身的結(jié)構(gòu)會(huì)引起介質(zhì)流動(dòng)模式的變化[3]，相應(yīng)的會(huì)影響壓力分布，出口流速，產(chǎn)生噪聲與振動(dòng)。減壓站采用CCI控制閥通過采用多級(jí)迷宮式閥籠有效控制流體流速可消除氣穴、噪聲、氣蝕及顫動(dòng)現(xiàn)象。

    閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞密封圈破損，密封不良造成上下腔室壓力波動(dòng)大，造成閥門定位不良，導(dǎo)致閥門調(diào)整過度，造成閥門振動(dòng)噪聲增大。檢修控制閥門時(shí)發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞密封環(huán)已經(jīng)老化，造成閥門工作不良過度調(diào)節(jié)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成上下腔室壓力一致導(dǎo)致閥門不能調(diào)節(jié)開度處于關(guān)閉狀態(tài)。

    閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧剛度不足，導(dǎo)致輸出信號(hào)不穩(wěn)定，引起閥門工作不良。在拆解控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧已經(jīng)斷裂，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞受力不均勻，活塞一側(cè)受力較大，活塞上下活動(dòng)過程中偏離中線，導(dǎo)致閥門開關(guān)阻力增大，密封圈磨損加劇，從而閥門工作不暢。

    3.4 工況改變

    當(dāng)工藝操作條件或負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí)，調(diào)節(jié)器PID參數(shù)往往需要重新整定。調(diào)好的回路，在工作一段時(shí)間以后控制效果變得差了，這時(shí)需要查看閥門歷史紀(jì)錄曲線，對(duì)閥門的輸出、實(shí)際位置和閥門前后的壓力變化進(jìn)行分析，觀察閥門在不同時(shí)間段的控制效果，檢查實(shí)時(shí)的操作條件、工藝狀況，確認(rèn)操作條件是否有了較大改變、相關(guān)的干擾變量是否有較大波動(dòng)、檢查執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否存在問題。將調(diào)節(jié)器改到手動(dòng)控制，觀察控制曲線，人為改變調(diào)節(jié)器輸出，觀察相應(yīng)的被控變量的變化，分析問題出現(xiàn)的原因。

    在減壓站進(jìn)口壓力由最初的12MPa降為8MPa，出口壓力持續(xù)維持在3.8MPa，下游用戶的用氣量減小，閥門大修等因素改變了減壓站的工作狀況。對(duì)比以前的閥門控制趨勢(shì)，現(xiàn)在閥門波動(dòng)大，壓力控制不穩(wěn)定，采用經(jīng)驗(yàn)試湊法在線對(duì)減壓站控制調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。減壓站采用串級(jí)控制來改善過程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率和減小容量滯后對(duì)過程的影響，加快響應(yīng)速度。副控制器最初的設(shè)計(jì)比例增益Kp=6.67，積分時(shí)間Ti=120秒，微分時(shí)間Td=0.1秒，主控制器最初的設(shè)計(jì)比例增益Kp=0.5，積分時(shí)間Ti=120秒。從圖8中分析，初步判定控制不穩(wěn)定的原因在于工作狀況發(fā)生改變后，副控制器比例增益Kp過大，導(dǎo)致控制閥超調(diào)，壓力震蕩，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)試湊法按照先比例再積分后微分的方法對(duì)副回路參數(shù)進(jìn)行反復(fù)試湊，采用降低比例增益，觀察過渡過程曲線，持續(xù)降低比例增益，減小積分時(shí)間適當(dāng)增加主副回路時(shí)間常數(shù)比值（Kp=2，Ti=90，Td=0.1），減小了超調(diào)和降低了震蕩，獲得滿意的控制曲線，如圖9所示。

    在日常操作中，應(yīng)根據(jù)不同的工藝過程及不同的控制目標(biāo)，作相應(yīng)的調(diào)整，經(jīng)驗(yàn)試湊法[5]是應(yīng)用最為廣泛的工程整定方法，是根據(jù)參數(shù)整定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)溫度、壓力等進(jìn)行調(diào)整。對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是在原先設(shè)置的某些數(shù)值的基礎(chǔ)上，改變?cè)O(shè)定值，觀察過渡過程曲線，按照一定的程序改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，在某一工作狀態(tài)下進(jìn)行的，即在一定的工藝操作條件、一定的負(fù)荷與一定的系統(tǒng)構(gòu)成下進(jìn)行，這樣經(jīng)過反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。所以，當(dāng)工藝操作條件或負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí)，調(diào)節(jié)器參數(shù)往往需要重新整定，采用經(jīng)驗(yàn)試湊法：看曲線，做分析，調(diào)參數(shù)，尋最佳，方法可靠簡單。

    4 預(yù)防性維護(hù)及故障排除

    每3年更換一次閥桿填料、平衡密封或軟閥座，每6年更換一次執(zhí)行器膜片和O形環(huán)。其它零件磨損時(shí)應(yīng)更換，以防設(shè)備損壞。表1給出了排除典型現(xiàn)場(chǎng)故障的一般建議，這些故障在控制閥的使用壽命內(nèi)可能發(fā)生?！?/p>

5 結(jié)論

為了解決長輸天然氣管線終端站減壓站壓力控制這一工藝難題，香港終端設(shè)置了減壓站和減壓閥，通過減壓閥來進(jìn)行節(jié)流降壓和調(diào)節(jié)流量。對(duì)以上各種導(dǎo)致閥門失效可能性各項(xiàng)檢查完畢，對(duì)檢查出來的問題進(jìn)行逐個(gè)解決，對(duì)閥門解體檢查，對(duì)閥門閥芯、閥座進(jìn)行修復(fù)，如無法修復(fù)，對(duì)其進(jìn)行更換，將閥門重裝，更換填料函、密封圈，對(duì)閥門重新校驗(yàn)，投入運(yùn)行。通過十多年的運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際情況，我們對(duì)閥門進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，每月對(duì)閥門進(jìn)行總體檢查，如發(fā)現(xiàn)電氣轉(zhuǎn)換器、定位器、促進(jìn)器等儀表控制部件有故障及時(shí)維修，保證閥門控制的完整性，定期對(duì)閥門拆解檢查及時(shí)更換受損部件，減少了堵塞和突發(fā)事故的次數(shù)；根據(jù)減壓閥特性，合理安排兩套減壓閥組運(yùn)行，已達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。

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