朱凌佳

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

氣動(dòng)控制閥是化工工業(yè)企業(yè)中廣泛應(yīng)用的儀控設(shè)備。其工作原理是以壓縮空氣為動(dòng)力，以薄膜或氣缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)合閥門定位器、電磁閥和保位閥等去驅(qū)動(dòng)閥門，進(jìn)行比例性或開關(guān)量的調(diào)節(jié)。氣動(dòng)控制閥分為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和氣動(dòng)開關(guān)閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常為氣缸式或薄膜式。薄膜式通常接收0.02MPa～0.10MPa的標(biāo)準(zhǔn)壓力，而氣缸式的操作壓力可達(dá)0.5MPa。

在核化工項(xiàng)目中，儀控用氣設(shè)備除了大量使用的氣動(dòng)控制閥外[1]，還存在很多特有的非接觸式的檢測(cè)儀表，例如吹氣裝置[2]。部分化工設(shè)備都安裝在設(shè)備室或熱室內(nèi)，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，其液位、液位信號(hào)、界面以及密度需要進(jìn)行檢測(cè)。由于設(shè)備和熱室內(nèi)存有大量的高放射性的酸堿物質(zhì)，人員很難進(jìn)入，在工程設(shè)計(jì)中對(duì)上述各參數(shù)的檢測(cè)方法在滿足測(cè)量需求的前提下，必須考慮到儀表的調(diào)試、運(yùn)行、檢修等階段的人員輻照和放射性泄漏問(wèn)題。而吹氣裝置配差壓變送器的非接觸式的檢測(cè)手段可以滿足以上要求，并克服了一般非接觸式儀表（紅外和超聲等）不能同時(shí)滿足對(duì)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，又能讓儀表不安裝在設(shè)備室或熱室內(nèi)。這些吹氣裝置需要?dú)庠垂夂蟛拍苷Ｊ褂?。以上這些構(gòu)成了核化工項(xiàng)目中儀控壓空系統(tǒng)的用氣主體。

1 3類典型的儀控壓空方案設(shè)計(jì)

在核化工項(xiàng)目中，物項(xiàng)劃分為放化安全級(jí)和非安全級(jí)兩大類。凡承擔(dān)或支持后處理廠安全功能，其損壞可直接或間接導(dǎo)致事故工況，以及其他具有防止事故發(fā)生或緩解事故后果功能的物項(xiàng)，屬于放化安全級(jí)物項(xiàng)，其余為非安全級(jí)物項(xiàng)。因此，部分需要壓空用氣的儀表設(shè)備會(huì)參與執(zhí)行放化安全級(jí)功能，正常工況下由正常壓空提供用氣，事故工況下由應(yīng)急壓空提供用氣。所以，儀控壓空包含了正常壓空和應(yīng)急壓空。

圖1 某核化工項(xiàng)目的儀控壓空示意圖Fig.1 Schematic diagram of instrument-controlled compressed air in a nuclear chemical project

圖2 某項(xiàng)目?jī)x控系統(tǒng)壓空分配圖Fig.2 Compression air distribution diagram of the instrumentation and control system of a project

圖3 玻璃固化項(xiàng)目的儀控壓空示意圖Fig.3 Schematic diagram of the instrument-controlled air pressure for the glass curing project

在某核化工項(xiàng)目中，儀控壓空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1。

正常壓空的一路經(jīng)穩(wěn)壓貯存罐后用于非安全級(jí)吹氣裝置和非安全級(jí)氣動(dòng)開關(guān)閥的用氣，并保證30 min不間斷，另一路經(jīng)穩(wěn)壓貯存罐后用于非安全級(jí)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的用氣。兩路應(yīng)急壓空用于安全級(jí)儀表、安全級(jí)氣動(dòng)開關(guān)閥的用氣，同一安全級(jí)測(cè)點(diǎn)的兩重冗余儀表分別使用兩路應(yīng)急氣源。在正常運(yùn)行工況下，正常壓空都能保證非安全級(jí)吹氣裝置和安全級(jí)吹氣裝置的供氣不間斷，防止吹氣管堵塞或放射性物質(zhì)沿吹氣管向外擴(kuò)散。事故工況下，應(yīng)急壓空儲(chǔ)氣罐可保證儀表設(shè)備的30 min用氣量，同時(shí)兩臺(tái)應(yīng)急壓縮空壓機(jī)啟動(dòng)，分別為兩路安全級(jí)的儀表設(shè)備提供應(yīng)急氣源，以保證儀表在事故工況下使用。儀控系統(tǒng)壓空分配圖如圖2。

在某玻璃固化項(xiàng)目中，在借鑒國(guó)外同類項(xiàng)目的背景下，結(jié)合國(guó)內(nèi)核化工項(xiàng)目的特點(diǎn)，提出儀控壓空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖3。

相比于設(shè)計(jì)方案（a）（b）里不再區(qū)分儀表設(shè)備和控制設(shè)備，跟其他核化工項(xiàng)目一樣，儀控系統(tǒng)壓空分為非安全級(jí)儀控壓空和安全級(jí)儀控壓空。非安全級(jí)儀控壓空來(lái)源于壓空站的正常壓空，安全級(jí)儀控壓空在非事故工況下也由正常壓空提供，事故工況下正常壓空失效后由應(yīng)急壓空機(jī)1或2（一用一備）經(jīng)應(yīng)急壓空貯氣罐提供。由于項(xiàng)目中存在執(zhí)行放化安全功能和不執(zhí)行放化安全功能（又叫固有安全）的安全級(jí)氣動(dòng)開關(guān)閥，分別由安全級(jí)儀控壓空和非安全級(jí)儀控壓空提供用氣。同樣的，儀控壓空分配圖如圖4。

考慮到以上兩個(gè)項(xiàng)目的應(yīng)用背景不盡相同，其借鑒的項(xiàng)目也不一樣，因此儀控壓空方案在設(shè)計(jì)的時(shí)候有所差別。在某核化工項(xiàng)目中，安全級(jí)儀表進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，安全級(jí)壓空按兩路冗余設(shè)計(jì)，應(yīng)急壓空機(jī)分別給兩路應(yīng)急壓空提供氣源。這樣保證了安全級(jí)儀表在一路失效的情況下，另一路仍能執(zhí)行放化安全功能，而單列安全級(jí)的儀控設(shè)備只能放在兩路應(yīng)急壓空的其中一路。而在玻璃固化項(xiàng)目中，儀控應(yīng)急壓空不再分成兩路應(yīng)急壓空，兩臺(tái)應(yīng)急壓空機(jī)是一用一備的關(guān)系，一起給一路應(yīng)急壓空提供氣源。這樣保證了在任意一臺(tái)應(yīng)急壓空機(jī)失效的情況下，依然有應(yīng)急壓空機(jī)提供應(yīng)急壓空。

圖4 玻璃固化項(xiàng)目?jī)x控系統(tǒng)壓空分配示意圖Fig.4 Schematic diagram of pressure distribution in the instrumentation and control system of the glass curing project

2 用氣耗氣量的計(jì)算方法

從上述的用氣方案可以看出，儀控系統(tǒng)壓空的耗氣總?cè)萘咳Q于吹氣裝置和氣動(dòng)控制閥的耗氣量。按工業(yè)自動(dòng)化術(shù)語(yǔ)，耗氣量的定義為：氣動(dòng)儀表、元件或控制設(shè)備為完成給定動(dòng)作在規(guī)定時(shí)間內(nèi)所消耗的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣量，以每小時(shí)標(biāo)立（Nm3/h）表示。

在進(jìn)行核化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到工程的經(jīng)濟(jì)性，儀控設(shè)備的耗氣量會(huì)影響到儀表空壓機(jī)的容量，因此耗氣量的計(jì)算要有所依據(jù)。為便于統(tǒng)計(jì)儀控設(shè)備的耗氣量，本文將對(duì)儀控系統(tǒng)中的各用氣主體的耗氣量進(jìn)行簡(jiǎn)單剖析，用匯總包絡(luò)的計(jì)算方式討論各類儀控設(shè)備在工作范圍內(nèi)最大的耗氣量。假設(shè)所有吹氣裝置的耗氣量為Q1，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的耗氣量為Q2，非安全級(jí)氣動(dòng)開關(guān)閥（包含不執(zhí)行放化安全功能的安全級(jí)氣動(dòng)開關(guān)閥）的耗氣量為Q3，安全級(jí)氣動(dòng)開關(guān)閥（執(zhí)行放化安全功能）的耗氣量為Q4，則儀控設(shè)備壓空的總耗氣量為：Q1+Q2+Q3+Q4。

2.1 吹氣裝置

在吹氣裝置中，凈化后的壓縮空氣經(jīng)過(guò)減壓閥后，進(jìn)入恒流器再經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)后，將以一定的流量均勻送入吹氣儀表管中?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的吹氣儀表管分為：兩管、三管和四管的吹氣裝置。吹氣裝置的穩(wěn)定運(yùn)行和測(cè)量精度要求，取決于吹氣管中吹氣的流量。在氣源壓力調(diào)節(jié)時(shí)，從范圍中選擇一個(gè)即可，同時(shí)吹氣管的氣體流量在滿足現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的要求下，也控制在要求范圍內(nèi)。根據(jù)之前的項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)吹氣裝置的氣源壓力一般選擇在0.02MPa～0.3MPa之間，每根吹氣儀表管對(duì)應(yīng)的吹氣裝置上的浮子流量計(jì)示值基本在3NL/h～4NL/h。由于吹氣儀表管數(shù)量的不同，不同型號(hào)的吹氣裝置的耗氣量也不盡相同?？紤]到從吹氣裝置到設(shè)備的吹氣儀表管長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，有的最長(zhǎng)可到30 m，管路也會(huì)存在一定的漏氣量。為便于統(tǒng)計(jì)吹氣裝置的總的耗氣量，計(jì)算方法可按表1執(zhí)行。

表1 吹氣裝置耗氣量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of air consumption of blowing device

表2 單臺(tái)定位器的耗氣量Table 2 Air consumption of a single positioner

表3 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥氣量統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of air volume of pneumatic control valve

再考慮到HG/T 20510-2014中對(duì)儀表氣源容量的規(guī)定，則吹氣裝置的總耗氣量Q1=（2+0.2）×d/1000 Nm3/h，由于在核化工項(xiàng)目中吹氣裝置較多，供氣管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏系數(shù)按0.2考慮。

2.2 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和氣動(dòng)開關(guān)閥

氣動(dòng)控制閥是傳統(tǒng)工業(yè)工廠中廣泛應(yīng)用的儀表，其工作原理是以壓縮空氣為動(dòng)力，以薄膜或氣缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)合閥門定位器、電磁閥和保位閥等去驅(qū)動(dòng)閥門，進(jìn)行比例性或開關(guān)量的調(diào)節(jié)。氣動(dòng)控制閥分為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和氣動(dòng)開關(guān)閥，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常為氣缸式或薄膜式。薄膜式通常接收0.02MPa～0.10MPa的標(biāo)準(zhǔn)壓力，而氣缸式的操作壓力可達(dá)0.5MPa。

在對(duì)閥門的氣源配置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需充分了解控制閥的耗氣量。閥門的耗氣量由穩(wěn)態(tài)耗氣量和動(dòng)態(tài)耗氣量組成。從理論上來(lái)說(shuō)，總耗氣量應(yīng)該是各閥門耗氣量的和。據(jù)了解，在火力電廠工程中，閥門的總耗氣量按照行業(yè)的技術(shù)規(guī)范，以單臺(tái)閥門的最大耗氣量和閥門數(shù)量為依據(jù)，結(jié)合損耗系數(shù)，可以得到總耗氣量。此計(jì)算方法依賴于廠家的設(shè)備資料是否能夠完整提供，同時(shí)在項(xiàng)目開展前需要了解到工藝操作相關(guān)的具體參數(shù)，而這些在項(xiàng)目進(jìn)展前期是很難確定的?；谏鲜鲈?，下面將對(duì)這兩類閥門的用氣量的計(jì)算方法進(jìn)行分析，總結(jié)出一種在核化工項(xiàng)目中可實(shí)際應(yīng)用的方法。

2.3 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥

一般情況下，調(diào)節(jié)閥由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于密閉環(huán)境，耗氣量主要取決于在穩(wěn)態(tài)時(shí)閥門定位器的耗氣量[3]。核化工項(xiàng)目中，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥由國(guó)內(nèi)廠家制造生產(chǎn)提供，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用單座薄膜型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠且維修方便，并采用智能型閥門定位器。經(jīng)查閱國(guó)內(nèi)部分廠家的產(chǎn)品樣本，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)態(tài)耗氣量可以大致列出（樣本中的耗氣量一般為輸出為50%時(shí)的計(jì)算值），見表2。

由于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的定位器結(jié)構(gòu)和大小都不一樣，耗氣量也會(huì)有所不同，依照以往的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，單個(gè)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥耗氣量的差別對(duì)于總的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的耗氣量影響可以忽略不計(jì)[4]。除此之外，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的耗氣量與供氣壓力，流量和其輸出開度均有聯(lián)系，調(diào)節(jié)閥的供氣管路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及減壓閥會(huì)泄漏空氣量，在統(tǒng)計(jì)耗氣量時(shí)除了定位器的耗氣量外，這些也應(yīng)該考慮進(jìn)去。另外，工程的調(diào)試和運(yùn)行期間，新增的用氣設(shè)備耗氣量也需要考慮進(jìn)去。在實(shí)際運(yùn)行工況下，所有的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸出開度并不都是50%，在輸出開度變化的時(shí)候，膜片和控制閥桿會(huì)動(dòng)作，因此會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)態(tài)耗氣量，而這些由閥門動(dòng)作的頻次和薄膜結(jié)構(gòu)決定。在核化工項(xiàng)目中，儀控設(shè)計(jì)人員需要在施工圖設(shè)計(jì)初期提前給壓空專業(yè)提供氣源資料，而此時(shí)并不具備收集完整的耗氣資料的條件。綜上所述，其中閥門在開度為50%的情況下，單個(gè)閥門耗氣量可按500NL/h。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的總耗氣量Q2可按下面方法執(zhí)行。

考慮到HG/T 20510-2014《儀表供氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中對(duì)儀表氣源容量的規(guī)定，則氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的總耗氣量Q2=（2+0.1）×b/1000 Nm3/h，其中0.1為按最小值考慮的供氣管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏系數(shù)。

2.4 氣動(dòng)開關(guān)閥

開關(guān)閥的耗氣量一般指的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作過(guò)程中所消耗的壓空氣體流量[6]。其耗氣量主要為動(dòng)態(tài)耗氣量，穩(wěn)態(tài)耗氣量可忽略不計(jì)，而動(dòng)態(tài)耗氣量取決于執(zhí)行機(jī)構(gòu)與其動(dòng)作頻率。開關(guān)閥的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)品牌眾多，而閥門動(dòng)作的頻率受影響的因素較多，例如氣缸容量和氣源流量、口徑、動(dòng)作次數(shù)等[7,8]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)又分為單作用和雙作用兩類，機(jī)構(gòu)越大耗氣量則越大。經(jīng)查詢SH/T 3020-2013《石油化工儀表供氣設(shè)計(jì)規(guī)范》，氣動(dòng)開關(guān)閥的耗氣量以口徑DN250為邊界，在標(biāo)準(zhǔn)工況下單臺(tái)閥門的耗氣量可按1.7Nm3/h和3.4 Nm3/h包絡(luò)考慮。為了準(zhǔn)確得到開關(guān)閥的耗氣量，將針對(duì)單作用和雙作用閥門進(jìn)行計(jì)算方法的討論。經(jīng)查詢部分樣本，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)規(guī)格與容量的關(guān)系形成表4。

結(jié)合公式PV/T=常數(shù)，可得到單臺(tái)單作用閥門的耗氣量計(jì)算公式如下：

單臺(tái)雙作用閥門的耗氣量計(jì)算公式如下：

其中：

V——空氣耗氣量，NL。

P——操作壓力，MPa。

A，B——執(zhí)行器容積，L。

N——?jiǎng)幼鞔螖?shù)，次。

以Q3的計(jì)算為例，在核化工項(xiàng)目中，為便于統(tǒng)計(jì)氣動(dòng)開關(guān)閥的總耗氣量，所有閥門的動(dòng)作同時(shí)率按60%～85%考慮，可取0.7，每小時(shí)動(dòng)作頻率按兩次考慮，操作壓力P為0.4MPa，把新增用氣設(shè)備數(shù)量的耗氣量和管路泄漏對(duì)耗氣量的損耗考慮進(jìn)去后，按HG/T 20510-2014《儀表供氣設(shè)計(jì)規(guī)范》要求執(zhí)行，可得到氣動(dòng)開關(guān)閥的總耗氣量Q3 =（2+0.3）×c/1000 Nm3/h，其中供氣管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏系數(shù)考慮為0.3。

同理，可得到Q4的計(jì)算方式。

表4 執(zhí)行器規(guī)格與容量對(duì)應(yīng)表Table 4 Actuator specifications and capacity correspondence table

表5 氣動(dòng)開關(guān)閥氣量統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of air volume of pneumatic switch valve

3 結(jié)論

從前述可以看到，影響儀表設(shè)備的耗氣量因素眾多。在統(tǒng)計(jì)耗氣量的過(guò)程中應(yīng)考慮吹氣裝置的數(shù)量和種類，氣動(dòng)控制閥的數(shù)量和單臺(tái)閥門的耗氣量，并考慮一定的裕量。同時(shí)，在計(jì)算方法的探討過(guò)程中提供了部分減少儀控設(shè)備的用氣消耗的思路，例如降低管道壓空泄漏，選擇耗氣量小的定位器，減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)操作頻率，選擇結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，從而使儀控設(shè)備的耗氣量統(tǒng)計(jì)更具量化性。本文提供的計(jì)算方法為核化工項(xiàng)目的工程經(jīng)濟(jì)性起到了一定作用。