进口天然气疏水阀的设计方案-德国莱克LIK品牌

发布时间：2022-12-10

进口天然气疏水阀的结构特点和工作原理，分析了由数学模型建立的阀门内部结构的力学关系，探讨了阀芯临界开启和临界关闭时的力学关系及工作压差范围的验证，导出了阀门关键参数的设计计算公式。
１　概述
疏水阀应用于天然气开采及集输系统中，能及时自动排除集输设备中积存的水和凝析油，以保证天然气质量，避免水合物造成管道内部腐蚀和堵塞。天然气集输工程主要采用１００～１５０ＭＰａ高压管道输送介质，因此需要设计开发性能可靠的高压自动天然气疏水阀。
２　性能分析
进口天然气疏水阀主要由限位组件、浮球组件和控制架组件等构成（图１）。限位组件导正浮球组的运动方向，使其具有足够的开阀力。自找正阀芯通过导向套的导向作用使阀门准确关闭，且可靠密封。浮球组件连动杆杠机构对高压水和凝析油进行液位控制，实现高压下阀门开启灵敏且关闭可
靠，以达到天然气泄漏量为零的高性能技术参数要求。

高压天然气自动疏水阀（简称疏水阀———下同）是将单阀座杠杆式浮球疏水阀与倒吊桶式疏水阀进行了组合，其数学模型见图２。

２１　开启状态
疏水阀开启状态时，阀座孔开度可按比例控制。在工况稳定（压差、排量恒定、无波动或波动很小）的条件下，浮球由液面升降高低控制阀座孔的开度，随着液体负荷的变化状况按比例上下动作，实现连续排放液体。在压差、排量不稳定的工况（疏水阀前后压力波动，液体量波动），尤其是疏水阀负荷率小的工况下，天然气疏水阀依然有明显开关动作，实现间歇排放液体。由于结构设计采用始终保持高液位及防涡流夹带漏气的新技术，保证有负荷漏气率为零。此时，浮力Ｆ的开阀力矩不小于关阀力矩（总重力Ｗ与液体流动冲击力的和）。由于油气田在开采时天然气贮罐中工作介质受地质复杂情况和开采历史影响变化大，疏水阀排液量按工艺峰值负荷乘１５或２０安全系数选型，天然气疏水阀在实际运行中按比例动作连续排液情况较少，有明显开关动作而间歇排液情况较多见。
２２　开启趋向关闭状态
疏水阀由开启趋向关闭状态时，浮球随着液面降低由杠杆机构连动阀芯趋向关闭状态，壳体设计足够大的容积，由高液位保证在关闭阀门过程中不
会发生天然气卷入甚至失去水封的漏气现象。此时，浮力Ｆ的开阀力矩小于关阀力矩（总重力Ｗ与液体流动冲击力之和）。
２３　关闭状态
疏水阀关闭时，水、凝析油和天然气都不能通过阀座孔排出，达到标准要求的无负荷漏气率均为零。此时，浮力Ｆ的开阀力矩小于总重力Ｗ与液体压力差的关阀力矩之和。如果密封副划伤、卡塞固体杂质或含Ｈ２Ｓ引起＞２２ＨＲＣ的密封面材料受应力腐蚀损坏，密封面材料的密封应力在必须密封应力与许用密封应力的区间之外，导致密封失效，失去了水封，无负荷漏气率会超标，出现泄漏现象。
２４　临界开启状态
疏水阀阀芯处于临界开启状态时，随着壳体内流入液体增多（壳体内天然气不断从均衡压力管线排出），液面增高，浮球的浮力增大，达到阀芯处于临界开启状态。此时，浮力Ｆ的开阀力矩等于关阀力矩（总重力Ｗ与液体压力差之和）。
２５　关闭转入开启状态
浮力设计要求，疏水阀在最小／最大工作压差下临界开启力矩平衡状态时，浮球的浮力与浮球部件最大浮力之比为大于５０％，且小于７０％。高位水封配合浮球部件的浮力较大，重力也较大，阀门开关动作迅速，灵敏，克服了类似浮球式蒸汽疏水阀开关阀门时蒸汽卷入漏汽现象。只要浮力Ｆ的开阀力矩大于总重力Ｗ与液体压力差的关阀力矩之和，阀芯的临界开启状态（关闭的最终状态）立即由关闭转入完全开启状态。此时，浮力Ｆ的开阀力矩大于总重力Ｗ与液体压力差的关阀力矩之和，阀芯离开阀座，阀芯立即不再受到液体压力差的关阀力作用，浮力Ｆ的开阀力矩远大于总重力Ｗ的关阀力矩，浮球立即以较大加速度经杠杆机构带动阀芯转入完全开启状态（应设置缓冲限位机构）。
３　工作压差
依据图２，临界力矩平衡方程为

ρ———介质密度，ｋｇ／ｍ３
ｇ———重力加速度（ｇ＝９８），ｍ／ｓ２
根据式（３），疏水阀临界压差力矩平衡态浮力与浮球部件最大浮力之比为５０％～７０％，满足此条件浮力大重力也大，阀门开关动作迅速，灵敏，克服类似浮球式蒸汽疏水阀开关阀门时蒸汽卷入的漏汽现象。
杠杆比Ｋ１为

根据式（５），重力抵消后的开阀净浮力（Ｆ－Ｗ）是流体关阀力的１／２０，能够迅速启闭阀门。将浮球组部件最大浮力等效到当量吊桶尺寸Ｄ′，进行极限压差的验证计算。

式中　Ｄ′———当量吊桶内径，ｍｍＨ———当量吊桶高度，ｍｍ极限压差下平衡态当量吊桶充气高度

极限压差下平衡态当量吊桶充气高度安全裕量

根据式（７）和式（８），疏水阀的最小／最大工作压差下临界力矩平衡态浮球部件的当量吊桶内充气高度占总高的４８％～６６％，安全余量大于２０ｍｍ，小于３２ｍｍ，阀门开关动作可靠性高。

４　检测
为保证高压天然气自动疏水阀的安全性能，其检测试验要求非常严格。

４１　强度试验
密封疏水阀排水及排气出口，将水从疏水阀入口处注入腔体并加压，待腔体内压力升至１５０ＭＰａ时，停止注水加压，保压１５ｈ，观察壳体及中法兰密封处（上、下壳体法兰之间的密封）是否有渗漏现象，以检测疏水阀的壳体强度及中法兰间密封垫的高压密封性能。
４２　气密封试验
将疏水阀出口接至观察水箱内，用１５０ＭＰａ压缩空气从疏水阀入口处通入阀体内，监测观察水箱内是否有气泡溢出，以验证疏水阀阀芯与阀座之间的密封性能。
４３　动作试验
将１５０ＭＰａ气和水混合物从疏水阀入口处通入阀体内，检测疏水阀排水阻气循环动作，检测不少于１５个循环动作，以验证疏水阀开启和关闭动作的灵敏性。经检测，疏水阀密封性能良好，无渗漏，自动开启和关闭动作灵活，气体零泄漏。
５　结语
高压天然气自动疏水阀是用于特殊气体场合的高参数自动疏水阀，其设计的公称压力可达１６０～２５０ＭＰａ，工作压力可达１００～１５０ＭＰａ，公称直径ＤＮ１５～ＤＮ１５０，能够满足高压天然气集输工程系统以及类似性质特殊气体（乙炔、烷，烯，烃，煤气类）集输工程自动排凝液的实际工程需求。

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