切断阀控制系统设计及优化

1 概述

在能源安全新战略框架下，《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》《能源发展“十三五”规划》《关于促进天然气协调稳定发展的若干意见》等陆续出台，确立将天然气培育成为中国主体能源之一，提出 2030 年天然气在一次能源消费结构中占比达 15% 的具体目标。随着我国西气东输、中亚天然气管道、俄罗斯天然气管道和沿海接收站建设，我国天然气基础设施的建设进入了高潮，天然气在中国的应用逐渐走向成熟。与此同时，对管网以及管网上的调压器等设备的安全保护逐步得到重视，近年来各类用于超压安全保护的自力式切断阀(以下简称切断阀)大量应用在燃气输配系统上。

在管道运行过程中，当切断阀后方设备如调压器的输出压力高于切断压力设定值时，切断阀控制系统能够及时、准确地响应，并控制切断阀关闭，从而保护切断阀后方的设备以及尽可能避免其他安全事故

。切断阀的性能取决于其控制系统。本文根据切断阀的工作原理和基本功能，对切断阀控制系统进行方案设计，针对切断阀在实际生产制造和应用过程中出现的问题，对该控制系统进行优化设计，旨在为切断阀设计者和生产者提供一种功能拓展性更强、通用性更高的控制系统。

2 切断阀工作原理

2.1 切断阀适用场合

根据TSG 07—2019 《特种设备生产和充装单位许可规则》

，切断阀属于安全阀，其应用于燃气输配系统中起紧急切断保护作用。当下游压力达到切断压力设定值时快速切断供气，以确保下游的用气安全。切断阀以管道燃气为控制能源，不使用任何外部动力源，被广泛用于天然气长输管道分输站、城市燃气门站和调压站、燃气电厂等需要对供气压力故障快速响应的场合。

2.2 切断阀结构及工作原理

对机械式控制系统的切断阀结构及工作原理进行介绍，后续切断阀控制系统的探讨均围绕气动式控制系统。切断阀结构见图1。工作原理

为：切断阀出口压力由信号管引入控制器作用在感应元件上，此力与感应元件另一侧的调节弹簧设定力相平衡。当燃气输配系统出现故障，切断阀下游取压点处的压力超出调节弹簧设定力对应的压力后，触发机构脱扣，执行器带动闭合元件向下移动，闭合元件与阀体贴合，阀门迅速关闭，从而切断上游燃气向下游输送，保护下游设备及管道的安全。当故障排除后，由人工现场拨动复位装置，触发机构上扣，阀门打开，稳定向下游供气。

图6为运用扩展卡尔曼滤波融合UWB、编码器和陀螺仪后获得的轨迹图，可以看出，融合后的轨迹与实际的轨迹比较接近，用扩展卡尔曼滤波估计位置与实际位置的最大误差为0.058 m，平均误差为0.022 m，相比单一UWB定位，多传感器融合算法最大误差定位精度提高0.236 m，平均误差定位精度提高0.013 m。

3 切断阀控制系统设计

② 正常工作状态切换为超压切断状态，控制过程见图4中的红色流程线。当阀后监控压力大于切断压力设定值时，指挥器开启，迫使气控换向阀换向，气控换向阀的P口和B口接通。阀前压力经减压器降压后经气控换向阀的P口和B口通路进入气动执行器的B口，气体将气动执行器内气缸向中间推进，气动执行器原有气体经A口通过气控换向阀排气，切断阀关闭。若未执行复位动作，切断阀一直保持关闭状态。

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本文采用电磁阀接收远程切断控制信号，通过其换向动作实现切断阀关闭，控制过程见图7中青色流程线。在手动切断阀和气控换向阀之间并联一路电磁阀，即可实现切断阀远程切断功能。在切断阀正常工作状态下，指挥器处于关断状态。如果控制平台系统发出远程切断控制信号，电磁阀接收信号后切换至通路，阀前压力经减压器降压后，一路气体经电磁阀进入气控换向阀，迫使气控换向阀换向，其P口和B口接通。另一路气体经气控换向阀的P口和B口通路进入气动执行器，气体将气动执行器内气缸向中间推进，气动执行器原有气体经A口通过气控换向阀排气，切断阀关闭。若未执行复位动作，切断阀一直保持关闭状态。

③ 正常工作状态切换为手动切断状态，控制过程见图5中蓝色流程线。按动手动切断阀按钮将其换向，其A口和R口接通。阀前压力经减压器降压后，一路气体经手动切断阀的R口、A口进入气控换向阀，迫使气控换向阀换向，其P口和B口接通；另一路气体通过气控换向阀的P口和B口通路进入气动执行器，气体将气动执行器内气缸向中间推进，气动执行器原有气体经A口通过气控换向阀排气，切断阀关闭。若未执行复位动作，切断阀一直保持关闭状态。

其中，减压器主要作用是将阀前压力降至整个控制系统所需压力，为控制系统提供稳定的动力源；指挥器为压力感知元件，用于感知阀后监控压力并控制指挥器阀口的开关；手动切断阀用于现场手动控制阀门关闭；复位阀用于现场手动控制阀门开启；气控换向阀用于控制并维持阀门开启或者关闭状态；气动执行器用于执行切断阀开关动作。

切断阀控制系统主要作用为精准感知下游压力的变化，当下游压力超过切断压力设定值时，能够控制执行器动作，迅速实现切断阀关闭；当故障排除后，人工现场复位，实现切断阀开启。切断阀控制系统见图2。在图2～8中，手动切断阀等阀门中的箭头不表示流向。

① 初始压力设定后的正常工作状态，控制过程见图3中的绿色流程线。此时指挥器处于关断状态，其后端元件均没有压力。阀前压力经减压器降压后进入气控换向阀，经P口-A口通道进入气动执行器并将气动执行器内气缸向两端推开，气动执行器原有气体经B口通过气控换向阀排气，切断阀开启。若阀后监控压力未超压或未执行手动切断动作，切断阀一直保持开启状态。

④ 切断状态切换为复位状态，控制过程见图6中紫色流程线。不论超压切断还是手动切断，复位必须通过现场人工操作复位阀。按动复位阀将其A口和P口导通，气控换向阀内气体排出后换向，其P口和A口接通。阀前压力经减压器降压后进入气控换向阀，经P口和A口通路进入气动执行器并将气动执行器内气缸向两端推开，气动执行器原有气体经B口通过气控换向阀排气，切断阀开启。若出口压力未超压或未执行手动切断动作，切断阀一直保持开启状态。

4 控制系统优化设计

4.1 附加功能拓展设计

目前护理专业OSCE标准化病人主要依赖于各大医院。台湾大学有标准化病人协会，主要为退休的公务员和教师，另外部分学校招募学生志愿者作为标准化病人。这两类人群都存在共同的问题，即不符合某些疾病的年龄特征。标准化病人要符合以下条件：不能有考试案例所涉及的疾病，身上不能有手术疤痕，非老年心脏病病人。

① 附加远程切断功能设计

切断阀在使用过程中的状态分为初始压力设定后的正常工作状态、超压切断状态、手动切断状态以及复位状态，各状态控制过程如下。

② 阀门开关状态远传功能

阀门开关状态远传功能可以将切断阀开关状态远传至控制平台系统，便于实时监测切断阀的工作状态，及时做出响应。阀门开关远传功能系统见图8。本文对气动执行器进行改进，增配限位开关。限位开关可以将切断阀的开关信号实时传输到控制平台系统。

4.2 控制系统通用化设计

由于切断阀使用工况差异，根据其主阀体内部阀芯的运动轨迹，一般可分为角行程和直行程阀门。角行程阀门阀芯一般是在90°范围内旋转往复运动，直行程阀门阀芯一般是直线往复运动。为了提高控制系统的安全性和可靠性，减少不必要的设计，降低制造成本，可以对控制系统进行优化设计，兼顾两种行程，从而实现控制系统的模块化、通用化。

本文采用同一控制系统选配不同类型的气动执行器(A型和B型)，可输出直行程和角行程，从而匹配不同行程方式的主阀体，通用性好。直行程切断阀见图9，角行程切断阀见图10。

男女生身高与肺活量呈低度正相关（r男=0.394，r女=0.291，P＜0.01），身高与立定跳远也呈低度正相关（r男=0.167，r女=0.149，P＜0.01）。这表明无论男生女生，身高越高，肺活量值越大，同时立定跳远跳得越远。凭借常识我们可判断出身高与立定跳远的相关，但身高与肺活量相关方面的研究还不多，是否存在身高与肺活量之间有中间变量影响？假设身高高的人生长发育较身高矮的人发育良好，身高高的人平时更注重抬头挺胸直腰，要验证这一假设还有待深入研究。

5 结论

基于自力式切断阀工作原理，设计控制系统并对其正常工作状态、超压切断状态、手动切断状态以及复位状态进行探讨。对控制系统进行优化，优化后控制系统具备远传控制切断、阀门开关状态远传功能，且能兼容不同结构形式主阀体。

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