自力式调节阀及其应用

     油田的特点是野外作业，原油从油井里被抽出来后，要进行集中和处理，这些处理原油的站点分布地域广，一般都在边远的乡村、荒野，但油气水产量波动较大，人工调节难以保证，需要进行自动控制。一些边远站点，因规模小、设备分散，要实现自动控制，信号传输距离远，动力源配置困难，又有防爆要求等，导致工程造价高，对维护操作人员要求高，运行成本高。同时，供货、施工周期长，有时难以满足油田产能建设需要。这就需要一种简单、实用的控制设备，而自力式调节阀正好能够满足这一需求。

      1 自力式调节阀特点

     自力式调节阀是一种无须外加驱动能源，依靠被测介质自身的能量，按设定值进行自动调节的控制装置。

     它集检测、控制、执行诸多功能于一身，自成一个独立的仪表控制系统。具有以下特点：无需外加驱动能源，节能，运行费用低，适用于爆炸性危险环境；结构简单，维护工作量小，可以实现无人值守；集变送器、控制器及执行机构的功能于一体，价格低廉，节约工程投资。以油田常用的三相分离器为例，使用自力式调节阀工程投资仅为使用电动单元组合仪表的三分之一。

      2 自力式调节阀种类

     自力式调节阀种类很多，按被控参数可分为自力式压力（差压）调节阀、自力式液位调节阀、自力式温度调节阀、自力式流量调节阀等。

      3 自力式调节阀原理

      3.1 自力式压力调节阀原理

     如图1所示，自力式阀前压力调节阀，其阀芯初始位置在关闭状态。阀前压力P₁经阀芯、阀座节流后，变为阀后压力P₂，同时P₁经过取压管输入至上膜室内作用在膜片上，产生的作用力与弹簧的反作用力相平衡，决定了阀芯、阀座的相对位置，从而控制阀前压力。

     当P₁增加时，P₁作用于膜片上的力也随之增加。此时膜片上的作用力大于弹簧的反作用力，使阀芯向离开阀座的方向移动，这时阀芯与阀座之间的流通面积变大，流阻变小，P₁向阀后泄压，直到膜片上的作用力与弹簧反作用力相平衡为止，从而使P₁降为设定值。同理，P₁降低时，动作方向与上述相反，这就是阀前压力调节的工作原理。

     阀后压力调节与阀前的相同，但阀芯反装。

      可通过调节弹簧反作用力的大小来改变压力设定值。流量特性一般为快开。

      3.2 自力式液位调节阀原理

     自力式液位调节阀又称浮子液面调节器，其工作原理如图2所示，浮球通过连杆机构与调节阀的阀杆相连接。通过浮球和连杆机构的作用，调整阀门的开度来使液位保持在适当的高度上。当出液量减少，容器内液位升高时，说明进液量大于出液量，浮球随之升高，并通过连杆机构立即将阀门关小；反之，当液位降低时浮球通过连杆机构将阀门开大，直到进出液量相等，液位稳定为止。这就是进口控制的工作原理。

     出口控制与进口控制原理相同，但阀芯反装。

     这里，浮球是系统的检测元件，而连杆机构就是一个简单的调节器，阀就是zui终执行元件，组成一个完整的液位自控系统。阀的流量特性有直线和等百分比可选。阀体有直通式和角式两种。

      3.3 自力式温度调节阀、自力式流量调节阀

     其工作原理与自力式压力调节阀大同小异，在此不再赘述。

      4 选型使用注意问题

      4.1 调节精度

     自力式调节阀是由机械的方法组成的纯比例调节系统，因此控制的结果不可避免地存在静差。调节精度一般为±5%~±10%。适用于调节品质要求不高的场合。

      4.2 允许压差

     由于自力式调节阀没有驱动能源，仅靠介质自身的能源（压力阀靠介质压力，液位阀靠介质对浮球的浮力等），而且无法象普通控制阀可通过提高气源压力来增大压差。从而导致允许差压较普通控制阀小，口径也受限制。以上海科力达自控阀门有限公司生产的自力式压力调节阀为例，DN80以下的阀允许压差zui高2.0MPa（PN4.0MPa时），而普通气动控制阀zui高可达6.4MPa。目前，该公司的自力式压力调节阀zui大口径为DN300。自力式液位调节阀由于受浮球浮力的限制，允许差压也小，多数生产商对允许差压未作明确，选用时应向生产商咨询。同样原因，自力式液位调节阀口径zui大做到DN250，对大多数场合已经够用，特殊场合如果流量特别大，可使用两台或多台并联。

      4.3 介质黏度

     由自力式压力调节阀原理和结构特点知，介质黏度过高容易引起引压管的堵塞，影响膜片的弹性，导致阀内压力平衡元件不能正常工作。特别是凝固点较高的介质在停工降温后凝固也将使波纹管开工后无法正常工作。国内厂家的产品样本未见介质允许黏度推荐值。国外已有厂家推荐在液体情况下允许使用介质运动黏度为7×10^-4m²/s和8×10^-4m²/s。在河南油田，个别阀运用在稠油介质，黏度在2×10^-4m²/s左右。

     高黏度的介质可选用重锤平衡自力式压力调节阀。

      4.4 对密封的要求

     自力式调节阀国内还没有统一的产品标准。生产商一般参照控制阀的国家标准进行生产。

     国标GB/T4123-92要求控制阀本体填料函及其他连接处无渗漏现象。可以满足可燃、有毒气体介质对密封性的要求。而国标GB/T4123-92对气动执行机构的气室密封要求：“气动执行机构的气室应保证气密。在额定气源压力下，5min内薄膜气室内的压力下降不得大于2.5kPa。”显然这是针对以压缩空气为气源的规定，不能满足自力式调节阀对可燃、有毒气体介质的使用要求。

     油田的气体介质大多为易燃易爆有毒的气体，油类液体介质通常要挥发出可燃气体，是不允许有渗漏的。这些场合对自力式调节阀的密封要求比国标严格，选用时要特别注明。

      4.5 自力式调节阀计算

     该计算同普通控制阀，不再详述。

      5 自力式调节阀在油田的应用

     （1）自力式调节阀与普通控制阀相比有多种差异，但这些差异并不影响在油田的使用。油田的绝大多数场合如计量站、集油站、转油站、联合站等场合生产过程压力、温度不高（1.0MPa，100℃以下），介质黏度不大（2×10^-4m²/s以下），控制精度要求不高（一般±10%），自力式调节阀完全可以满足生产需要。

     （2）自力式调节阀在河南油田已有十几年的使用历史，已得到了实践的检验和成功的应用。典型应用：油气水三相分离器的压力控制，油室、水室液位控制，如图3所示；除油器压力、液位控制，如图4所示；气液分离器、缓冲罐压力、液位控制（略）；居民区供暖分支管线的流量、温度控制等（略）。

      6 结束语

     自力式调节阀无须外加驱动能源、结构简单、工程造价低、使用维护方便，在石油行业得到了广泛的应用，尤其是在油田边远站点。同时也受到了广大基层人员的欢迎。