切断阀控制系统设计及优化分析

切断阀控制系统设计及优化分析

黄存信,,张崇义,余珠考,季新乐,陈江

浙江安构控制阀科技有限公司    浙江省温州市   325024

摘要：随着我国天然气管道工程建设不断深入，新建天然气管道工程数量不断增多，我国燃气基础设施建设进入到高峰期。但天然气管道的增多也提高风险事故发生频率，近些年行业对燃气管网以及调压器等设备安全保护愈加重视，通过增设具有超压保护功能的自力式切断阀，可以有效降低管道运行安全隐患。基于此，本文首先分析切断阀运行原理，提出切断阀控制系统设计方案，最后探究切断阀控制系统优化措施。

关键词：切断阀；天然气；控制系统；设计；优化

引言

切断阀是一种超压保护装置，通过设定压力阈值，一旦检测到某设备运行实际压力超过设定阈值，则切断阀会自动响应关闭，保障设备运行安全。可见，切断阀可以有效控制燃气管道超压问题，如天然气管道上的调压器输出压力超出设定阈值，则会自动切断调供气线路，避免演变成安全事故。为了保障切断阀可以快速、精准响应，做好切断阀控制系统设计尤为重要，如果控制系统设计不当，会导致切断阀误动、拒动，无法发挥安全保障作用。因此，加强切断阀控制系统设计及优化的研究有着重要意义。

1. 切断阀运行原理

切断阀作为一种安全保护设施，是安全阀的一种，天然气管道中应用十分广泛，可以起到紧急切断保护作用。切断阀检测到下游压力值超过设定压力阈值会自动切断供气，确保下游天然气供给安全。

切断阀机械结构并不复杂，切断阀内设置了感应元件，感应元件负责采集管道下游压力信号，信号通过信号管传输到控制器，控制器内设置了调节弹簧，平衡外部压力和内部压力阈值。如果天然气管道输送系统故障导致输送压力过大，一旦压力超过设定阈值会打破控制器内外部压力平衡，控制器触发机构脱扣，带动执行器内部闭合元器件动作，闭合元器件与阀体紧紧贴合，起到关闭阀门的作用，切断天然气向下游输送，保护下游燃气管道以及相应设备的安全[1]。待到天然气输送系统故障排除后，由工作人员装回复位装置，此时触发机构自动上扣即可打开阀门，正常向下游供气。

2. 切断阀控制系统设计

结合切断阀运行机理可知，切断阀控制系统主要采集下游管道供气压力信息，一旦下游管道压力逐步升高且超过设定阈值后，则自动控制执行器动作，关闭上游供气阀门。排除故障后人工复位即可开启阀门。减压器可以将阀前压力控制在切断阀所需压力范围内，保持控制系统运行稳定性，避免出现误动情况。指挥器可以感知压力大小，并控制阀口开关。手动切断阀是人工操控的启闭阀门。复位阀可以现场人工开启自动阀门。气控换向阀主要是负责内外压力平衡，保持阀门处于启闭状态。气动执行器可以切断阀门开关实现供气阻断功能。为了满足自动化控制、人工操控需求，切断阀有多种控制状态，包括设定初始压力的正常状态、切换超压切断状态、切换手动切断状态 、切换复位状态。其具体设计方案为：

2.1正常工作状态

在设定压力阈值设定完成后且供气系统处在正常工作状态时，指挥器不动作并保持关闭状态，后端元器件均无压力作用。阀前压力通过减压器降压处理，之后进入到气控换向阀、气动执行器，在降低后的压力作用下推开气动执行器两端气缸进入到换向阀并排出，实现内外压力平衡，此时切断阀保持开启状态。如果监控的管道压力并未超过设定阈值压力或者无人工手动关闭，则切断阀会一直保持开启状态。

2.2超压切断状态

在阀后感应元件监测到下游管道压力大于设定阈值压力时，指挥器自动从关闭状态转变为开启状态，后端元器件受高压作用下进入到气控换向阀。压力通过减压器、气控换向阀、气动执行器，在较强的压力作用下向中间推进气动执行器气缸，气体从两侧进入到气控换向阀排气，此时切断阀从开启状态转为关闭状态。如果无人工手动复位开启，则切断阀会一直关闭开启状态[2]。

2.3手段切断状态

切断阀设备上设有专门的手动按钮，按下按钮之后气体从自动控制线路转变为手动控制线路。阀前压力通过降压器降低压力，气体流通手动切断阀的气口进入气控换向阀，此时气控换向阀转变方向，接通制动压力口，进入到气动执行器中，气体压力将气缸向中间推动，气体通过气控换向阀排气，这样就实现手动将切断阀的开启状态转变为关闭状态。如果无人工手动复位开启，则切断阀会一直关闭开启状态。

2.4复位状态

切断阀为了确保在关闭状态避免自动复位，在设计中采用人工复位方法，也就是设置人工复位阀，无论是超压关闭还是手动关闭，均要操作人工复位阀才可以开启阀门。按下人工复位阀按钮，气体从气控换向阀排出并换向进入到减压器，降压后进入到气控换向阀，与气动执行器连接，气动执行器内部压力通过气控换向阀排出，即可将切断阀的关闭状态转变为复位状态。如果管道下游压力一直没有超过设定阈值或无人工关闭阀门，则切断阀会一直保持开启状态。

3. 切断阀控制系统优化措施

3.1附加功能拓展

3.1.1附加远程切断功能

为了减少人工劳动力投入，解决人工到现场切断阀门的不方便问题，在优化设计中可以采用电磁阀，负责接收远程切断控制信号，从而实现远程切断功能。将电磁阀设置在气控换向阀、手动切断阀链路之间，通过接收远程切断信号电磁阀可根据设定指令实现远程切断。在管道下游压力正常情况下，切断阀一直保持开启，指挥器处在关闭状态。人工通过控制平台向电磁阀发送远程切断信号指令后，电磁阀受到指令信号会自动切断通路，阀前压力通过减压器降压进入到电磁阀、气控换向阀，此时气控换向阀转向，气体进入到气动执行器，气体压力作用下将气缸向中间推动，气动执行器内压力通过气控换向阀排出，实现切断阀开启状态转向关闭状态

[3]。如果无人工手动复位开启，则切断阀会一直关闭开启状态。

3.1.2阀门状态远程传输功能

为了可以实时观察各个区域切断阀的启闭状态，本系统设计了阀门状态远程传输功能，也就是将阀门启闭状态传输到控制平台，根据阀门状态作出响应。可以在气动执行器内增设限位开关，限位开关可以检测气动执行器内部气体状态，借助限位开关内部无线通信系统，即可将切断阀启闭信号实时传递到控制平台当中[4]。

3.2控制系统通用化设计

由于燃气管道铺设长度大，不同地区、不同地质条件对切断阀的使用要求不同，大体上可以将切断阀分为角行程、直行程两种形式。角行程切断阀的阀芯为直角运动，直行程切断阀的阀芯为直线运动，为了保障整个切断阀控制系统运行的可靠性、及时性，降低控制系统冗余量和成本，可以同时兼顾两种行程模式，打造通用化、模块化的切断阀控制系统。设计中可以在一个控制系统中同时采用A型气动执行器和B型气动执行器，可同时实现角行程、直行程，这样即可匹配多种阀体类型，提高了控制系统通用性，后续运维更加便捷。

结束语

综上所述，切断阀可以有效控制燃气管道超压问题，天然气管道下游压力超出设定阈值，则会自动切断调供气线路，避免演变成安全事故。为了保障切断阀可以快速、精准响应，做好切断阀控制系统设计尤为重要，本文从正常工作状态、超压切断状态、人工切断状态、复位状态展开了切断阀控制系统设计，并针对现有系统提出了附加功能拓展、控制系统通用化优化设计方案，有效保障了切断器的及时性、可靠性、便捷性，有效降低天然气管道运输系统的运营风险。

参考文献

[1] 周士钧,羊成,阮若冰,等.切断阀控制系统设计及优化[J].煤气与热力, 2022(09):422-423.

[2] 李伯祺,陈露.商业综合体中燃气紧急自动切断阀的设计方案[J].煤气与热力, 2019(03):514-515.

[3] 张涛.张力补偿器用限速切断阀设计研究[D].中国舰船研究院,2019(07):555-556.

[4] 张春波,朱海清,侯冀川,等.紧急切断阀过流切断性能校验系统研究[J].测控技术, 2019(05):45-46.