成品油汽车装车系统装车控制阀的选型和应用

姬玲君

（中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071）

随着经济、技术的发展，一卡通定量装车系统越来越成熟，原来老式的手动装车逐渐改造升级为一卡通定量装车。目前，新建装车项目基本上都实现了一卡通自动定量装车。在实现一卡通自动定量装车后，对装车辆的精确控制要求也越来越高，装车控制阀作为汽车装车系统中的主要控制对象，对阀门的选用也越来越重要。本文简单阐述了装车控制阀的选用、使用场合和注意事项等内容。

1 装车流程

以某项目为例，汽车装车控制方案为：定量装车系统采用DCS+批量控制器进行集中-分布式控制。现场每个装车鹤管设有批量控制器、质量流量计、装车控制阀、防静电溢油控制器、读卡器、防爆显示器、归位开关、防护道闸、现场防爆按钮、可燃有毒气体检测器等。批量控制器采集流量、防静电、溢油、IC 卡等信号，控制装车控制阀，通过通讯模式与DCS 系统进行通讯。批量控制器可通过远程监控系统设定装车量，也可现场设定装车量。防爆显示器通过通讯模式与批量控制器通讯，显示实际装车量。装车过程中的一切报警及操作内容均由操作站自动记录，DCS 操作站自动整理、存储生产数据，自动生成日报、月报、年报等管理报表。

该项目的油品装车基本生产程序如下（见图1）：

图1 装车流程Fig.1 Loading process

1）司机在批量控制器上刷IC 卡，批量控制器读取IC卡的信息，验证是否允许装车。批量控制器会显示刷卡的状态，读取装车信息，并下载到批量控制器，批量控制器获得预装量。

2）司机触摸人体静电球，把车钥匙放到钥匙管理器里面，把鹤管连接到槽车，连接防静电溢油控制器等安全联锁设备。

3）司机确认所有连接无误后，按启动开始装车。

4）批量控制器根据装车信息，打开阀门，读取流量计数据，开始监控装车。

在批判性分析逻辑经验主义者“公认观点”的基础上，苏佩斯则开创了一种基于“集合论模型”的语义进路来对科学理论加以阐释，后经过萨普（F. Suppe）、范·弗拉森（B. C. van Fraassen）以及史纳德（J. D. Sneed）等人的发展，该进路逐渐形成一种语义模型，成为一种新的“公认观点”。尽管其理论存在一定的困境与挑战，但对于我们对科学理论的深入探讨和把握具有重要的价值和意义。

5）装车开始，批量控制器控制装车控制阀，按小开度打开装车控制阀，同时给出启泵信号，进入第一段小流量装车。根据流量大小或延时一定时间后批量控制器给装车控制阀全开信号，阀门全开。装车过程中，质量流量计将流量信号送至批量控制器，批量控制器显示瞬时流量和累计流量，并把数据发送给控制室装车监控站和现场防爆显示器。当将要达到剩余接近提前量后，批量控制器发出第一段关阀信号，使阀门关到一定小开度，根据流量大小或延时一段时间，进行小流量控制。当达到最后一段关阀设定量后，批量控制器发出装车结束信号，关闭阀门，发出停泵信号。当装车完成后，司机收好鹤管，将API 插头归位完成设备归位，取出车钥匙，等待道闸放行后过磅离场。

从以上装车流程可以看出，控制阀是汽车装车流程中的主要控制对象，是否能够保证定量装车系统的整体稳定，装车控制阀选用和控制至关重要。若对装车控制阀进行多段控制，可提高控制精度，如快到预装量时，可以提前对阀门进行关小，待达到预装量时，阀门关闭，可以使装车流程更稳定。

2 装车控制阀

定量装车系统主要是通过流量精确控制装车控制阀实现的定量装车。汽车装车项目中比较常见的装车控制阀一般有：两位式开关阀、数控电液阀、气动多段式装车阀、V型调节球阀[1]。

2.1 数控电液阀

数控电液阀在油品装车项目上已经使用很广泛，详细的工作原理在此不再赘述。批量控制器通过控制数控电液阀的常开电磁阀和常闭电磁阀的通电和断电，将阀门的开度控制在需要的位置，可根据批量控制器的计算和不同的装车阶段，对装车控制阀进行多级控制，对介质流量进行控制，实现定量装车。

数控电液阀不需要外接气源、液压系统等，由工艺介质作为动力源，安装简单。无论是油库还是炼油厂，不需要考虑外配设施。通过调节调节球阀的开度，可以调整阀门的开关时间。同时，通过批量控制器对电液阀进行多级控制，都能有效地消除水击现象[2]。

由电液阀工作原理可知，若粘度较大，易结晶的工艺介质流经导管时容易堵塞，所以电液阀可用于轻质油品，不适合用在重质油品场合。同时在液化气装车时也应慎用，因为液化气容易气化，造成管道振动等。

电液阀是根据工艺介质作为驱动力的，不同的项目、不同的介质管路压力都不相同，所以在批量控制器进行多段控制时，每一段控制的时间参数需进行多次实验，选择一个或多个合适的开关控制时间。

2.2 两位式开关阀

两位式开关阀一般有气动开关阀、电动开关阀两类，气动开关阀用于有气源的项目中，电动开关阀一般用于没有气源，工艺介质又不适合用数控电液阀的工况。两位式开关阀在装车控制中相对简单，但是因开关阀的开关时间比较快，容易出现水击现象。在气路管线上增设减速器，可适当增加阀门的开关时间，在装车泵与装车鹤管距离较近时可选择使用，但是装车泵与装车鹤管距离较远时，增加减速器的作用并不太显著，所以在选型时需要特别注意、慎用，一般不用。

2.3 气动多段式装车阀

气动多段式装车阀可实现两段开两段关、三段开三段关等功能。每一段开、关阀的开度可控，可以控制流量。开关阀的时间可调，尽可能地避免水击现象[3]。

三段式开关阀是由3 个电磁阀来控制，实现三段开三段关，例如全关→30%开度→60%开度→100%全开，100%全开→60%开度→30%开度→0%全关。其中，30%、60%开度可调，以此来实现更精确的控制流量，提供定量装车的整体控制精度。

2.4 V型调节球阀

V 型调节球阀可根据厂区或油库内的公用工程配备情况，选用气动调节球阀和电动调节球阀。当有气源时，优先选用气动调节球阀；当无气源时，可选用电动调节球阀。

目前项目中，当选用调节阀时，多数也是开环控制。在批量控制器内设定阀门开度，并未根据流量计信号调节阀进行闭环控制[4]。

3 装车控制阀选型及注意事项

选用数控电液阀，可以实现阀门多段式控制，对流量进行精确控制，提高定量装车系统的控制精度。但由工作原理限制，数控电液阀不能用于重质油品。数控电液阀的控制对象为两个电磁阀，信号电缆为一根四芯的信号电缆。

数控电液阀的驱动力为工艺介质，上下游压力的波动对电液阀的控制影响较大。当一台装车泵为多个装车鹤管服务时，就会出现一台大扬程的装车泵运行，但仅有一个装车鹤管投用。这样最高压力和最低压力在最大流速的比值就会过大，阀门的控制就会受到影响。所以，当一台装车泵控制多个鹤管同时装车的工况下，选用数控电液阀应注意。若装车泵为变频泵时，可以适当避免压力波动大的情况，结合装车批量控制器和装车泵出口压力的参数，综合考虑，理论上可以正常选用数控电液阀。但是在调试过程中会相对复杂一些，所以建议一台泵对应多套装车鹤管时特别注意。另外在安装时，需要先把阀套内的空气排空，否则会影响阀门的控制[5]。

选用气动开关阀，只能控制阀门的开、关，无法实现流量的精确控制，同时容易造成水击，但是阀门成本相对其它控制方案较低。气动开关阀的控制对象为一个两位三通电磁阀，反馈有开和关回讯，信号电缆为一根两芯的电缆用于电磁阀，两根两芯的信号电缆用于回讯开关。电动开关阀的控制对象为电动执行机构，需要两根四芯的电缆分别用于开、关阀控制和开、关阀位回讯信号，同时需要一根电源线用于外供的380VAC 电源。

选用气动多段式阀门，可以对阀门进行多段式控制，可用于各种油品，但是相对数控电液阀，需要外接气源作为驱动力，但是调试比数控电液阀要简单；气动多段式阀门的控制对象为两个两位三通电磁阀，状态反馈有开和关回讯，信号电缆为两根两芯的电缆用于电磁阀，两根两芯的信号电缆用于回讯开关。

不同厂家的多段式阀门小开度设置位置不同，有的厂家两段式阀门小开度常规设置在50%，有的设置在20%、30%等，建议在出设计数据表时，提出最小开度要求，避免阀门供货商最小开度设置过大，造成最终使用效果不理想。

选用调节阀，可以对流量进行精确控制，但泄漏等级方面不如其它几种阀门类型。气动调节阀的控制对象为阀门定位器，信号类型为4mA ～20mA+Hart，信号电缆为一根两芯的电缆。电动调节阀的控制对象为电动执行机构，需要两根两芯的电缆分别用于开阀控制和阀位反馈信号，同时需要一根电源线用于外供的380VAC 或220VAC 电源。

以上几类装车控制阀，数控电液阀可以安装在垂直管道上，相应节约安装空间。其它几种控制阀均不建议安装在垂直管线上，首选在水平管线上安装。

4 水击

在装车过程中或装车结束时，若阀门突然快速关闭，会出现“水击现象”。若水击压力过大，会造成装车管线上压力超高，超过管道的设计压力，甚至可能超过3 倍以上，管道出现强烈的振动，同时伴有噪音。因水击压力与管道的长度成正比，所以当装车泵与装车场之间管道距离较长时，水击现象会普遍出现，所以在汽车装车设施设计时需要特别注意装车控制阀的关闭时间不能过快，尽可能地降低水击压力。

“水击”分为直接水击和间接水击[6]。

若需要选择合适的阀门关断时间，首先需要计算出管道的直接水击压力和间接水击压力，而计算水击压力首先需要计算出水击水头。

1）直接水击水头

2）间接水击水头

式（1）、 式（2） 中：Hd—— 直接水击水头，m；Hi——间接水击水头，m；L——管道长度，m；Vo——阀门前水的流速，m/s；Tt——水击相时，s；Tg——关闭阀门时间，s；g——重力加速度，m/s2；C——水击传播速度，m/s；K——介质的体积单行模数，KN/m2；D——管道管径，m；E——管道材质纵向弹性模数，KN/m2；e——管壁壁厚，m；ρ——介质密度。

为消除装车过程中出现“水击”现象，装车控制阀的选型尤为重要。某柴油汽车装车改造项目，原项目为手动控制气动开关阀的开关，改造为一卡通定量装车，装车控制阀利旧原气动开关阀。在项目试运行过程中发现装车控制阀关闭后，工艺管道上压力已接近于管道的设计压力。经查找原因，因装车泵距离装车设施大约2000m，且阀门关闭时间太快，造成“水击”现象，水击压力太大，存在严重的安全隐患。

经计算，该柴油管道直接水击压力为1.47MPa，若将阀门的关断时间调整为3.5s 以上时，可消除直接水击。

间接水击的压力增量计算结果见表1。

由表1 计算显示，该柴油管道在阀门关断时间为15s时，间接水击的增压为0.33MPa；加上泵扬程60m，核算该柴油装车时的总压为0.83MPa，远远达不到管道的设计压力。综合考虑，该项目最终将阀门更换为气动多段式直通球阀。

5 结论

目前汽车装车控制方案均为定量装车，若要提高控制精度，需要各专业综合考虑。例如，装车限定流量需要根据上游流量计的选型情况、装车泵出口压力、经验等提前在批量控制器中设定好。选择一台合适的控制阀更能直接地影响装车的稳定性、精确度。本文根据实际项目简单分析了装车流程中常用控制阀的使用工况及注意事项，供广大工程设计人员和施工、维护人员参考。