CN103383045B - 一种含过压保护的先导式调压阀加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种含过压保护的先导式调压阀加热系统。它是在紧急切断阀(3)和先导式监控阀(1)之间有一管路经先导气入口球阀(8)分两路接双通道先导燃气加热器(9)，另一路经过压保护装置(6)接到双通道先导燃气加热器(9)中；先导式监控阀(1)和先导式调压阀(2)依次相连接出气口，它们的指挥器I(4)和指挥器II(5)相连接后接出气口并各自连接双通道先导燃气加热器(9)的加热回路(10)和加热回路(11)；双通道先导燃气加热器(9)经VTGH出口球阀(7)接出气口。本发明无运动部件、免维护、具有较高的可靠性、不需要电源、具有良好安全性能。
Description
技术领域
本发明是一种含过压保护的压缩天然气先导式调压阀指挥器的加热系统。涉及管道系统技术领域。
背景技术
随着国家经济的不断提升，国内各行业对天然气的需求也在与日俱增。利用高压天然气管道输送天然气，是陆地上大量输送天然气的唯一方式，对于天然气的长距离输送，一般都是采用高压管道，压力最高达8-10MPa。天然气用户主要可以分为工业用户和家庭用户，这些用户通常都在城市，为了城市安全和用户使用的便利，天然气经由高压长输管道输送后，需要经过降压处理后才能够向下游城市用户输送。在天然气输送过程中，沿长输高压管道会毗邻各个城市建设天然气分输站场，天然气分输站场的任务就是根据下游用户的需求，把天然气的压力降低至1-2MPa，甚至更低的安全压力范围内，然后分输给下游用户。因此，天然气分输站场是天然气源地与终端用户间必不可少的连接环节。
目前，国内的天然气分输站场均采用橇式调压器对高压气体进行压力调节，调压橇主要有三部分构成：紧急切断阀、电动调压阀和监控阀。紧急切断阀主要起保障输气站场安全的作用，在有意外发生时紧急切断气源，防止起火起爆等灾害发生；调压阀以先导式调压阀为主，其作用是将来自高压气体管道的高压天然气的压力降低至下游用户要求的安全压力范围；监控阀是用来监控经调压阀降压后的气体压力，通常会根据下游用户的生产需求设定一个监控值，当经降压后的气体压力低于该值时，监控阀不发生作用，当下游气体压力超过了设定值，则监控阀将自动关闭，以保障下游气体管道的安全。
橇式调压结构的三级阀门控制在实现气体压力调节的同时，还能有效保障下游用户的安全，但是高压气体经由电动调压阀后，其压力迅速降低，将发生“焦耳-汤姆逊”效应(也称为“节流效应”)，即随着压力的陡降，气体温度将急剧降低。在输气站场实际运行中，气体经调压橇降压前后，温差能够达到10℃以上。由于天然气主要由短链烃组成，少量水分的存在使得天然气在低于0℃时形成冰水混合物，引起先导式调压阀及下游气体输送管线的“冰堵”。“冰堵”不仅会影响输气站场的正常生产运行，而且还是输气站场和下游气体输送管线的重大安全隐患。为了消除“冰堵”，目前所采用的方法主要是物理加热，如在调压橇设备上安装电伴热带、采用热水套管对下游管线加热等。但是，这些物理加热方法并不能从根本上消除“冰堵”隐患，还会消耗大量的能源。因此，有必要开发一种专门应用于天然气分输站场调压设备，且具有安全、环保、节能等优点的加热系统，彻底消除调压过程中产生的“冰堵”现象。
发明内容
本发明的目的是发明一种含过压保护的无运动部件、免维护、具有较高的可靠性、不需要电源、具有良好安全性能的先导式调压阀的加热系统。
本发明基于涡流管能量分离技术，使少量的高压气体流经涡流先导燃气加热器(VTGH)，利用涡流管对高压气体降压，同时将压差能转换为热能，并利用此热能加热先导燃气，从而消除先导式调压阀的指挥器减压“冰堵”问题。同时，针对某些间断运行的天然气分输站场中，对高压天然气的调压不是连续的，而是间断的，为了防止在间断运行时导致下游输出气体压力上升，本加热系统加装了过压保护装置，进一步提高了该加热系统的安全性能。
本发明中涉及的高压长输天然气分输站场橇式调压装置如图1所示，在高压长输天然气分输站场进气处依次安装紧急切断阀3、先导式监控阀1、先导式调压阀2，先导式监控阀1、先导式调压阀2个有先导阀指挥器I4、先导阀指挥器II5。其中1为先导式监控阀，2为先导式调压阀，3为紧急切断阀，4、5为先导阀指挥器。图1中P1和P2分别为高压天然气分输站场的进气压力和出站压力，P1的大小取决于上游管道的输送压力，P2是根据下游用户需求而设定的。P1和P2都不是固定值，通常会在一个相对稳定的区间波动。
橇式调压装置工作原理如下：
先导式监控阀1、先导式调压阀2、紧急切断阀3、先导阀指挥器I4、先导阀指挥器II5、涡流回路6、出口球阀7、先导气入口球阀8、先导燃气加热器9、监控阀指挥器加热回路10、调压阀指挥器加热回路11、高压气体入口12、涡流室13、高压气体形成的涡流14、涡流管15、沿涡流管管壁的涡流气体16、热端气体出口17、涡流管的调节阀18、冷反向气流19、冷端气体出口20
首先，根据下游用户需求，在先导式监控阀1上设定P2的上限值，在橇式调压装置中，正常情况下，工作阀向下游管路供气，由于其设定值较高，因此先导式监控阀1一直处于完全开启状态。一旦先导式调压阀2发生故障或因其它原因，P2升高，待升高至先导式监控阀1的压力设定值时，先导式监控阀1接替先导式调压阀2进行调压，此时的P2在短时间内稍高于客户给定的压力。先导式调压阀2又称为工作阀，是橇式调压装置中对P1降压的装置，根据P1与P2的大小，先导式调压阀2自动调节其开度，以实现安全调压。紧急切断阀3又叫做安全切断阀，是燃气管道工程中普遍采用的安全配套装置，主要作用是通过设置ZCR燃气紧急切断阀，可在中央控制室内集中控制，当出现危险或其它紧急情况时，远程遥控紧急关闭事故现场的管线供气。通常紧急切断阀3是常开型脉冲触发式型电磁阀，具有事故自锁及手动复位功能。
一般情况下，在连续运行的调压站中，VTGH加热系统不需要安装过压保护回路，因为在先导阀打开的情况下，对于下游有任何微小的压力波动，先导阀会自动调整开度来控制下游压力，使下游主干道的压力趋于平稳状态。但在间断运行的调压站中，就有可能需要加装压力保护回路，因为安装VTGH以后，其涡流回路的存在就相当于调压撬上加了一个直接跨越两级调压阀的旁路，在这种情况下，如果操作人员在间断运行时出现误操作，仅仅关断下游截断阀而没有关断上游的截断阀，而且也没有关断VTGH涡流出口球阀，那么上游的压力将通过涡流回路直接传输到下游，容易导致下游主干道压力上升，因此有必要安装过压保护装置。
含过压保护的先导式调压阀的加热系统如图2所示。它是：将本来应经由先导式调压阀2的高压天然气引入到先导燃气加热器9中，气体在先导燃气加热器9中降压的同时将P1与P3间的压差能转化为热能、冷能，也就是将本来在先导式调压阀2中转化的能量进行分流、转化、分离，在这个转化与分离能量过程中，冷能与管道本身的冷量相比，只是很小的一部分，可以直接泄放到下游管道，而热的能量在先导燃气加热器9中累积。先导气经先导气入口球阀8进入先导燃气加热器9中，与先导燃气加热器9中的热气发生热交换，使先导气体温度升高，形成加热回路，经由先导式监控阀指挥器加热回路10和先导式调压阀指挥器加热回路11分别对先导阀指挥器I4和先导阀指挥器II5加热，达到消除先导阀指挥器I4和先导阀指挥器II5因“节流效应”而产生的“冰堵”现象。
本发明所用的装置如图2所示，是在高压长输天然气输气管路进气口与出气口之间依次串接紧急切断阀3、先导式监控阀1和先导式调压阀2；在紧急切断阀3和先导式监控阀1之间有一管路经先导气入口球阀8分两路接双通道先导燃气加热器9，过压保护装置6直接接到双通道先导燃气加热器9中；先导式监控阀1和先导式调压阀2依次相连接出气口，同时先导式监控阀1和先导式调压阀2的指挥器I4和指挥器II5各自连接双通道先导燃气加热器9的加热回路10和加热回路11；先导式监控阀1和先导式调压阀2的指挥器I4和指挥器II5相连接后接出气口；双通道先导燃气加热器9经VTGH出口球阀7接出气口。
为了防止下游压力过高，在涡流回路设置了过压保护装置6，当下游压力超过设定压力上限时，自动切断上游气体，保障设备及站场生产安全。过压保护装置6接在紧急切断阀3后与双通道先导燃气加热器9中，其指挥器接高压长输天然气分输站场出口。
其中：
双通道先导燃气加热器9如图3所示，它是本发明中针对橇式调压装置中先导式调压阀“冰堵”问题改进的涡流管，即涡流先导然气加热器(VTGH)；与传统的涡流管一样，按加热通道的数量VTGH可分为单通道涡流先导燃气加热器(VTGH-SP)和双通道涡流先导燃气加热器(VTGH-DP)；本发明中使用双通道涡流先导燃气加热器(VTGH-DP)的构成是：一端有高压气体入口12的涡流室13，其一侧有冷端气体出口20，相对另一侧有涡流管15与涡流室13相通，涡流管15的另一端安装有涡流管的调节阀18，此端的上部有热端气体出口17。
VTGH-DP的工作原理如下：
压缩天然气经高压气体入口12Pinlet进入涡流室13，形成高速旋转的涡流后进入涡流管15中。由于力学效应，高压气体形成的涡流14沿涡流管15管壁的流道高速旋转向涡流管的调节阀18方向，由于受到涡流管15管壁摩擦力的作用，高压气体形成的涡流14速度骤减，压力降低，同时产生大量的热能，形成沿涡流管管壁的涡流气体16。高压气体形成的涡流14到达涡流管的调节阀18后，一部分气体从Pout热端气体出口17排出，另一部分被涡流管的调节阀18顶回，沿涡流管15中心向反方向喷出，形成冷反向气流19。在冷反向气流19向反方向喷出的过程中，不断和靠近涡流管15管壁的沿涡流管管壁涡流气体16发生热交换，使得沿涡流管管壁涡流气体16的温度越来越低，而冷反向气流19的温度则不断升高，直到达到热平衡。
本发明中的先导式调压阀加热技术不需要使用任何外部能源，先导燃气加热器9中发生的压差能向热能的转换过程都是在先导燃气加热器9内部进行的物理过程，没有发生化学反应、也不需要移动任何零部件，不需改动橇式调压装置。不需消耗任何能源，通过高压气体的能量转换解决了低温条件下先导式调压阀指挥器因“节流效应”而产生的“冰堵”问题，消除了天然气分输站场的安全隐患。同时，过压保护装置6的设置能有效防止在间断输送时，下游气体压力过高，从而避免产生新的安全隐患。
先导气加热先导阀指挥器I4和先导阀指挥器II5后，直接由引压管泄放到下游管道，由于整个系统和先导燃气加热器9中的能量转换能量守恒，泄放到下游管道中的冷端气流不会影响下游主干线的天然气温度。在加热过程中，先导式调压阀2上、下游的压力P1与P2之间的压力差发生改变时，先导阀指挥器I4内的节流效应将会改变，与此相对应，先导燃气加热器9中的热效应也因P1与P2之间的压力差变化而发生改变，这就意味着先导燃气加热器9的加热情况会自适应跟踪先导式监控阀1的节流效应的状况，即先导燃气加热器9的加热状态是动态的，其变化规律由先导式监控阀1前后的压力差而定。对于第二级调压阀(P2与P3之间)，原理也是一样的。需要指出的是，虽然持续不断的涡流热量在涡流设备的外壁累积，使涡流设备的外壁温度不断升高，但这种温升是有限度的，不会无限升高，根据调节涡流管的分离比将其热平衡温度控制在安全防爆极限温度(EXPIV所要求的130℃以上)。因为，先导燃气加热器9的热效应是一种动态效应(热量的产生与交换是同步的动态过程)，先导燃气加热器9管壁温度升高的同时，先导气与热流气体间强烈而高效的热交换将同时进行，加上涡流管分离比的物理控制，使得先导燃气加热器9中热量累积而达到的温度无法超越安全防爆极限温度，保障了橇式调压装置的设备安全及站场生产的安全。
本发明的含过压保护的先导式调压阀指挥器加热系统，具有节能、环保、无移动部件、免维护等主要功能，以涡流管为基础改进的VTGH-DP实现将压差能转换为热能的功能，精密的连接线图实现将VTGH-DP转化而来的热能与先导气实现热交换，并进而加热先导阀指挥器I4和先导阀指挥器II5，并采用过压保护装置6确保了在下游压力超高时能够自动切断阻止高压气体进入站场，从而在有效消除“冰堵”现象的同时，还为高压天然气分输站场的设备安全和生产安全提供了更安全的保障。
所以，本发明的优点是：
1)解决了高压天然气分输站场在低温气候条件下因节流效应引起的先导式调压阀指挥器“冰堵”问题，消除了调压设备及站场正常生产运行的安全隐患；
2)基于成熟的涡流管技术原理，利用VTGH-DP实现对先导式调压阀加热，加热效果好，且成本较低；
3)该系统加载了过压保护装置，保障了设备和生产安全；
4)具有无运动部件、免维护、节能、环保、可靠性高且适用性好等特点，能够有效加热先导式调压阀指挥器，消除“冰堵”现象，为站场设备及正常生产运营提供安全保障。
本发明可应用于国内所有高压长输天然气管道分输站场先导式调压阀中。
天然气已经成为我国最重要的能源之一，高压长输天然气管道里程正迅速增长，因此该装置具有广阔的应用前景，对我国高压天然气分输站场设计技术的发展也将具有促进作用。
附图说明
图1橇式调压装置结构示意图
图2含过压保护的先导式调压阀加热系统原理图
图3涡流先导然气加热器工作原理示意图
其中1-先导式监控阀2-先导式调压阀
3-紧急切断阀4-先导阀指挥器I
5-先导阀指挥器II6-涡流回路
7-出口球阀8-先导气入口球阀
9-先导燃气加热器10-监控阀指挥器加热回路
11-调压阀指挥器加热回路12-高压气体入口
13-涡流室14-高压气体形成的涡流
15-涡流管16-沿涡流管管壁的涡流气体
17-热端气体出口18-涡流管的调节阀
19-冷反向气流20-冷端气体出口
具体实施方式
实施例.以本例来说明本发明的具体实施方式并对本发明作进一步的说明。本例是一种先导式调压阀专用加热装置，其构成如图2所示，包括传统橇式调压装置中的先导式监控阀1(RMG650)、先导式调压阀2(RMG512)、紧急切断阀3(RMG711)、先导燃气加热器9、压力传感装置及其它附属设备等。本例并不改变先导式监控阀1、先导式调压阀2和紧急切断阀3在橇式调压装置中的排布、组合方式，这些设备各自发挥的作用也不会改变，VTGH-DP通过过压保护装置6、、VTGH出口球阀7、先导气入口球阀8与橇式调压装置连接，并有效加热先导阀指挥器I4和先导阀指挥器II5。
本例是将本来应经由先导式调压阀2的高压天然气引入到先导燃气加热器9中，气体在先导燃气加热器9中降压的同时将P1与P3间的压差能转化为热能、冷能，也就是将本来在先导式调压阀2中转化的能量进行分流、转化、分离，在这个转化与分离能量过程中，冷能与管道本身的冷量相比，只是很小的一部分，可以直接泄放到下游管道，而热的能量在先导燃气加热器9中累积。先导气经先导气入口球阀8进入先导燃气加热器9中，与先导燃气加热器9中的热气发生热交换，使先导气体温度升高，形成加热回路，经由先导式监控阀指挥器加热回路10和先导式调压阀指挥器加热回路分别对先导阀指挥器I4和先导阀指挥器II5加热，达到消除先导阀指挥器I4和先导阀指挥器II5因“节流效应”而产生的“冰堵”现象。
本例所用的装置是：在高压长输天然气分输站场输气管路进气口P1与出气口P2之间引入与原有橇式调压装置(依次为紧急切断阀3、先导式监控阀1和先导式调压阀2)并联的双通道先导燃气加热器9。即在高压长输天然气输气管路进气口与出气口之间依次串接紧急切断阀3、先导式监控阀1和先导式调压阀2；在紧急切断阀3和先导式监控阀1之间有一管路经先导气入口球阀8分两路接双通道先导燃气加热器9，过压保护装置6直接接到双通道先导燃气加热器9中；先导式监控阀1和先导式调压阀2依次相连接出气口，同时先导式监控阀1和先导式调压阀2的指挥器I4和指挥器II5各自连接双通道先导燃气加热器9的加热回路10和加热回路11；先导式监控阀1和先导式调压阀2的指挥器I4和指挥器II5相连接后接出气口；双通道先导燃气加热器9经VTGH出口球阀7接出气口。让小部分高压气体P1经过紧急切断阀3后由8进入9中，高压气体在9中降压的同时产生热能和冷能，其热能随17排出的热端气体排出，经加热回路10和11分别对先导阀指挥器I4和先导阀指挥器II5加热，而消除其“冰堵”现象。在本发明加热方法的实现过程中，对传统橇式调压结构不作任何改动，也不需要消耗任何能源。
本例所用的双通道先导燃气加热器9相关的参数如下所述：VTGH-DP长为660.4毫米，直径为101.6毫米；与先导阀指挥器的连接均采用6.35毫米标准NPT接口；涡流回路出入口7、8为12.7毫米的管道连接，入口12.7毫米NPTM螺纹，其连接方式为一端是NPTF螺纹扣，另一端为12.7毫米卡套；出口为12.7毫米NPTF，两端均使用NPTM螺纹球阀；连接管道为12.7毫米不锈钢卡套；加热器的设计压力为6.89MPa，实际检测压力值为10.34MPa。该装置的换热器就是其自身的涡流管管外壁，热交换器包括两个分开的气室，分别加热先导阀指挥器I4和先导阀指挥器II5。该装置的换热器就是其自身的涡流管管外壁，热交换器包括两个分开的气室，分别加热先导阀指挥器I4和先导阀指挥器II5。过压保护装置6采用FISHER627HM，该装置在阀体出口与皮膜套之间有轴封，压力通过位于皮膜下方的两个与下游控制相连的6.35毫米的NPI进行测量，具有控制精确、操作简便等优点。
其中：
双通道先导燃气加热器9如图3所示，先导燃气加热器9是本发明中实现对先导阀指挥器I4、先导阀指挥器II5加热的基本物质条件，其工作原理与传统的涡流管相一致，但是经过改动设计后，它能够防止自身发生“冰堵”，同时还能够根据P1与P2及P2与P3之间的压差情况调节其中的热效应，有效避免了在压差能向热能转变过程中可能出现的过热问题。其构成是：一端有高压气体入口12的涡流室13，其一侧有冷端气体出口20，相对另一侧有涡流管15与涡流室13相通，涡流管15的另一端安装有涡流管的调节阀18，此端的上部有热端气体出口17。
如图3所示，VTGH-DP是一体化结构的装置，其自身能够影响热效应的因素有涡流室的结构、涡流管的直径与长度、涡流管管壁的流道设计及调节阀。其中，涡流室的结构将决定压缩气体形成涡流的性质，涡流管管壁的流道、管径及长度决定压缩气体涡流流经涡流管前后的压力变化，涡流管管壁的流道与调节阀决定压缩气体流经涡流管后冷、热能量的分配比例。对于不同天然气分输站场的实际工况，可以对VTGH-DP的结构进行改造设计，以提高其适用性。
由于VTGH-DP是基于涡流管原理的一体化结构装置，它具有如下特点：
无运动部件，可靠性高；
免维护，节约运营成本；
不需要其它能源驱动，节能、环保；
加载了过压保护装置，消除了因人为误操作引起的超压危险，保障了设备及生产安全；
能根据实际工况需要进行改造设计，具有良好的适用性。
本例经试验发现，在环境温度达-10℃时，仍能够有效加热先导式调压阀指挥器，完全消除先导式调压阀指挥器的“冰堵”现象，同时过压保护装置能有效防止下游干线气体压力超压，清除了输气站场设备及生产运营的安全隐患，且节能、环保，维护便利。
Claims (3)
1.一种含过压保护的先导式调压阀加热系统，在高压长输天然气分输站场进气处依次安装紧急切断阀(3)、先导式监控阀(1)、先导式调压阀(2)，先导式监控阀(1)、先导式调压阀(2)各有先导阀指挥器Ⅰ(4)、先导阀指挥器Ⅱ(5)，其特征是在紧急切断阀(3)和先导式监控阀(1)之间有一管路经先导气入口球阀(8)分两路接双通道先导燃气加热器(9)；先导式监控阀(1)和先导式调压阀(2)依次相连接出气口,同时先导式监控阀(1)和先导式调压阀(2)的指挥器Ⅰ(4)和指挥器Ⅱ(5)各自连接双通道先导燃气加热器(9)的加热回路A(10)和加热回路B(11)；先导式监控阀(1)和先导式调压阀(2)的指挥器Ⅰ(4)和指挥器Ⅱ(5)相连接后接出气口；双通道先导燃气加热器(9)经涡流先导燃气加热器出口球阀(7)接出气口。
2.根据权利要求1所述的一种含过压保护的先导式调压阀加热系统，其特征是系统中加有过压保护装置(6)，过压保护装置(6)接在紧急切断阀(3)后，过压保护装置(6)直接接到双通道先导燃气加热器(9)中，其指挥器接高压长输天然气分输站场出口。
3.根据权利要求1所述的一种含过压保护的先导式调压阀加热系统，其特征是所述双通道先导燃气加热器(9)的构成是：一端有高压气体入口(12)的涡流室(13)，其一侧有冷端气体出口(20)，相对另一侧有涡流管(15)与涡流室(13)相通，涡流管(15)的另一端安装有涡流管的调节阀(18)，此端的上部有热端气体出口(17)。
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