优化防喘振阀的性能

工厂压缩机的效率和正常运行水平会直接削弱LNG（液化天然气）设施的盈利能力。停机可能会影响工厂的混合制冷剂循环，导致LNG产量下降，同时还可能遭受重大的违约处罚。意外停机的原因之一通常是防喘振阀性能不佳。

 

压缩机是LNG设施中最重要的设备之一，防喘振阀负责保护压缩机。如果阀门不能按要求工作，就可能会损坏压缩机。这种损坏不仅会导致意外的生产停机，还会带来非常昂贵的维修费用。

 

本文将讨论如何从防喘振阀的启动和调试、需求变化和生产优化，实现并保持整个装置的生命周期处于最高性能水平。

 

图1：各种降噪阀内件可用于配合防喘振阀。这种Fisher WhisperIIITM阀内件的特点是能很容易地处理防喘振阀应用对噪声和容量的高要求（左）

图2：标准增压器，如FisherSS-263，其配置涵盖了大多数执行机构的尺寸，允许LNG工厂实现零部件标准化（右）

 

防喘振阀内部

 

防喘振阀为LNG液化过程中常用的多级压缩机组的各个级段提供循环流量。防喘振阀的主要作用，是保护众多LNG设施中最关键、最昂贵的设备——压缩机。

 

在启动过程中，防喘振阀通过提供节流控制，在压缩机达到要求容量时回收部分排放的流量。为防止喘振，压缩机控制器调节防喘振阀进行节流控制。这需要对其开环阶跃命令做出快速、稳定的响应。在潜在喘振事件肇始期间，阀门必须能在两秒以内迅速打开，以便将排出的气体回收至压缩机的吸入侧。如果阀门不能迅速响应，压缩机就可能会造成严重损坏。在可能出现压缩机跳脱的情况下，将向电磁阀发出信号，指令防喘振阀在一秒以内打开。

 

在工厂正常运行期间，防喘振阀将保持关闭状态，但可能会因捕捉喘振事件、需求变化或生产优化而被要求打开。当阀门关闭时，应严密闭合以防止不必要的循环流量，这一点非常重要。最好满足ANSIFCI70-2V级阀座泄漏标准，以防止不必要的循环流通过阀门，并优化压缩机效率。

 

任何特定LNG设施的防喘振阀的尺寸范围介于较小的NPS4号或6号阀门至处理能力超过19000Cv的NPS48号阀门之间（图3）。其应用范围包括蒸发气体压缩机的防喘振阀，到混合制冷剂压缩机的阀门。

 

图3：配备用于非接触式反馈的磁性阵列（箭头指向处）的Fisher FIELDVUE DVC6200定位器

 

噪声治理

 

在选择防喘振控制阀时，需要考虑许多因素，但最为重要的是降低噪声和振动。防喘振阀上有相当大的压降，这可能是过度噪声和振动的来源之一。客户对控制阀的一个典型要求是，在任意时间段内，将此噪声保持在85dBA以下。这一噪声根据IEC60534-8-3空气动力噪声标准计算而得，同时考虑了阀内件和出口噪声。

 

当涉及到流量系数Cv时，有一个经验法则适用于防喘振阀。通常，阀门的最大容量会因考虑某些因素而增大，以确保阀门具有足够的Cv能在跳脱的情况下将管道中的排放量减至最小。通常要求是Cv的2倍。Cv的增大加之85dBA的噪声限值通常会导致阀门过大。

 

通常，很难确定2倍Cv的情形，这是因为没有相应的流量或dP。试图将85dBA的噪声限值应用于未知的2x倍Cv情形，意味着阀口尺寸、行程和阀体尺寸可能都需要增加，以达到要求的Cv流量，并仍然满足噪声要求。

 

噪声要求也适用于防喘振系统中使用的热气体旁通阀、平行冷循环阀和双线性内件阀。85dBA限值是对连续使用的要求，但防喘振阀在使用寿命的大部分时间内都是关闭的。它的运行是为了捕捉喘振事件，此后便会回到关闭位置。

 

由于以上和其它一些原因，很有必要仔细研究噪声要求。85dBA限值真的有必要吗？如果确有必要的话，是不是只针对正常的运行情形？当阀门完全打开时，是否真的需要在全面跳脱的情形下采用85dBA这一限制？能否放宽高于正常工作条件的噪音限制？

 

理想的阀门在正常运行期间将使用特性化噪声阀内件（图1）以满足工厂的规定噪声限值，并在跳脱情况下权衡过高噪声与Cv。曲折路径式阀内件可以降低噪音，但应避免可能发生的堵塞。使用具有匹配热膨胀率的硬化修整材料的钻孔阀内件是首选方案。

 

阀内件的特性化可使阀体、端口尺寸和阀门行程更小，从而节省资金并提高性能。当所需的阀门尺寸增加到高于NPS12或NPS16时，角阀可以在更小、更紧凑的阀门组件中提供更高的总容量。这样可以带来更低的重量、更小的执行器、更少的附件，以及更低的管道复杂性。

 

速度和动态性能

 

传统上，防喘振阀的性能是通过在开启方向上的行程时间来确定的。如上所述，在定位器控制下2秒内能完全打开，而在电磁阀跳脱情况下不到1秒即可完全打开。

 

传统的防喘振阀是为满足这些要求而制造的。为了快速推动阀门，空气需要尽快从执行机构中排出。快速排气阀通常用于满足这种严格的行程速度要求。然而，对防喘振阀的要求很快就不再限于能打开。压缩机控制器技术的进步使得压缩机能够在接近喘振极限的情况下运行，而不会增加引发喘振事件的风险。这对防喘振阀提出了新的要求。

 

阀门不仅需要快速开启，还需要精确的节流控制。当压缩机控制器发出信号变化时，阀门必须能以最小超调予以响应。在阀门从开启到关闭的运动过程中，不应存在“粘滞”，反之亦然。死区和滞后都应最小化。

 

为此，需要考虑整个阀门组件。需要使用的附件不只是要能像快速排气阀那样快速打开阀门，还要通过控制打开。设计还必须考虑到严格的控制，无论是对较小还是较大信号变化的响应。正确选择执行机构是保证阀门平稳响应、无粘滞运动的关键。这反过来又是确保压缩机启动平稳的关键。

 

理想的阀门组件使用增压器，而不是快速排气阀，以便在响应压缩机控制器时实现最小超调。执行机构上的力也必须对称。活塞式执行器的设计是在开启和关闭方向上获得更高性能的关键。阀门在关闭方向上的行程时间应大致与在打开方向上相等。

 

良好的振动特性

 

防喘振阀最常见的故障是发生在附件上的，如仪表管、定位器、增压器等，这些故障通常都由振动引起。

 

随着LNG工厂规模的不断扩大，通常展开空间较小。替代方案是，将LNG设施建在漂浮的船只或近岸的小块土地上。这将导致管路较短、弯头增多且排管较细，以适应较小的空间，从而导致防喘振阀处产生过度振动。

 

定位器、附件甚至管子都会暴露于这种振动之下，从而在这种环境下发生疲劳并失效。提高防喘振阀可靠性的方法之一是使用配备非接触式阀位反馈的定位器（图1）。这能消除由于部件磨损而导致的早期故障的风险。

 

滑阀定位器可以卡顿，应予避免。采用角体型设计的增压器能以法兰安装在执行器上，有助于防止与振动相关的问题。还应避免使用挠性软管，以提高可靠性。应检查辅助管，以确保其固有频率远高于现场的潜在振动水平。

 

可扩展性能

 

LNG市场在过去10年中已发生了变化。10年前，有人推动“巨型”LNG生产线的概念，但现在则是由传统的LNG产能与偏小的“中型”LNG生产线、新的许可方以及较小规模的浮式LNG（FLNG）相结合。

 

即使在同一座装置内，防喘振阀的尺寸也可以从NPS4到NPS48不等。重要的是，无论防喘振阀尺寸大小如何，其性能应具有可扩展性。要求一个NPS48阀满足与NPS4阀相同的行程速度和动态性能（超调、死区、分辨率和滞后）。

 

具有各种不同尺寸阀门的现场需要能够利用常见部件。理想的防喘振装置应在所有尺寸的阀门上使用相同的定位器、跳脱阀、螺线管和增压器（图2）。在不同的防喘振阀之间唯一不同的应该仅为阀门尺寸和执行机构尺寸。当阀门增大时，执行机构必须增大，但这并不意味着定位器或附件也应该改变。

 

这是滑阀式定位器并非理想解决方案的原因之一。随着阀门的增大，滑阀定位器也随之增大，这意味着不同尺寸的阀门之间不能互换零部件。更好的选择之一是使用额外的增压器来辅助更大的执行器。利用可互换的零部件，并尽量减少所需的特殊附件数量，可减少LNG设施所需的阀门附件储备数量。

 

调整的复杂性

 

如果出现问题，工厂需要知道如何进行防喘振阀的响应、故障排除、调整与调试，以便重新启动和运行装置。启动时间也应是一个快速的过程，无需重新调整增压器、定位器、控制器等。

 

阀门应具有用户友好型调节与设置界面。达到高度熟悉的方法之一是在整个工厂使用同一种通用定位器：即在防喘振、一般性用途、关键性用途和SIS应用中均使用相同的定位器。这样可以确保技术人员适应用户界面和调节操作，从而更容易调试阀门或排除故障。这也能避免频繁地要求供应商提供支持或库存特殊备件。

 

大多数防喘振阀都与可能具有有限阀门诊断功能的本地压缩机控制器相连。使用具备在线诊断功能的定位器，可以在不中断流程的情况下查看阀门的健康状况，这是在阀门故障影响到压缩机性能之前将之捕获的关键。

 

在线诊断可以在可能发生故障之前捕捉到早期的空气泄漏，以及执行器、定位器甚至阀门问题。由于防喘振阀在大部分时间处于关闭状态，它有可能被卡住。进行部分行程试验以确保阀门在接到指令时立即动作，这也是应该得到使用的另一个关键的可靠工具。所有这些工具都能为关键阀门提供更好的预防性维护措施，有助于避免昂贵的压缩机停机时间。

 

艾默生的费希尔优化数字阀门组件（ODV）考虑了所有这些关键的防喘振要求，为LNG设施提供了高性能的可靠产品。ODV组件结合了费希尔阀门、先进的降噪Whisper Trim技术、增压器和FIELDVUE定位器，可用于防喘振应用。

 

结论

 

防喘振阀的主要目的是保护压缩机免受喘振损坏，但它也用于在启动和调试期间提供节流控制，并由安全系统防止压缩机跳脱期间损坏。因此，在确定防喘振阀时，必须考虑整个阀门组件（阀门、定位器、增压器、跳脱阀、电磁阀和阀门诊断），这样，整个阀门组件平稳高效地运行，只需要最少的维护和简单的故障排除。