CN108644438A - 一种先导式气动呼吸阀 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种先导式气动呼吸阀，包括先导阀、过滤减压阀、控制气缸和阀体等形成基本配置。将压力信号气源与呼吸阀启闭气源分离，储罐气体只作为压力信号，作用于先导阀；引入外部动力气源，可以是氮封系统中的氮气、仪表风气体、钢瓶气体，由先导阀控制，通过控制气缸启闭呼吸阀相应端口。通过改变气缸的启闭作用力，可以解决传统呼吸阀易泄漏、易频跳、以及冻结等问题。引入电磁阀、压力变送器、紧急控制先导阀等，实现控制室压力监控、开启故障时增力再度开启、紧急状态呼出端吸入端同时开启、控制室遥控启闭等功能。还具有大流量、与直接作用式呼吸阀共享零件、可应用于低温深冷及吸入端吸入其它气源等特点，对氮封或其它应用补充或替代。

Description

一种先导式气动呼吸阀

技术领域

本发明属于石油、化工、制药、LNG等行业液体安全储存设备技术领域，涉及一种先导式气动呼吸阀，能够自动平衡液体储罐内部压力，并具有运行状态监控、故障紧急操控，以及必要时控制室人为介入控制等功能，具有控制呼吸阀相应端口开启及呼出端、吸入端同时开启等功能。

背景技术

呼吸阀是石油、化工、制药、LNG等行业液体存储、储罐控制的重要设备，应用广泛。主要分为直接作用式和先导式两种，其中，直接作用式有重力式、弹簧式、重力弹簧式等，市场使用比率较高；而目前先导式市场使用比率较低。直接作用式结构简单，稳定性好，但存在开启度小、流通能力浪费、易泄漏、易频跳、低温易冻结等缺点。先导式呼吸阀克服了直接作用式开启度小、流通能力浪费的缺点，一般阀口可以在10％左右超压或失压的状态下完全开启，流通能力可以与大一个尺寸级别的直接作用式相匹敌，由此重量更轻、成本可控制得更低，并且一定程度上解决了直接作用式易泄漏、易频跳的缺点。然而，目前的先导式呼吸阀也存在一些问题，比如：大多数呼出端采用先导式，而吸入端仍然为直接作用式，造成呼出吸入能力不平衡；结构比较复杂，与直接作用式共享零件比率不高；低温易冻结的问题依然不能有效解决。并且，目前的呼吸阀都是完全自力式的，当然自力式有其优点，自动调节、不需外部动力等；但也存在监控困难、出现问题不易发现、无法在线人为介入控制的问题。比如：为防止呼吸阀由于冻结或其它原因不能开启或开启不力，就需要配置下一级保护设备，比如备用呼吸阀或紧急泄放阀，这样成本就提升了，但如果备用呼吸阀或紧急泄放阀也冻结或其它原因不能开启呢？因此，一种自力式调节、控制室可以监控、开启故障时可以增大开启力再度开启、紧急状态呼出端和吸入端可以同时开启、控制室可以遥控开关控制的先导式呼吸阀，并且与直接作用式可以更多地共享零件、成本提升不高，安全管理能力大大提高的先导式呼吸阀，应该是有广泛市场的。

发明内容

将储罐中的气体只作为压力信号，引入先导阀中，与预设的设定压力相比较，压力信号的变化决定先导阀的动作。引入外部动力气源，可以是氮封系统中的氮气，可以是仪表风气体，也可以是钢瓶气体，由先导阀控制作为启闭呼吸阀端口的动力。见图1，先导式气动呼吸阀的基本配置。

呼吸阀阀体101可以沿用直接作用式呼吸阀的阀体，在呼出端111和吸入端112分别配置呼出端控制气缸102和吸入端控制气缸103，气缸活塞杆端部连接阀瓣115，与阀座116相开合。先导阀201和202结构相同，只是调节弹簧不同，一个用于超压控制，一个用于失压控制。信号气体109通过信号管108进入呼出端先导阀201执行器203的下腔，同时进入吸入端先导阀202执行器203的上腔，空气110同时进入呼出端先导阀201执行器203的上腔和吸入端先导阀202执行器203的下腔，见图2。动力气体113经过滤减压阀301调压，形成稳定压力的工作气体303进入先导阀的进气口209。在呼出端先导阀201中，信号压力P_信号与弹簧力P_弹簧加阀芯重力P_阀芯加大气压力P_大气相作用，调节弹簧力P_弹簧的大小以设定呼出端的开启压力P_呼出。当P_信号＜P_呼出(即：P_弹簧+P_阀芯+P_大气)时，阀芯210处于阀体206的下部位置，工作气体303通过下出气口208联通呼出端气缸上端气管104进入呼出端控制气缸102上活塞腔，气缸下行，呼出端111关闭。反之，当P_信号＞P_呼出(即：P_弹簧+P_阀芯+P_大气)时，阀芯210上行，工作气体303通过上出气口207联通呼出端气缸下端气管105进入呼出端控制气缸102下活塞腔，气缸上行，呼出端111开启。同理，在吸入端先导阀202中，信号压力P_信号加弹簧力P_弹簧加阀芯重力P_阀芯与大气压力P大气相作用，调节弹簧力P_弹簧的大小以设定吸入端的开启压力P_吸入。当P_信号＞P_吸入(即：P_大气-P_弹簧-P_阀芯)时，阀芯210处于阀体206的下部位置，工作气体303通过下出气口208联通吸入端气缸上端气管106进入吸入端控制气缸103上活塞腔，气缸下行，吸入端112关闭。反之，当P_信号＜P_吸入(即：P_大气-P_弹簧-P_阀芯)时，阀芯210上行，工作气体303通过上出气口207联通吸入端气缸下端气管107进入吸入端控制气缸103下活塞腔，气缸上行，呼出端112开启，见图3。气缸的排出气体307由排气口211排出，阻尼排气阀306可以调节气缸的运行速度。本呼吸阀就是依靠先导阀201和202将储罐压力P_信号控制在呼出端的开启压力P_呼出与吸入端的开启压力P_吸入之间。

通过对先导阀201与202执行器的不同设计可以设定不同的呼吸阀开启精度；呼出端控制气缸102和吸入端控制气缸103均可采用量产气缸，根据储罐设定压力范围、工作气体压力大小、呼吸阀口径大小、介质属性等状况，计算选择活塞面积不同的气缸，对有可能出现冻结的工况，安全系数可以选择大一些。现场还可以通过调节过滤减压阀301，以调整呼吸阀的启闭作用力。在信号管108上安装压力变送器451，可以在控制室监控储罐压力变化，也可由此观察到呼吸阀的运行状况。

引入压力变送器451后，可以采用电磁阀配置对呼吸阀进行控制，见图4、图5。这里用电磁阀401、402代替先导阀201、202来控制呼吸阀的启闭。呼出端电磁阀401与吸入端电磁阀402结构相同，可采用二位四通电磁阀，普通失电状态时工作气体303由下出气口408通过气管104、106进入呼出端控制气缸102和吸入端控制气缸103的上活塞腔，呼吸阀呼出端和吸入端均关闭。在控制室电脑上设定呼出压力和吸入压力，当压力变送器的反馈压力触及上述压力时，控制电脑向相应端口的电磁阀发送通电信号，于是相应电磁阀得电换向，工作气体303将进入相应端口的控制气缸的下活塞腔，相应端口开启。图5为储罐压力(-0.525kpag)低于设定压力-0.5kpag，吸入端电磁阀402得电反向，工作气体303由上出气口407通过气管107进入吸入端控制气缸103下端，活塞上行，呼吸阀吸入端112开启。

上述两种配置是先导式气动呼吸阀的普通应用，也应该是最常用的应用，对先导阀的精度进行有效设计，可以很容易地达到5％～10％超压或失压状态相应呼出端口或吸入端口完全开启，提供大的流量，小一个尺寸级别替代直接作用式呼吸阀，并且重量更轻、成本更低、精度更高。从而也弥补现有先导式呼吸阀吸阀无先导、结构比较复杂、成本较高的弱点。

先导式气动呼吸阀通过控制气缸来提供启闭作用力，选择不同活塞面积的气缸和工作压力可以适应不同的工况，之前提到的冻结问题基本可以解决。然而，现场的实际工况是复杂多样的，并且有时还会出现意外，所以增加一些保护措施有时是必要的。比如，当呼吸阀端口冻结比较严重或者由于其它原因不能正常开启时，这里我们称作紧急状态，可以配置增强开启回路，加大开启作用力，对相应端口再次加力开启，并且，可以设定程序定期短暂开启端口，防止深度冻结或及时发现意外状况。另外，对于易冻结的介质，信号管不宜安装在呼吸阀的阀体上，安装在储罐顶部直接取压，并可以设置伴热管，避免信号管也冻结。

配置增强开启回路，引入高压控制气路，以应对紧急状态。比如，根据现场的动力气体113的压力，可将过滤减压阀301的压力设定为动力气体113压力的一半稍低，以此计算选择相应活塞面积的控制气缸。将高压过滤减压阀302的压力设定为过滤减压阀301的两倍，这样高压过滤减压阀302开启时将提供之前两倍的开启压力。可以采用紧急控制电磁阀来切换常规控制回路与紧急控制回路，也可以采用紧急控制先导阀来进行切换。用电磁阀来控制比较灵活，并且可以通过设定程序定期短暂开启端口，防止深度冻结或及时发现意外状况，而且可以人工介入在需要的时候远程开启端口；用先导阀来控制可以避免停电造成的控制失效，并且成本更低，维护更简单。图6、图7为采用紧急控制电磁阀来控制切换回路，图8、图9为采用紧急控制先导阀来进行控制。这里及之后都将呼吸阀的呼出压力设定为1kpag，吸入压力设定为-0.5kpag，紧急呼出压力设定为2kpag，紧急吸入压力设定为-1kpag作为示例。以上两种配置均采用故障端加力开启，另一端正常控制的方式，比如：图7，信号压力到了2.1kpag，显然呼出端未能正常开启，于是控制电脑将压力变送器451传送的信号与设定压力相比较，向紧急控制电磁阀411、421发送电信号，电磁阀411、421动作，先导阀201控制回路被切断，高压回路开启，高压工作气体304通过控制气缸102开启呼出端；而吸入端由于未有异常，还是由先导阀202控制。图9的示例也是同理，不同的是紧急控制先导阀222自我感知信号压力失压5％而动作，切断先导阀202控制回路，开启高压回路，高压工作气体304通过控制气缸103开启吸入端。当信号压力回复后，紧急控制电磁阀或紧急控制先导阀回位，控制交回给先导阀201和202。

故障不能开启的原因有可能是冻结、背压过高、先导阀201/202故障、控制气缸故障及气管漏气等，漏气可以在日常检修时通过过滤减压阀上的压力表发现，也可以通过压力监控时端口非正常开启时发现，气缸为量产产品性能很稳定，其实包括其它几种情况发生的概率都很低，然而小概率事件一旦发生了呢？因此需要一种方法能够更稳妥地解决一旦发生的开启故障问题。有这样一种方法，开启故障时，不管故障源于呼出端还是吸入端，紧急开启回路控制呼出端与吸入端均同时强力开启，是一种比较有效的解决方法。目前市场应用中的呼吸阀均没有此功能。同样有紧急控制电磁阀与紧急控制先导阀两种方式进行控制回路切换，见图10至图15。紧急控制电磁阀431、441分别为常开和常闭双联三通开关电磁阀，正常工作时，先导阀201、202进行控制；紧急状态时，431、441得电换向，先导阀201、202控制回路切断，高压过滤减压阀302中高压工作气体304强力开启呼出端111和吸入端112。紧急控制先导阀231、232结构相同，只是设定弹簧不同，一个用于超压，一个用于失压。均有六个通路，其中四个常开两通通路，分别串联连接四个气缸气管104、105、106、107；两个三通常闭通路，分别并联连接气缸下端气管105、107和高压过滤减压阀302，气缸上端气管104、106和阻尼排气阀306。同样，正常工作时，先导阀201、202进行控制；紧急状态时，不管是超压控制先导阀231动作，还是失压控制先导阀232动作，先导阀201、202回路均切断，高压回路开启，呼出端111和吸入端112强力开启。

呼吸阀的传统应用是吸入空气，但空气对很多介质的氧化会使介质质量下降，并且增加了点燃风险，如果吸入惰性气体或其它低成本的阻燃气体应该是一种改进。由于现有的呼吸阀结构特点对于控制吸入其它气体存在困难，因此提出一种新的阀体结构，来满足此应用，见图16。由于本发明先导式气动呼吸阀将压力信号气源与呼吸阀启闭气源分离，因此控制吸入其它气源变得容易。先导阀201、202根据信号压力P_信号与呼出端设定压力P_呼出(即：P_弹簧+P_阀芯+P_大气)和吸入端设定压力P_吸入(即：P_大气-P_弹簧-P_阀芯)的大小关系，控制呼出端与吸入端的启闭。这里，吸入端与呼出端采用相同或相似的结构，可以方便接入需要的气体，比如：氮气。如果应用于储罐氮封系统，还可以根据氮气的压力、流量，调整吸入端、呼出端的接口以及阀口大小，通过设计高精度的先导阀201、202，代替或部分代替现有的以氮封阀、泄氮阀为主的氮封系统，可以提供更大的流量控制、结构更简单，成本更低。新阀体118的下部区域可以有效利用，其截面积是呼吸阀下端储罐接口119的四倍左右，设置阻火元件114，可以达到有效阻火又不影响流通能力的效果，用于易燃且不易冻结的介质。信号管108可以进行内部设置，深入到储罐内部，使压力信号更加准确。前述的先导式气动呼吸阀的其它几种配置也均适用于此新阀体。

先导阀201、202，紧急控制先导阀221、222，紧急控制三通先导阀231、232采用自力式阀的执行器结构与滑阀的阀体结构相结合，达到压力信号气体控制动力气体通路换向的目的及功能。执行器调节弹簧设计成一个系列，每根弹簧调节一个压力范围。可以根据预设的设定压力(比如一个P_呼出值)、预设的开启精度(比如5％)、膜片受力面积S、阀芯位移Δx，并考虑阀芯运动的静摩擦力F_静和动摩擦力F_动，根据：5％P_呼出S＝k_弹簧Δx＝F_静-F动，可以计算出调节弹簧的弹性系数k_弹簧，进而根据k_弹簧＝Gd/8C³n可以设计出具体的弹簧参数。弹簧实物经过测试，确定其实际调压范围，比如去掉两端，调压范围选定在[1/2P_呼出，2P_呼出]之间，这样开启精度就在2.5％到10％之间，满足超压10％以内呼出端完全开启。同时要考虑F_静和F_动，这里依然以5％开启精度为例，需要的状态是超压5％之前阀芯上受到的增力全部由F_静提供，超过5％之后，阀芯迅速移动到位。这样就需要大的F_静和小的F_动，通过选择合适的密封材料及阀体内壁相差较大的摩擦面就能实现。这里采用5％P_呼出S＝F_静-F_动，而不是5％P_呼出S＝F_静，是为了有一个较大的F_静＝k_弹簧Δx+F_动，使突破F_静后阀芯能够克服弹簧力和动摩擦力迅速移动到位，当然要损失一点开启精度，可以将此根弹簧的调压范围适当地往高调一点就能满足要求。当呼出端开启泄压，信号压力下降，F_静将反向阻碍阀芯回落，依然需要约5％P_呼出压降阀芯才能回位，这样阀芯回落时的P′_信号与启动时的P_信号将相差约10％，可以有效地调节储罐压力，避免频跳的发生。吸入端弹簧的设计也是同理。

采用电磁阀控制的三种配置具有压力监控、远程人为介入控制、自动编程控制等优点，而先导阀控制也有稳定性高、防停电控制失效等优点，如果想二者兼而有之，只需将相应位置的电磁阀和先导阀并联接入原位置就能实现。紧急状态控制的电磁阀411与421、412与422、431与441可以合二为一，设计成一体，也可采用小型阀岛装入防爆盒中降低成本。

先导式气动呼吸阀可以应用于低温，以及深冷工况，比如LNG存储。如图16，呼吸阀呼出端111、吸入端112与阀体101之间，控制气缸102、103的活塞杆与阀瓣115之间均可配置隔热垫片117，材料可采用PTFE、FEP等，减小低温对控制气缸及其它设备的影响。阀座116表面精加工，密封面粗糙度Ra不大于0.8μm，减小表面附着力，阀瓣115表面也提高光洁度，密封面处粘结PTFE、FEP等材料提高密封性能。阀体101、呼出端111、吸入端112、阀座116、阀瓣115采用奥氏体不锈钢材料，阀瓣115也可采用6A02铝合金材料。如果用于深冷工况，比如LNG存储，上述奥氏体不锈钢材料均需进行深冷处理；如果用于液氧工况，还需进行脱脂处理。考虑到虽然有垫片117的保护，为了设备运行稳定性更高，控制气缸102、103活塞杆可也采用奥氏体不锈钢材料并深冷处理，连接阀瓣115的端部处采用喷塑处理进一步提高隔热能力；气缸密封件采用适于低温的FEP等材料。低温的信号气体109将进入先导阀201与202的执行器中，膜片采用奥氏体不锈钢金属膜片，信号管109可采用伴热管伴热，由于信号气体在执行器及信号管中基本不流动，因此低温的影响不大。为了提高深冷应用的可靠性，先导阀的执行器和阀体均可采用奥氏体不锈钢材料，密封件采用PTFE和FEP，调节弹簧可采用奥氏体不锈钢，也可用磁钢代替。如果储罐处于需要移动的状态，则动力气体可采用高压钢瓶供气。

附图说明

图1为先导式气动呼吸阀的基本配置；图2为基本配置的先导阀控制图；图3为基本配置的失压状态呼吸阀吸入端开启示意图。

图4为基本配置的电磁阀控制图；图5为电磁阀控制的呼吸阀吸入端开启示意图。

图6为电磁阀控制故障紧急状态控制图；图7为电磁阀控制故障紧急状态时呼吸阀呼出端开启示意图。

图8为先导阀控制故障紧急状态控制图；图9为先导阀控制故障紧急状态时呼吸阀吸入端开启示意图。

图10为电磁阀控制故障紧急状态呼吸阀吸入端、呼出端同时开启控制图；图11为电磁阀控制系统剖面示意图；图12为失压状态呼吸阀吸入端、呼出端同时开启示意图。

图13为先导阀控制故障紧急状态呼吸阀吸入端、呼出端同时开启控制图；图14为先导阀控制系统剖面示意图；图15为超压状态呼吸阀吸入端、呼出端同时开启示意图。

图16为先导式气动呼吸阀新阀体及低温应用的基本配置示意图。

图中编码分别为：101.呼吸阀阀体；102.呼出端控制气缸；103.吸入端控制气缸；104.呼出端气缸上端气管；105.呼出端气缸下端气管；106.吸入端气缸上端气管；107.吸入端气缸下端气管；108.信号管；109.信号气体；110.空气；111.呼吸阀呼出端；112.呼吸阀吸入端；113.动力气体；114.阻火元件；115.阀瓣；116.阀座；117.垫片；118.新阀体；119.呼吸阀储罐接口；121.电磁阀431进气通路剖视图；122.电磁阀431排气通路剖视图；123.电磁阀441进气通路剖视图；124.先导阀231、232并联常闭三通进气回路剖视图；125.先导阀231、232并联常闭三通排气回路剖视图；201.呼出端先导阀；202.吸入端先导阀；203.先导阀执行器；204.执行器上端引压口；205.执行器下端引压口；206.先导阀阀体；207.先导阀上出气口；208.先导阀下出气口；209.先导阀进气口；210.先导阀阀芯；211.先导阀排气口；221.呼出端紧急控制先导阀；222.吸入端紧急控制先导阀；223.常开进气通路；224.常开排气通路；225.常闭排气通路；226.常闭进气通路；227.紧急控制先导阀阀芯；231.呼出端紧急控制三通先导阀；232.吸入端紧急控制三通先导阀；233.常开104管通路；234.常开105管通路；235.常开106管通路；236.常开107管通路；237.常闭三通进气通路；238.常闭三通排气通路；239.紧急控制三通先导阀阀芯；240.三通进气口；241.三通排气口；301.过滤减压阀；302.高压过滤减压阀；303.工作气体；304.高压工作气体；305.三通接管；306.阻尼排气阀；307.气缸排出气体；401.呼出端电磁阀；402.吸入端电磁阀；403.电磁阀线圈；404.电磁阀接线口；405.电磁阀阀芯；406.电磁阀阀体；407.电磁阀上出气口；408.电磁阀下出气口；409.电磁阀进气口；410.电磁阀排气口；411.呼出端紧急控制常开电磁阀；412.吸入端紧急控制常开电磁阀；413.常开进气通路；414.常开排气通路；421.呼出端紧急控制常闭电磁阀；422.吸入端紧急控制常闭电磁阀；423.常闭进气通路；424.常闭排气通路；431.紧急控制常开三通电磁阀；432.常开三通进气通路；433.常开三通排气通路；434.紧急控制常开电磁阀阀芯；435.三通进气口；436.三通排气口；441.紧急控制常闭三通电磁阀；442.常闭三通进气通路；443.常闭三通排气通路；444.紧急控制常闭电磁阀阀芯；445.三通进气口；446.三通排气口；451.压力变送器。

具体实施方式

先导式气动呼吸阀基本配置的先导阀控制与电磁阀控制的结构与原理简单易懂，在前述发明内容中已重点详述，这里不再重复，见图1至图5。

当呼吸阀端口由于冻结比较严重或者其它原因不能正常开启时，配置增强开启回路，引入高压控制气路，以应对此紧急状态。图6，引入高压过滤减压阀302，根据现场的动力气体113的压力，可将过滤减压阀301的压力设定为动力气体113压力的一半稍低，以此计算选择相应活塞面积的控制气缸。将高压过滤减压阀302的压力设定为过滤减压阀301的两倍，这样高压过滤减压阀302开启时将提供之前两倍的开启压力。这里一贯地将呼吸阀的呼出压力设定为1kpag，吸入压力设定为-0.5kpag，紧急呼出压力设定为2kpag，紧急吸入压力设定为-1kpag。电磁阀411与412结构相同，为双联常开两通开关电磁阀，失电状态为常开，一端与过滤减压阀301相连，另一端连接先导阀201与202的进气接口209和排气接口211。电磁阀421与422结构相同，为双联常闭两通开关电磁阀，失电状态为常闭，进气通路423一端与高压过滤减压阀302相连，另一端与控制气缸下端气管105、107相连，排气通路424与控制气缸上端气管104、106相连。正常工作状态下，高压过滤减压阀302的回路是关闭的，呼出端先导阀201与吸入端先导阀202控制呼吸阀的启闭。压力变送器451将压力信号反馈到控制室电脑中。图6的状态为储罐压力较呼出设定压力超压5％，先导阀201动作，阀芯210上行，工作气体303通过105管进入呼出端气缸102下活塞腔，呼出端开启。当呼出端出现故障不能开启时，信号压力会继续上升，当达到紧急呼出设定压力时，控制电脑将会向呼出端紧急控制常开电磁阀411和呼出端紧急控制常闭电磁阀421发出电信号，411得电关闭，421得电开启，于是先导阀201控制回路切断，高压工作气体304由电磁阀421通过105管路进入呼出端控制气缸102下活塞腔，呼出端强制开启，见图7。这时，至于故障是因为冻结、背压过高，还是先导阀201故障，都不影响高压工作气体304去开启呼出端。吸入端故障操作也是同理。故障状态时，电磁阀411或412去封闭先导阀201或202的进气口和出气口，使其回路切断，是为了避免因201或202故障造成紧急开启回路通过201或202串气，而失去作用。

不通过紧急控制电磁阀，通过紧急控制先导阀也能实现紧急开启控制。见图8。呼出端紧急控制先导阀221与吸入端紧急控制先导阀222结构相同，只是调节弹簧不同，一个用于超压控制，一个用于失压控制。221与222有四个通路，两个常开通路，两个常闭通路。223常开进气通路一端与过滤减压阀301相连，一端与先导阀201、202进气口209相连；224常开排气通路与先导阀201、202排气口211相连。226常闭进气通路一端与高压过滤减压阀302相连，另一端与控制气缸下端气管105、107相连；225常闭排气通路与控制气缸上端气管104、106和阻尼排气阀306相连。正常工作状态下，高压过滤减压阀302的回路是关闭的，呼出端先导阀201与吸入端先导阀202控制呼吸阀的启闭。图8的状态为储罐压力较吸入端设定压力失压5％，先导阀202动作，阀芯210上行，工作气体303通过107管进入吸入端气缸103下活塞腔，吸入端开启。当吸入端出现故障不能开启时，随着压力的进一步下降，达到吸入端紧急控制先导阀222的设定压力-1kpag时，222动作，阀芯227上行，常开通路223、224关闭，常闭通路225、226开启，先导阀202控制回路切断，高压工作气体304通过107管路进入吸入端控制气缸103下活塞腔，吸入端强制开启。见图9。同样，至于故障是因为冻结、还是先导阀202故障等其它原因，都不影响高压工作气体304去开启吸入端。呼出端故障操作也是同理。故障状态时，封闭先导阀201或202的进气口和出气口，使其回路封闭，同样是为了避免因201或202故障造成紧急开启回路通过201或202串气，而失去作用。

呼吸阀故障不能开启有时会产生很严重的后果，因此设计一种更稳妥的方法解决一旦发生的开启故障是很必要的。当开启故障时，不管故障源于呼出端还是吸入端，紧急开启回路控制呼出端与吸入端均同时强力开启，是一种比较有效的解决方法。因为在此紧急故障情况下，保护储罐安全是第一位的，不管两端开启是吸入了废气管道的排出气体，还是将储罐中气体排出到空气中，都好于储罐出现危险。如果本来就是向空气中排放的，就更没有问题了。并且，如果是设备问题，呼出端与吸入端将互相成为备份。而冻结状态下，吸入端由于结构原因更难开启，呼出端相对容易开启，同时开启可以更好地保护储罐安全。目前市场应用中的呼吸阀均没有呼出端与吸入端同时开启功能。图10，电磁阀431为常开双联三通开关电磁阀，常开三通进气通路432连接先导阀201、202的进气口209和过滤减压阀301，常开三通排气通路433连接先导阀201、202的排气口211通过阻尼排气阀306排气，见图11。电磁阀441为常闭双联三通开关电磁阀，常闭三通进气通路442连接控制气缸下端气管105与107和高压过滤减压阀302，常闭三通排气通路443连接控制气缸上端气管104与106，并通过阻尼排气阀306排气。正常工作状态时，先导阀201、202控制呼吸阀的启闭，图10显示的是失压超发定压力5％时，202动作，控制吸入端开启。当呼出端与吸入端任何一端出现开启故障时，随着压力的进一步变化，当触及紧急呼出设定压力(2kpag)或紧急吸入设定压力(-1kpag)时，控制室向电磁阀431、441发出电信号，431得电关闭，441得电开启，于是先导阀201、202控制回路关闭，高压工作气体304通过105、107管路进入控制气缸102、103活塞腔下部，呼出端、吸入端同时开启。图12为吸入端故障，呼出端、吸入端同时开启的示意图。

采用电磁阀的配置是比较贵的，还要考虑防爆问题，采用紧急控制先导阀会比较便宜，而且还可以避免电故障问题，只是接管会比较复杂一些，不能实现控制室远程操控，见图13。呼出端紧急控制三通先导阀231与吸入端紧急控制三通先导阀232结构相同，只是调节弹簧不同，一个用于超压控制，一个用于失压控制。信号气体109接入先导阀231的执行器下腔，同时接入先导阀232的执行器上腔，空气110同时进入先导阀231的执行器上腔和先导阀232的执行器下腔，与先导阀201、202连接和原理相同。231与232有四个常开两通通路233、234、235、236与两个常闭三通通路237、238。管路105、107由先导阀201、202的上出气口207开始，串联通过先导阀231、232的常开通路234、236与控制气缸102、103的下活塞腔端口连接，并并联一路气管分别与231、232的常闭三通通路237并联连接于237的左接口与右接口，两个237的后部接口240并联连接过滤减压阀302，见图14。同样，管路104、106由先导阀201、202的下出气口208开始，串联通过先导阀231、232的常开通路233、235与控制气缸102、103的上活塞腔端口连接，并并联一路气管分别与231、232的常闭三通通路238并联连接于238的左接口与右接口，两个238的后部接口241并联连接阻尼排气阀306。正常工作状态由先导阀201、202控制呼吸阀的启闭，图13为信号压力超呼出设定压力5％，201动作，呼吸阀呼出端开启。当开启故障时，不论是呼出端还是吸入端，信号压力达到紧急呼出设定压力(2kpag)或紧急吸入设定压力(-1kpag)时，紧急控制先导阀231或232动作，四个常开通路233、234、235、236关闭，先导阀201、202控制回路切断，同时两个常闭三通通路237、238开启，高压过滤减压阀302中的高压工作气体304由237通路通过管路105、107开启呼吸阀的呼出端和吸入端，气缸排出气体307通过管路104、106由238通路后端接口241上的阻尼排气阀306排出。图15为呼出端开启故障时，紧急控制先导阀231动作，控制呼吸阀两端开启的示意图。当信号压力回复时，紧急控制先导阀231或232回位，四个常开通路233、234、235、236开启，两个常闭三通通路237、238关闭，呼吸阀的控制重新交给先导阀201和202。

图16，本发明先导式气动呼吸阀将压力信号气源与呼吸阀启闭气源分离，因此可以容易实现控制吸入端吸入其它气源。先导阀201、202根据信号压力P_信号与呼出端设定压力P_呼出(即：P_弹簧+P_阀芯+P_大气)和吸入端设定压力P_吸入(即：P_大气-P_弹簧-P_阀芯)的大小关系，控制经过滤减压阀301调压稳压的工作气体303作为动力气源启闭呼出端或吸入端。这里，吸入端与呼出端采用相同或相似的结构，可以方便接入需要的气体，比如：氮气。新的结构还使吸入端在冻结的状况下比之前更容易开启。新阀体118的下部区域可以有效利用，设置阻火元件114，用于易燃且不易冻结的介质，信号管108可以进行内部设置，深入到储罐内部，使压力信号更加准确。前述的先导式气动呼吸阀的电磁阀控制、紧急状态开启回路控制等其它几种配置也均适用于此新阀体。在低温以及深冷应用中，新阀体118将更有优势，控制气缸等设备更远离深冷介质，伴热设备也便于配置，因此，低温配置的部件可以更少，甚至视具体情况可以采用常温配置。

Claims (8)

1.一种先导式气动呼吸阀，其特征在于：将压力信号气源与呼吸阀启闭气源分离，储罐中的气体只作为压力信号，引入先导阀中，与预设的设定压力相比较，压力信号的变化决定先导阀的动作。引入外部动力气源，可以是氮封系统中的氮气、仪表风气体、钢瓶气体，由先导阀控制作为启闭呼吸阀端口的动力。引入呼出端控制气缸和吸入端控制气缸，作为启闭呼吸阀呼出端口和吸入端口的执行设备。

先导阀201和202结构相同，只是调节弹簧不同，201用于超压控制，202用于失压控制。引信号气体109进入呼出端先导阀201执行器203的下腔，同时进入吸入端先导阀202执行器203的上腔，空气110同时进入呼出端先导阀201执行器203的上腔和吸入端先导阀202执行器203的下腔，见图2。动力气体113经过滤减压阀301调压，形成稳定压力的工作气体303进入先导阀的进气口209。在呼出端先导阀201中，信号压力P_信号与弹簧力P_弹簧加阀芯重力P_阀芯加大气压力P_大气相作用，调节弹簧力P_弹簧的大小以设定呼出端的开启压力P_呼出。当P_信号＜P_呼出(即：P_弹簧+P_阀芯+P_大气)时，阀芯210处于阀体206的下部位置，工作气体303通过下出气口208联通呼出端气缸上端气管104进入呼出端控制气缸102上活塞腔，气缸下行，呼出端111关闭。反之，当P_信号＞P_呼出(即：P_弹簧+P_阀芯+P_大气)时，阀芯210上行，工作气体303通过上出气口207联通呼出端气缸下端气管105进入呼出端控制气缸102下活塞腔，气缸上行，呼出端111开启。同理，在吸入端先导阀202中，信号压力P_信号加弹簧力P_弹簧加阀芯重力P_阀芯与大气压力P_大气相作用，调节弹簧力P_弹簧的大小以设定吸入端的开启压力P_吸入。当P_信号＞P_吸入(即：P_大气-P_弹簧-P_阀芯)时，阀芯210处于阀体206的下部位置，工作气体303通过下出气口208联通吸入端气缸上端气管106进入吸入端控制气缸103上活塞腔，气缸下行，吸入端112关闭。反之，当P_信号＜P_吸入(即：P_大气-P_弹簧-P_阀芯)时，阀芯210上行，工作气体303通过上出气口207联通吸入端气缸下端气管107进入吸入端控制气缸103下活塞腔，气缸上行，呼出端112开启，见图3。气缸的排出气体307由排气口211排出，阻尼排气阀306可以调节气缸的运行速度。本呼吸阀就是依靠先导阀201和202将储罐压力P_信号控制在呼出端的开启压力P_呼出与吸入端的开启压力P_吸入之间。在信号管108上安装压力变送器451，可以在控制室监控储罐压力变化，也可由此观察到呼吸阀的运行状况。

2.根据权利要求1所述的先导式气动呼吸阀，其特征在于：采用电磁阀401、402分别代替先导阀201、202可以用来控制呼吸阀的启闭。在控制室电脑上设定呼出压力和吸入压力，当压力变送器451的反馈压力触及上述压力时，控制电脑向相应端口的电磁阀发送通电信号，于是相应电磁阀得电换向，工作气体303将进入相应端口的控制气缸的下活塞腔，相应端口开启，见图4、图5。

3.根据权利要求1、2所述的先导式气动呼吸阀，其特征在于：配置增强开启回路，引入高压控制气路，以应对相应端口故障不能开启的紧急状态。比如，根据现场的动力气体113的压力，可将过滤减压阀301的压力设定为动力气体113压力的一半稍低，以此计算选择相应活塞面积的控制气缸。将高压过滤减压阀302的压力设定为过滤减压阀301的两倍，这样高压过滤减压阀302开启时将提供之前两倍的开启压力。可以采用紧急控制电磁阀来切换常规控制回路与紧急控制回路，也可以采用紧急控制先导阀来进行切换。图6、图7为采用紧急控制电磁阀来控制切换回路，图8、图9为采用紧急控制先导阀来进行控制，二者均采取强力开启故障端，非故障端不变的方式。

4.根据权利要求1、2、3所述的先导式气动呼吸阀，其特征在于：配置增强开启回路，引入高压控制气路，在不论是呼出端还是吸入端故障不能开启的紧急状态时，设置同时强力开启呼出端和吸入端。同样可以采用紧急控制电磁阀或紧急控制先导阀来进行切换控制，见图10至图15。

5.根据权利要求1、2、3、4所述的先导式气动呼吸阀，其特征在于：呼吸阀的传统应用是吸入空气，但空气对很多介质的氧化会使介质质量下降，并且增加了点燃风险，如果吸入惰性气体或其它低成本的阻燃气体应该是一种改进。由于现有的呼吸阀结构特点对于控制吸入其它气体存在困难，因此提出一种新的阀体结构，来满足此应用，见图16。由于本发明先导式气动呼吸阀将压力信号气源与呼吸阀启闭气源分离，因此控制吸入其它气源变得容易。这里，吸入端与呼出端采用相同或相似的结构，可以方便接入需要的气体，比如：氮气。如果应用于储罐氮封系统，还可以根据氮气的压力、流量，调整吸入端、呼出端的接口以及阀口大小，通过设计高精度的先导阀201、202，代替或部分代替现有的以氮封阀、泄氮阀为主的氮封系统，可以提供更大的流量控制、结构更简单，成本更低。新阀体118的下部区域可以有效利用，设置阻火元件114，用于易燃且不易冻结的介质，信号管108可以进行内部设置，深入到储罐内部，使压力信号更加准确。前述的先导式气动呼吸阀的其它几种配置也均适用于此新阀体。

6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的先导式气动呼吸阀，其特征在于：采用电磁阀控制的三种配置具有压力监控、远程人为介入控制、自动编程控制等优点，而先导阀控制也有稳定性高、防停电控制失效等优点，如果想二者兼而有之，只需将相应位置的电磁阀和先导阀并联接入原位置就能实现。紧急状态控制的电磁阀411与421、412与422、431与441可以合二为一，设计成一体，也可采用小型阀岛装入防爆盒中降低成本。

7.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的先导式气动呼吸阀，其特征在于：本发明可以应用于低温，以及深冷工况，比如LNG存储。由于结构特点优势，采用相应的耐低温材料、深冷处理、零件配置、及隔热措施等，可以适应低温及深冷工况的应用。在低温以及深冷应用中，新阀体118将更有优势，控制气缸等设备更远离深冷介质，伴热设备也便于配置，因此，低温配置的部件可以更少，甚至有时可以采用常温配置。

8.根据权利要求1、2、3、4所述的先导式气动呼吸阀，其特征在于：先导阀201、202，紧急控制先导阀221、222，紧急控制三通先导阀231、232采用自力式阀的执行器结构与滑阀的阀体结构相结合，达到压力信号气体控制动力气体通路换向的目的及功能。