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作
者：
周士钧，羊成，阮若冰，顾俊杰，洪岩
第一作者单位：上海飞奥燃气设备有限公司
摘自《煤气与热力》2022年9月刊
周士钧，羊成，阮若冰，等
.
切断阀控制系统设计及优化
［J］.
煤气与热力，
2022，42（9）
：B17-B20.
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
［
1
］
。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
根据
TSG 07
—
2019
《特种设备生产和充装单位许可规则》
［
2
］
，
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。
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
［
3
］
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。
1.
旁通
2.
复位装置
3.
触发机构
4.
呼吸管
5.
调节弹簧
6.
调节元件
7.
控制器
8.
感应元件
9.
信号管
10.
执行器
11.
取压点
12.
闭合元件
13.
阀体
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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
。
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。
［
1
］潘虹，李彬
.
输气站压力控制系统的设置［
J
］
.
化学工程与装备，
2019
（
12
）：
98-100.
［
2
］符明海
.
紧急切断阀及其应用概述［
J
］
.
化工机械，
2020
（
5
）：
579-583.
［
3
］岳明，柴飞
.
城镇燃气切断阀的检验和性能分析［
J
］
.
煤气与热力，
2014
（
4
）：
B13-B18.
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