气动双作用保位开关阀的设计与应用

吴 刚 毛闻之 吴佳欢

(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085)

气动双作用保位开关阀的设计与应用

吴 刚 毛闻之 吴佳欢

(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085)

针对在油田地面工程中受现场恶劣自然条件和气温的限制雨淋阀难以得到有效应用的问题，提出一种用双作用气动保位开关阀替代电式启动雨淋阀的设计，为某些特殊工况下雨淋阀的选用提供了另一种选择。双作用气动保位开关阀已在某海外油田地面工程中实际应用。

气动双作用保位开关阀 雨淋系统 故障保位

雨淋阀是一种水力驱动远程控制的阀，可通过干式、湿式及电式等方式来开启或关闭，满足消防管网内注水的需要。当消防结束后，又能重新恢复伺应状态。

根据国标[1～3]和相应行业标准的要求，大型原油储罐、液化天然气球罐及石油气储配站等多种工业场合均需设置消防雨淋系统。随着近几年石油化工、油气储运项目处理量和规模的不断增大，爆炸和危险性升高，作为消防雨淋系统核心设备之一的雨淋阀得到广泛使用。伊拉克南部米桑省某油田是中石油在中东地区的主力区块之一，已探明石油和天然气储量巨大，主要包括3个原油中心处理站、一个天然气中心处理站，且各站场内设计有众多大型储运设施，故消防系统和雨淋阀得到大量使用。根据介质特点，要求雨淋阀必须有良好的密封特性，快速的开关行程时间(一般小于15s)，准确的阀位回讯，且不受外部动力源故障影响，能够实现可靠的开关/保位。

常规雨淋阀使用时，阀前管线充水，阀后为空管，对设置场所的温度有要求。对于伊拉克油田，现场气候条件恶劣,冬季昼夜温差极大，极限工况下露天设置的雨淋阀可能冰堵。若将阀门设置在室内，由于防火间距和总图布置的要求，势必增长消防管线，延长冷却水上罐时间；且管线增长后因腐蚀、锈蚀产生的锈渣、杂质等的量也会增加。而水雾喷头的孔径极小，极易堵塞[4]。至于保温伴热或管线直埋等措施，由于增加项目投资或增大运行维护量的原因，不推荐使用。

由此可见，特殊环境下油田地面工程雨淋系统设计时，消防管线是否带压、雨淋阀的选型设置等不能完全照搬传统设计思路，需要结合现场情况而合理设计。虽然雨淋阀的控制原理和阀门结构经过多年的演变，形成了多个种类(如隔膜型、活塞型及杠杆型等)，但由于带压工作等多种原因，均不能完全适应油田地面工程的特点；而现有不同项目或相关论文中的阀门改造和优化(如引入止回单元[5]，改造阀芯结构适应大流通能力的特点，优化基本液路控制单元等)，也没有根本改变核心控制原理和雨淋阀自身适应性，难以完全适应油田项目的特殊性。

笔者通过借鉴常规两位式气动控制阀[6]的气路控制原理，参考某些特殊功能控制阀的控制回路中电磁阀的巧妙应用[7，8]，合理选择阀体类型后，采用气动/双作用/故障保位/活塞式/开关球阀(含执行机构)来代替常规雨淋阀，确保实现了各种工况下的故障保位即不受动力源失去的影响，满足了阀门快速开启、关闭，远程受控的功能需求。而且由于不用带压工作，从而适应现场恶劣环境的特点，成功应用于伊拉克南部米桑省某油田项目。

1 气动双作用故障保位活塞式开关阀的结构与原理

雨淋阀的选用中，电式启动雨淋阀因其与站控系统联锁控制的时效性和操作运行的可控性而得到广泛使用，此处针对该类雨淋阀进行相应的功能替代设计。

气动双作用故障保位活塞式开关阀的气动控制回路包括双作用活塞执行机构(合理设计承压面积，确保行程时间满足快开要求)、两位两通气控阀、三位五通双励磁电磁阀、止回阀、储气瓶及过滤调压器等。阀门本体的选型可考虑全通径阀芯、固定式球阀(分体式结构/硬密封五级/快开特性)。

1.1阀的气动控制回路状态1

阀的气动控制回路状态1——无气源，执行机构保位如图1所示。

图1 阀的气动控制回路状态1

阀的气动控制回路状态1的相应三位五通电磁阀(SOV)在不同控制命令下的工作状态如下：

a. SOV在线圈1(Coil1)和线圈2(Coil2)都不带电时，两边线圈都没有磁场，两边的弹簧推力相等，因此SOV里的滑阀会被两边的弹簧推力推到中间并维持在中间位置。SOV的气源入口被堵，连接气控阀1(PV1)和气控阀2(PV2)的出口也会被堵。通往PV1和PV2的气源因此会被SOV断开。

b. SOV在Coil1和Coil2都带电时，两边线圈都有磁场。磁场产生的推力互相抵消，两边的弹簧推力也相等。因此SOV里的滑阀会被两边的弹簧推力推到中间并维持在中间位置。SOV的气源入口被堵，连接PV1和PV2的出口也会被堵，通往PV1和PV2的气源因此会被SOV断开。

c. PV1和PV2在没有气源的情况下，弹簧推力会把PV1的滑阀推到右边位置，把PV2的滑阀推到左边位置，连接PV1和PV2的气源都被排空，PV1和PV2连接A缸和B缸的气路被堵，故A缸和B缸里的气压将被锁在缸里。

d. 气缸执行机构因此维持在最后位置。

当然，如果储气瓶上游的仪表风气源故障失气，由于气瓶入口的止回阀和气瓶自身储气量的保证，气缸执行机构也能保位。后续各种工况分析也都包含此工况，不再赘述。

1.2阀的气动控制回路状态2

阀的气动控制回路状态2A——无气源，信号开阀，执行机构保位如图2所示。

图2 阀的气动控制回路状态2A

阀的气动控制回路状态2A的相应电磁阀在不同控制命令下的工作状态如下：

a. SOV的Coil1不带电、Coil2带电。Coil1线圈没有磁场，Coil2有磁场，两边的弹簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑阀会被Coil2的磁场吸到右边位置。SOV的气源和PV2接通，PV1的气会被排空，但因为没有气源，将没有气压通往PV2。

b. PV1和PV2在没有气源的情况下，弹簧推力会把PV1的滑阀推到右边位置，把PV2的滑阀推到左边位置，连接PV1和PV2的气源都被排空，PV1和PV2连接A缸和B缸的气路被堵，因此A缸和B缸里的气压将被锁在缸里。

c. 气缸执行机构因此维持在最后位置。

阀的气动控制回路状态2B——无气源，信号关阀，执行机构保位如图3所示。

阀的气动控制回路状态2B的相应电磁阀在不同控制命令下的工作状态如下：

a. SOV的Coil1带电、Coil2不带电。Coil1线圈有磁场，Coil2没有磁场，两边的弹簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑阀会被Coil1的磁场吸到左边位置。SOV的气源和PV1接通，PV2的气会被排空，但因为没有气源，将没有气压通往PV1。

图3 阀的气动控制回路状态2B

b. PV1和PV2在没有气源的情况下，弹簧推力会把PV1的滑阀推到右边位置，把PV2的滑阀推到左边位置，连接PV1和PV2的气源都被排空，PV1和PV2连接A缸和B缸的气路被堵，故A缸和B缸里的气压将被锁在缸里。

c. 气缸执行机构因此维持在最后位置。

1.3阀的气动控制回路状态3

阀的气动控制回路状态3——有气源，执行机构保位如图4所示。

图4 阀的气动控制回路状态3

阀的气动控制回路状态3的相应电磁阀在不同控制命令下的工作状态如下：

a. SOV在Coil1和Coil2都不带电时，两边线圈都没有磁场，两边的弹簧推力相等，因此SOV里的滑阀会被两边的弹簧推力推到中间并维持在中间位置。SOV的气源入口被堵，连接PV1和PV2的出口也被堵，通往PV1和PV2的气源因此会被SOV断开。

b. PV1和PV2在有气源情况下，气源压力会克服弹簧推力把PV1滑阀推到左边位置，把PV2滑阀推到右边位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 虽然气缸里的气压可以通过PV1和PV2排出，但因位SOV的滑阀在中间位置，所以A缸和B缸里的气压无法通过SOV排空，气源也无法通过SOV进入A缸和B缸，因此执行机构将维持在最后位置。

1.4阀的气动控制回路状态4

阀的气动控制回路状态4A——有气源，信号开阀，执行机构开阀如图5所示。

图5 阀的气动控制回路状态4A

阀的气动控制回路状态4A的相应电磁阀在不同控制命令下的工作状态如下：

a. SOV的Coil1不带电、Coil2带电。Coil1线圈没有磁场，Coil2有磁场，两边的弹簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑阀会被Coil2的磁场吸到右边位置。SOV的气源和PV2接通，PV1的气会被排空。

b. PV1和PV2在有气源的情况下，气源压力会克服弹簧推力把PV1滑阀推到左边位置，把PV2滑阀推到右边位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 气源压力通过SOV和PV2进入B缸，A缸里的气压通过PV1和SOV排空，因此执行机构活塞将从B移向A，执行机构把阀打开。

阀的气动控制回路状态4B——有气源，信号关阀，执行机构关阀如图6所示。

阀的气动控制回路状态4B的相应电磁阀在不同控制命令下的工作状态如下：

a. SOV的Coil1带电、Coil2不带电。Coil1线圈有磁场，Coil2没有磁场，两边的弹簧推力相等互相抵消，因此SOV里的滑阀会被Coil1的磁场吸到左边位置。SOV的气源和PV1接通，PV2的气会被排空。

图6 阀的气动控制回路状态4B

b. PV1和PV2在有气源的情况下，气源压力会克服弹簧推力把PV1滑阀推到左边位置，把PV2滑阀推到右边位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 气源压力通过SOV和PV1进入A缸，B缸里的气压通过PV2和SOV排空，因此执行机构活塞将从A移向B，执行机构把阀关闭。

1.5阀的气动控制回路状态5

阀的气动控制回路状态5——有气源，双线圈同时带电，执行机构保位如图7所示。

图7 阀的气动控制回路状态5

阀的气动控制回路状态5的相应电磁阀在不同控制命令下的工作状态如下：

a. SOV在Coil1和Coil2都带电时，两边线圈都有磁场，磁场产生的推力互相抵消，两边的弹簧推力也相等，因此SOV里的滑阀会被两边的弹簧推力推到中间并维持在中间位置。SOV的气源入口被堵，连接PV1和PV2的出口也会被堵，通往PV1和PV2的气源因此会被SOV断开。

b. PV1和PV2在有气源的情况下，气源压力会克服弹簧推力把PV1滑阀推到左边位置，把PV2滑阀推到右边位置，因此PV1和A缸接通，PV2和B缸接通。

c. 虽然气缸里的气压可以通过PV1和PV2排出，但因位SOV的滑阀在中间位置，所以A缸和B缸里的气压无法通过SOV排空，气源也无法通过SOV进入A缸和B缸，因此执行机构将维持在最后位置。

2 安装与操作

采用双作用气动保位开关阀替代电式启动雨淋阀后，仍然应该注意其作为雨淋阀使用中的一些要点[9]：

a. 雨淋阀装置应尽量安装在自然地坪以上的水平管道上，安装位置应有足够的空间，以便安装维护与保养。

b. 安装雨淋阀之前，供水管路必须彻底清洗，确保管道中没有杂物。

c. 雨淋阀的关闭，需经过人工复位(确认)；执行机构配电磁阀可采用复位按钮，以实现现场确认后回位。

d. 为气动保位开关阀配置合理的手轮组，以实现可靠的现场手动开关操作，例如为电磁阀排气和两侧气缸连通提供手轮。

e. 气瓶位置应距离阀门本体尽可能地接近，减少中间气路故障可能。

f. 按照消防规范要求，定期测试雨淋阀装置，确保可靠运行。

3 结束语

电式启动雨淋阀在某些恶劣自然环境下操作使用不便，给项目投资和运行维护带来一些问题；由于某些工程中工艺流程设计上的先决条件，导致部分消防管路无法带压，从而某些位置亦无法使用雨淋阀。双作用气动保位开关阀为部分工程应用提供了另一种功能替代选择，它通过合理设计气缸承压面积、气瓶容量和阀体选型，实现了与电式启动雨淋阀功能和性能完全一致的控制效果。

气动开关阀适用的温度范围较广，操作方便快捷，降低了消防管网的运行维护工作量，为油田地面工程中雨淋阀的选型提供了新选择。

[1] GB 50219-2014,水喷雾灭火系统技术规范[S].北京:中国计划出版社,2014.

[2] GB 50084-2001,自动喷水灭火系统设计规范[S].北京:中国计划出版社,2001.

[3] GBJ 16-87,建筑设计防火规范[S].北京:中国计划出版社,1988.

[4] 戚友军.浅谈寒冷地区雨淋阀的设置[J].消防技术与产品信息,2004,(8):16～17.

[5] 郑观雄.止回式雨淋阀在消防工程上的应用[J].阀门,1995,(2):17～18.

[6] 顾天骠.新型气动控制阀[J].化工自动化及仪表,1991,18(6):47～52.

[7] 陈金星,刘家胜.两位式控制阀的控制气路改进[J].化工自动化及仪表,2002,29(2):54～56.

[8] 李帮军.电磁阀冗余在控制阀上的应用[J].化工自动化及仪表,2013,40(4):545～548.

[9] 余小玲.大朝山工程消防系统中的雨淋阀装置[J].水利水电施工,2002,(3):79～80.

TH138.52+2

B

1000-3932(2016)05-0546-05

2016-04-11(修改稿)