CN102563157B - 中流式低温过程控制减压节流阀 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种-200℃中流式低温过程控制减压节流阀技术，采用中流式管道阀门即将阀门设计成与管道直径相近的圆柱形结构并通过管道法兰直接安装于管道中，使被控流体方向与管道方向及节流方向一致，实现中流式管道低温流体的减压节流过程及低温流体无动密封管道输运及过程控制目的。本发明解决了管道内低温高压多相流工况突变引起的动密封破坏所造成的管道泄漏问题，减少了被控流体动能损失及管道流动阻力，节约工艺流程空间，现场管理更加方便，适用于管道低温流体的减压节流制冷过程及压力与温度控制过程，使相变输运过程相对稳定，也可用于解决低温多相流动态相变制冷技术难题，提高管道流体的相变制冷效率，实现管道低温流体的有效管理。
Description
技术领域
本发明属液化天然气（LNG）、气体分离及液化等低温制冷领域，涉及一种-200℃中流式低温过程控制减压节流阀技术，采用中流式管道阀门即将阀门设计成与管道直径相近的圆柱形结构并通过管道法兰直接安装于管道中，使被控流体方向与管道方向及节流方向一致，实现中流式管道低温流体的减压节流过程及低温流体无动密封管道输运及过程控制目的。本发明解决了管道内低温高压多相流工况突变引起的动密封破坏所造成的管道泄漏问题，减少了被控流体动能损失及管道流动阻力，节约工艺流程空间，现场管理更加方便，适用于管道低温流体的减压节流制冷及压力与温度控制过程，使相变输运过程相对稳定，也可用于解决低温多相流动态相变制冷技术难题，提高管道流体的相变制冷效率，实现管道低温流体的有效管理。
背景技术
低温系统成套工艺流程中常用的过程控制阀门数量众多，有压力控制阀、温度控制阀、制冷节流阀及大量的低温开关阀等，均为成套工艺设备中不可缺少的主要过程控制设备，一般采用动密封调节，法兰或螺纹连接。在低温工况下与管道连接的动密封材料容易出现低温失效，密封面经常出现泄漏，有很大的安全隐患，尤其对于易燃易爆气体，泄漏造成的危险性更大。过程控制装备在节流降压过程中会产生强烈的振动，极易造成连接件动密封泄漏，如节流阀完全依靠振动才能产生制冷效应等。管道内输运的低温流体温度及压力极易引起过热沸腾并产生多相流，导致管道内温度及压力发生剧变，过程控制装备须具备控制多相流的能力，提高减压与节流制冷过程效率及反应速度，所以与管道连接的过程控制阀门须具备以下基本条件：能够承受剧烈的压力及温度瞬间变化过程；阀门动密封尽可能少；管道能够承受剧烈的振动，连接件不脱落，不泄漏；用于节流制冷及低温液化的节流阀须产生节流制冷效应，可有效节流多相流；减压阀须稳定控制过程压力，在压力突变的情况下可起到安全阀的作用；安装维护方便等。本发明针对管道低温流体过程控制及输运过程中存在的减压节流效率及动密封泄漏问题，提出中流式低温过程控制减压节流阀，降低过程动能损失，提高过程控制反应速度，满足低温管道输运压力及温度控制要求，使低温流体在输运及制冷过程中无动密封，减少了由于变压、变温出口及流体多相不稳定造成的系统压力突变，最终实现低温流体无动密封输运及过程控制目的。中流式低温过程控制减压节流阀在低温流体加注或系统起动过程中对过量制冷剂进一步气化膨胀制冷、进一步扩压并保持整体结构稳定、全局压力合理分布同样具有重要作用。
发明内容
本发明根据管道低温流体多相流输运过程控制技术特点，发明了中流式低温过程控制减压节流阀，用于解决变压、变温、变流量的管道制冷过程中的低温流体流动输运带来的技术难题，减少低温流体输运过程中的动能损失及动密封泄漏问题，提高管道内低温流体过程控制及相变制冷效率，实现低温流体管道内减压与节流制冷过程的相对稳定。
本发明的技术解决方案：
中流式低温过程控制减压节流阀主要由定位销钉1、管道2、弹簧压盖3、上法兰4、上螺栓5、上螺母6、阀体7、阀座8、阀杆9、下螺母10、下螺栓11、管道12、下法兰13、第三法兰密封圈14、第四法兰密封圈15、阀芯密封圈16、下弹簧垫圈17、弹簧18、上弹簧垫圈19、第一法兰密封圈20、第二法兰密封圈21、螺钉22、下卡箍23、上卡箍24构成，其特征在于：阀杆9顶部螺纹连接压盖3；压盖3安装于阀座8内；阀座8通过螺钉22连接阀体7；销钉1穿过压盖3及阀杆9预留孔；销杆上卡箍24与下卡箍23安装于压盖3顶部卡槽内；压盖3与阀座8中间安装弹簧18；弹簧18中心为阀杆9，顶部与上垫片19接触，底部与下垫片17接触；弹簧18预紧阀杆9底部阀芯锥面与阀体7底部扩压罩内表面形成密封面；阀芯密封圈16安装于阀杆9底部阀芯锥面密封槽内。
阀体7为整体轴对称中空圆柱形结构；阀体7上下边缘设有法兰，法兰上有两道梯形密封槽，密封槽内安装垫片；阀体7上法兰与管道2上法兰4通过上螺栓5与上螺母6连接，之间通过第一法兰密封圈20、第二法兰密封圈21密封；阀体7下法兰与管道12下法兰13通过下螺栓11与下螺母10连接，之间通过第三法兰密封圈14、第四法兰密封圈15密封；阀体7内有三段同轴非等径圆柱空间及一个扩压空间，第一段圆柱空间通过螺钉22安装阀痤8法兰盘，第二段圆柱空间与阀痤8外柱面形成环形气流空间，第三段圆柱空间为节流前调整段，第四段渐扩空间为扩压段，扩压段中心为阀杆9阀芯。
阀座8为整体轴对称中空圆柱形结构，法兰面上有进气孔；阀座8底平面开有圆孔，阀杆9可穿过圆孔并上下运动。
当管道内高压流体压力大于弹簧18预紧力时，流体经阀座8进气孔进入阀座8与阀体7之间环形空间，并向下流动至阀座8底部，压迫阀杆9带动压盖3压缩弹簧18并向下运动，经阀杆9底部阀芯与阀体7扩压罩节流降压后离开阀门，实现低温流体管道内节流制冷与降压功效。
方案所涉及的原理问题：
在-200℃低温工况下，由于大气环境不段提供热量，低温输运管道内低温流体处于饱和或过热状态，极易产生多相流，多相流极易引起过热沸腾或过冷沸腾，使低温流体处于激烈的相变过程并伴随有压力及温度突变，不断产生大量饱和蒸气、过热蒸气、饱和液体、过热液体等。低温流体在管道输运过程中，系统压力及温度难以控制，相变制冷过程复杂多变，管道内低温流体温度及压力剧烈变化，使管道与过程控制阀门的连接处法兰密封件或螺旋密封材料极易破坏，导致管道内低温流体泄漏，产生极大的安全隐患。通用的减压节流阀主要采用垂直于管线的节流方式，常带有手动或自动调节装置，在节流或减压过程中，由于流体要完全改变方向，对流体的动能损失较大，流程长，容易产生摩擦并产生热效应，节流效果较差，且控制阀杆部分直接与外界接触，容易导致泄漏。由于采用垂直结构，当流量增大时，通用的节流减压阀门的体积往往增大，在管路中显得很凸出，给复杂的工艺流程管道管理带来了不少的空间麻烦。一般大型低温管道内的压力及温度均需要维持长期的稳定过程，往往存在多相流过程，所以控制过程灵活性大，压力突变大，流量变化大，温度变化大，需要阀门有更宽的节流空间，能够节流饱和蒸气、过热蒸气、气液两相、过冷液体等，具有节流减压与安全功能，节流减压过程阻力小，反应快。本发明着重应用中流式管道阀门原理、节流微分制冷效应、预应力平衡原理等实现低温流体的有效管理过程。首先，应用数值模拟计算过程，详细计算管道内产生多相流时的流量大小及压力大小，确定阀门的最小通流尺寸，再依据最小通流尺寸将阀门整体设计成与管道直径一致的圆柱体结构，并应用管道法兰连接至管道中，外部无凸出部分，流体减压节流方向与流动方向一致，阀杆9方向与管道方向一致，实现低温流体中流式减压节流过程，减少流体的动能损失，节约工艺流程空间，提高阀门过程控制反应速度。由于低温阀门安装于管道中，无动密封，整体管道连续不中断，从而解决了低温流体管道连接件动密封易破坏、系统易泄漏问题，同时，管道外为法兰连接，外表无凸出，使过程控制工艺流程更加简单，外部设备管理更加方便。其次，应用节流微分效应，通过管道内置节流阀控制管道低温系统温度，可产生节流制冷效应并输出冷量，使流体温度为所需控制温度。然后，应用预应力平衡原理，使弹簧在低温工况下的预应力与管道内工作压力达到平衡，当管道压力达到弹簧预应力时阀门打开并节流减压，管道压力降低后阀门自动关闭，以此实现低温流体在管道内无密封无泄漏节流制冷及降压目的。最后，可通过减压机构控制低温系统内低压压力为流体所需控制压力，当管道内压力达到系统许用压力时，减压阀可快速自动打开，小于许用压力时，阀门关闭，以此实现定压控制目的，此技术也可应用于常温下高压气体的减压过程以及低温液体的气化调峰增压过程。
本发明的技术特点：
针对管道内低温流体过程控制问题，中流式低温过程控制减压节流阀能够满足管道低温流体压力及温度控制要求，实现低温流体管道内无动密封输运过程，可充分利用管道内节流冷量，实现管道内低温流体高低压控制目的，以及减压与节流制冷双重效用；阀门有更宽广的节流空间，能够节流复杂的低温多相流，具有节流与减压与安全功能；流体减压节流方向与流动方向一致，节流减压过程阻力小，反应快；管道内置减压节流阀能够有效节流饱和蒸汽、饱和流体、过冷液体、过冷蒸汽及多相流，使系统能够安全减压并节流制冷，最终实现管道低温流体的有效管理；采用与管道方向一致的柱状阀门设计方式，安装方便，即节省材料又减少了繁琐的安装过程，有效节约了工艺流程空间，为现场工艺流程管理带来了方便。
附图说明
图1所示为中流式低温过程控制减压节流阀的主要部件及安装位置关系。
具体实施方式
在低温工况下校正弹簧3预应力，调整管道低压控制压力为对应流体工作压力，使弹簧3预应力与管道工作压力一致；将加工制造好的阀门通过管道法兰连接到工艺管道中；如果内部压力超过工作压力，则减压节流阀低压端自动打开以节流方式泄压并产生节流制冷效应，当系统压力低于工作压力时，减压节流阀自动关闭。
具体过程如下所述：
缓慢打开低温管道2主开关机构，应用少量低温流体预冷减压节流阀主要部件，预冷完成后，系统压力增大，低温流体进入减压节流阀阀体7与阀座8之间环形空间，压力达到并大于弹簧18预紧力时，压迫阀杆9带动压盖3压缩弹簧18并向下运动，经阀杆9底部阀芯与阀体7扩压段节流降压后离开阀门，实现低温流体中流式管道内无动密封降压及节流制冷功效。
Claims (2)
1.一种中流式低温过程控制减压节流阀，包括定位销钉（1）、管道（2）、弹簧压盖（3）、上法兰（4）、上螺栓（5）、上螺母（6）、阀体（7）、阀座（8）、阀杆（9）、下螺母（10）、下螺栓（11）、管道（12）、下法兰（13）、第三法兰密封圈（14）、第四法兰密封圈（15）、阀芯密封圈（16）、下弹簧垫圈（17）、弹簧（18）、上弹簧垫圈（19）、第一法兰密封圈（20）、第二法兰密封圈（21）、螺钉（22）、下卡箍（23）、上卡箍（24），其特征在于：阀杆（9）顶部螺纹连接压盖（3）；压盖（3）安装于阀座（8）内；阀座（8）通过螺钉（22）连接阀体（7）；销钉（1）穿过压盖（3）及阀杆（9）预留孔；销杆上卡箍（24）与下卡箍（23）安装于压盖（3）顶部卡槽内；压盖（3）与阀座（8）中间安装弹簧（18）；弹簧（18）中心为阀杆（9），顶部与上垫片（19）接触，底部与下垫片（17）接触；弹簧（18）预紧阀杆（9）底部阀芯锥面与阀体（7）底部扩压罩内表面形成密封面；阀芯密封圈（16）安装于阀杆（9）底部阀芯锥面密封槽内；阀体（7）为整体轴对称中空圆柱形结构；阀体（7）上下边缘设有法兰，法兰上有两道梯形密封槽，密封槽内安装垫片；阀体（7）上法兰与管道（2）上法兰（4）通过上螺栓（5）与上螺母（6）连接，之间通过第一法兰密封圈（20）、第二法兰密封圈（21）密封；阀体（7）下法兰与管道（12）下法兰（13）通过下螺栓（11）与下螺母（10）连接，之间通过第三法兰密封圈（14）、第四法兰密封圈（15）密封；阀体（7）内有三段同轴非等径圆柱空间及一个扩压空间，第一段圆柱空间通过螺钉（22）安装阀座（8）法兰盘，第二段圆柱空间与阀座（8）外柱面形成环形气流空间，第三段圆柱空间为节流前调整段，第四段渐扩空间为扩压段，扩压段中心为阀杆（9）阀芯；阀座（8）为整体轴对称中空圆柱形结构，法兰面上有进气孔；阀座（8）底平面开有圆孔，阀杆（9）可穿过圆孔并上下运动。
2.根据权利要求1所述的中流式低温过程控制减压节流阀，其特征在于：当管道内高压流体压力大于弹簧（18）预紧力时，流体经阀座（8）进气孔进入阀座（8）与阀体（7）之间环形空间，并向下流动至阀座（8）底部，压迫阀杆（9）带动压盖（3）压缩弹簧（18）并向下运动，经阀杆（9）底部阀芯与阀体（7）扩压罩节流降压后离开阀门，实现低温流体管道内节流制冷与降压功效。
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