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關(guān)于長(zhǎng)輸天然氣管線減壓站控制閥故障分析
發(fā)布于：2020/2/5 9:05:53 點(diǎn)擊量：193
壓力控制是長(zhǎng)輸氣管線終端站最關(guān)鍵的核心控制參數(shù)，它決定了終端站能否安全而又可靠地向客戶提供穩(wěn)定、合格的天然氣。天然氣從崖城Y13-1平臺(tái)經(jīng)直徑28英寸長(zhǎng)780km的海底管線輸送到香港終端接收站，接收站是崖城作業(yè)公司為下游中華電力銷售合格用氣的最后一道處理裝置，其中壓力控制系統(tǒng)減壓站是香港終端的重要設(shè)備之一。
如圖1所示，香港天然氣接收站的減壓站是由兩套完全一樣的管組組成，每套都具有100%供氣能力，選擇其中一套作為供氣的當(dāng)值管組，另一套就成了待命的管組。在每條16英寸（內(nèi)徑）的管線上都有兩個(gè)14英寸的控制閥及一個(gè)關(guān)停閥，在每條6英寸管線上則是一個(gè)4英寸的控制閥及一個(gè)關(guān)停閥。
1 減壓站控制閥結(jié)構(gòu)與原理
減壓站控制閥采用美國(guó)CCIDRAG?調(diào)節(jié)閥是一種流體壓力平衡型閥，如圖2所示。該閥適合高差壓流體控制，采用迷宮套筒閥芯，可以完全控制流體流經(jīng)閥內(nèi)件時(shí)的流速，流體高速通過閥芯是造成調(diào)節(jié)閥的工作環(huán)境惡劣的首要因素，利用CCIDRAG?盤組閥芯來(lái)調(diào)節(jié)流體流速，芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。迷宮套筒閥芯有多片迷宮芯片疊加制作而成，CCI迷宮式減壓閥的閥芯把流體分為很多平行的流道，每一流道有特定數(shù)量的的直角轉(zhuǎn)彎（迷宮），迫使工藝流體流經(jīng)帶有一些直拐角的曲折通道，利用這些直拐角增加了流體運(yùn)動(dòng)的阻尼，對(duì)流體產(chǎn)生的阻力，使壓降平均分布在各個(gè)拐角處，從而使閥芯的每一盤片每一通道的介質(zhì)速度得以控制在預(yù)定范圍之內(nèi)，對(duì)閥門的出口速度加以限制，而不考慮對(duì)壓力降的影響。采用迷宮套筒閥芯后，壓力-速度曲線變得平穩(wěn)過渡如圖3壓力曲線所示，流體流速的降低可以大大減輕產(chǎn)生汽蝕、腐蝕、高噪音和管道振動(dòng)等現(xiàn)象。CCIDRAG?迷宮式減壓閥所有迷宮盤片使用相同的流道數(shù)量，每一個(gè)流道有相同的直角轉(zhuǎn)彎及面積，這樣，流量與閥門的的開度在同等壓差時(shí)成正比例，提供需要的流量和閥特性，而不會(huì)損害閥的速度調(diào)節(jié)性能，提供合乎規(guī)范要求的調(diào)節(jié)和開閉性能，并且具有較長(zhǎng)的免維護(hù)周期，從而可以提高工廠的生產(chǎn)效率。
2 存在的問題
減壓站壓力控制回路控制部分采用羅斯蒙特（RS3）系統(tǒng)的控制功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，減壓站的壓力控制系統(tǒng)是一個(gè)串級(jí)控制，即由主控制器和從屬控制器兩級(jí)組成。采用串級(jí)控制的方式，是因?yàn)樘烊粴饨?jīng)過減壓控制后又經(jīng)過了一個(gè)出口過濾分離器和計(jì)量管線上的孔板，同時(shí)還分出一部分天然氣用于接收站里的加熱爐作燃燒氣。這些均會(huì)引起壓力的下降，減壓站下游的壓力與計(jì)量后的銷售氣壓力是有一定的差別，主控制器用來(lái)監(jiān)控銷售氣壓力，從屬控制器則監(jiān)控減壓站下游的壓力。
現(xiàn)場(chǎng)控制部分采用羅斯蒙特智能壓力變送器、羅斯蒙特的電氣轉(zhuǎn)換器、法國(guó)BailyAV122100P閥門定位器、美國(guó)CCI壓力平衡式籠式調(diào)節(jié)閥，費(fèi)希爾FISHER2625型空氣增壓器，西門子空氣促進(jìn)器61H&61VH等組成。此控制回路復(fù)雜，在長(zhǎng)期的實(shí)際生產(chǎn)中，壓力控制平穩(wěn)，儀表控制回路運(yùn)行良好。但在近年來(lái)壓力控制系雖然可以將壓力控制在銷售合同要求的范圍內(nèi)，但是下游壓力不穩(wěn)定，控制閥存在不同程度的卡滯，調(diào)節(jié)滯后，調(diào)節(jié)波動(dòng)等問題，現(xiàn)場(chǎng)噪音大。B管組作為供氣當(dāng)值管組時(shí)，曾出現(xiàn)下游壓力、流量波動(dòng)頻繁，控制閥PV-4013快速震蕩。
3 閥門失效可能性原因分析
3.1 卡滯
調(diào)節(jié)閥的卡滯，從工藝操作的角度探討，其特征是離散控制系統(tǒng)DCS控制器閥位控制信號(hào)輸出到調(diào)節(jié)閥后，調(diào)節(jié)閥沒有得到相應(yīng)的閥位，造成調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行死區(qū)。卡滯原因：閥桿、閥體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)彎曲變形，填料函壓得太多太緊造成摩擦力增大，使閥桿活動(dòng)受阻；由于閥籠、閥芯受到污染、雜物、腐蝕等原因造成摩擦力增大，示閥桿活動(dòng)受阻。
從儀表維護(hù)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用來(lái)看，調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，調(diào)節(jié)閥內(nèi)節(jié)流內(nèi)件的機(jī)械卡滯出現(xiàn)的幾率偏多。調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用是通過調(diào)節(jié)閥芯與閥座的開啟度來(lái)實(shí)現(xiàn)其作用。天然氣中的硫化物的結(jié)硫、腐蝕、介質(zhì)雜質(zhì)結(jié)垢以及管道中的金屬雜質(zhì)的現(xiàn)象，會(huì)造成閥門卡滯。在解體B管組的調(diào)節(jié)閥時(shí)就發(fā)現(xiàn)如下問題：
閥芯表面存在明顯的因卡滯造成的磨損拉毛現(xiàn)象，閥芯的表面、密封面存在嚴(yán)重的沖刷凹坑現(xiàn)象，如圖4所示。
在閥芯與閥圈之間的密封圈的密封面破損，從凹坑現(xiàn)象判定有異物存在，導(dǎo)致密封面破損，如圖5所示。
迷宮式閥籠里圈有破損，閥籠內(nèi)部、外部有異物存在，迷宮內(nèi)孔出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致閥籠與閥芯摩擦力增大，導(dǎo)致卡滯現(xiàn)象，如圖6所示。
閥門閥桿與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的軸安裝不對(duì)中，造成閥門活動(dòng)內(nèi)件活動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致閥門卡滯，如圖7所示。
3.2 內(nèi)部滲漏
密封接觸面被腐蝕、磨損、有劃痕，造成不密合。在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)在閥芯與閥圈之間的密封圈的密封面破損，從凹坑現(xiàn)象，從迷宮式閥籠里圈有破損，有異物存在，導(dǎo)致密封面破損，造成閥門關(guān)閉時(shí)，閥芯與密封面密封不嚴(yán)，有內(nèi)漏。在閥門關(guān)閉時(shí)，閥芯與閥籠之間有雜物，引起閥芯與密封圈接觸偏離，引起閥門內(nèi)漏。
3.3 振動(dòng)噪聲
介質(zhì)流動(dòng)過程中的振動(dòng)能使得閥門、管道隨之震動(dòng)。閥桿與底座接觸不良，調(diào)節(jié)閥本身的結(jié)構(gòu)會(huì)引起介質(zhì)流動(dòng)模式的變化[3]，相應(yīng)的會(huì)影響壓力分布，出口流速，產(chǎn)生噪聲與振動(dòng)。減壓站采用CCI控制閥通過采用多級(jí)迷宮式閥籠有效控制流體流速可消除氣穴、噪聲、氣蝕及顫動(dòng)現(xiàn)象。
閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞密封圈破損，密封不良造成上下腔室壓力波動(dòng)大，造成閥門定位不良，導(dǎo)致閥門調(diào)整過度，造成閥門振動(dòng)噪聲增大。檢修控制閥門時(shí)發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞密封環(huán)已經(jīng)老化，造成閥門工作不良過度調(diào)節(jié)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成上下腔室壓力一致導(dǎo)致閥門不能調(diào)節(jié)開度處于關(guān)閉狀態(tài)。
閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧剛度不足，導(dǎo)致輸出信號(hào)不穩(wěn)定，引起閥門工作不良。在拆解控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧已經(jīng)斷裂，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞受力不均勻，活塞一側(cè)受力較大，活塞上下活動(dòng)過程中偏離中線，導(dǎo)致閥門開關(guān)阻力增大，密封圈磨損加劇，從而閥門工作不暢。
3.4 工況改變
當(dāng)工藝操作條件或負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí)，調(diào)節(jié)器PID參數(shù)往往需要重新整定。調(diào)好的回路，在工作一段時(shí)間以后控制效果變得差了，這時(shí)需要查看閥門歷史紀(jì)錄曲線，對(duì)閥門的輸出、實(shí)際位置和閥門前后的壓力變化進(jìn)行分析，觀察閥門在不同時(shí)間段的控制效果，檢查實(shí)時(shí)的操作條件、工藝狀況，確認(rèn)操作條件是否有了較大改變、相關(guān)的干擾變量是否有較大波動(dòng)、檢查執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否存在問題。將調(diào)節(jié)器改到手動(dòng)控制，觀察控制曲線，人為改變調(diào)節(jié)器輸出，觀察相應(yīng)的被控變量的變化，分析問題出現(xiàn)的原因。
在減壓站進(jìn)口壓力由最初的12MPa降為8MPa，出口壓力持續(xù)維持在3.8MPa，下游用戶的用氣量減小，閥門大修等因素改變了減壓站的工作狀況。對(duì)比以前的閥門控制趨勢(shì)，現(xiàn)在閥門波動(dòng)大，壓力控制不穩(wěn)定，采用經(jīng)驗(yàn)試湊法在線對(duì)減壓站控制調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。減壓站采用串級(jí)控制來(lái)改善過程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率和減小容量滯后對(duì)過程的影響，加快響應(yīng)速度。副控制器最初的設(shè)計(jì)比例增益Kp=6.67，積分時(shí)間Ti=120秒，微分時(shí)間Td=0.1秒，主控制器最初的設(shè)計(jì)比例增益Kp=0.5，積分時(shí)間Ti=120秒。從圖8中分析，初步判定控制不穩(wěn)定的原因在于工作狀況發(fā)生改變后，副控制器比例增益Kp過大，導(dǎo)致控制閥超調(diào)，壓力震蕩，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)試湊法按照先比例再積分后微分的方法對(duì)副回路參數(shù)進(jìn)行反復(fù)試湊，采用降低比例增益，觀察過渡過程曲線，持續(xù)降低比例增益，減小積分時(shí)間適當(dāng)增加主副回路時(shí)間常數(shù)比值（Kp=2，Ti=90，Td=0.1），減小了超調(diào)和降低了震蕩，獲得滿意的控制曲線，如圖9所示。
在日常操作中，應(yīng)根據(jù)不同的工藝過程及不同的控制目標(biāo)，作相應(yīng)的調(diào)整，經(jīng)驗(yàn)試湊法[5]是應(yīng)用最為廣泛的工程整定方法，是根據(jù)參數(shù)整定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)溫度、壓力等進(jìn)行調(diào)整。對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是在原先設(shè)置的某些數(shù)值的基礎(chǔ)上，改變?cè)O(shè)定值，觀察過渡過程曲線，按照一定的程序改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，在某一工作狀態(tài)下進(jìn)行的，即在一定的工藝操作條件、一定的負(fù)荷與一定的系統(tǒng)構(gòu)成下進(jìn)行，這樣經(jīng)過反復(fù)湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量為止。所以，當(dāng)工藝操作條件或負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí)，調(diào)節(jié)器參數(shù)往往需要重新整定，采用經(jīng)驗(yàn)試湊法：看曲線，做分析，調(diào)參數(shù)，尋最佳，方法可靠簡(jiǎn)單。
4 預(yù)防性維護(hù)及故障排除
每3年更換一次閥桿填料、平衡密封或軟閥座，每6年更換一次執(zhí)行器膜片和O形環(huán)。其它零件磨損時(shí)應(yīng)更換，以防設(shè)備損壞。表1給出了排除典型現(xiàn)場(chǎng)故障的一般建議，這些故障在控制閥的使用壽命內(nèi)可能發(fā)生。
5 結(jié)論
為了解決長(zhǎng)輸天然氣管線終端站減壓站壓力控制這一工藝難題，香港終端設(shè)置了減壓站和減壓閥，通過減壓閥來(lái)進(jìn)行節(jié)流降壓和調(diào)節(jié)流量。對(duì)以上各種導(dǎo)致閥門失效可能性各項(xiàng)檢查完畢，對(duì)檢查出來(lái)的問題進(jìn)行逐個(gè)解決，對(duì)閥門解體檢查，對(duì)閥門閥芯、閥座進(jìn)行修復(fù)，如無(wú)法修復(fù)，對(duì)其進(jìn)行更換，將閥門重裝，更換填料函、密封圈，對(duì)閥門重新校驗(yàn)，投入運(yùn)行。通過十多年的運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際情況，我們對(duì)閥門進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，每月對(duì)閥門進(jìn)行總體檢查，如發(fā)現(xiàn)電氣轉(zhuǎn)換器、定位器、促進(jìn)器等儀表控制部件有故障及時(shí)維修，保證閥門控制的完整性，定期對(duì)閥門拆解檢查及時(shí)更換受損部件，減少了堵塞和突發(fā)事故的次數(shù)；根據(jù)減壓閥特性，合理安排兩套減壓閥組運(yùn)行，已達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。
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