直流式背压阀在液化石油气计量系统中的应用

  摘要：采用质量流量计进行贸易交接计量，必须保证流量计前压力大于规定的最小压力，以避免产生气流两相流。介绍了液化石油气（LPG）的最小测量压力的计算方法、流量计量的压力控制系统，并对适用于计量系统的自力式背压阀的原理、结构、应用进行了阐述。该阀符合中国有关计量标准的规定，满足了计量精度的要求，具有推广应用价值。

关键词：贸易交接计量   质量流量计   背压控制   直流式背压阀

液化石油气（LPG）及稳定轻烃类的贸易交接计量分为2种计量方式：基于液位的静态计量方法；采用流量计进行动态贸易交接计量方法。由于质量流量计的技术成熟、可靠、准确度较静态计量更高，可达0.2级，因而在LPG的动态交接计量系统中得到广泛应用。本文结合LPG的特性，按SY/T6042-1994《液化石油气、稳定轻烃动态计量计算方法》的规定，介绍了LPGr最小测量压力的计算方法，被测流体的压力控制方案及选择背压阀的原理及国产化情况。

1  LPG的特性和最小测量压力计算

1.1   LPG的特性

     LPG的重要特性之一是压力不大于该温度下液体的饱和蒸气压时就会产生闪蒸，从而产生气穴和气蚀现象，形成汽液两相流。在该情况下，将使质量流量计计量液体的精度严重下降，并造成质量流量计的传感器管内壁金属表面因疲劳而损坏，降低使用寿命。据有关资料介绍，液体中含气体积分数为5%时，流量计误差大于10%，若含气量继续增大，质量流量计将停止工作，甚至损坏。

1.2  最小测量压力的计算

根据LPG、稳定轻烃的特性，为了确保交接计量系统流量计的精度要求，避免气流两相流的产生，按文献1的规定，被测流体的压力应始终大于规定的最小测量压力P_m，以保证管路系统中任何一点压力不低于管内流体介质的饱和蒸汽压P_e，不会产生闪蒸，从而保证质量流量计的测量准确度。

P_m与P_e、被测流体通过流量计所测流量最大值时的压降P1的关系应满足下式：

P_m=1.25P_e+2P₁

例如某石化用户的LPG的P_e一般在541～729KPa；使用CMF400质量流量计进行计量时，在最大流量为180t/h的条件下P1为35KPa。按照式（1）计算，P_m为750～980 KPa。在实际应用中，一般P_m取值在800～8505KPa。

2   被测流体压力控制

 为了确保质量流量计动态计量LPG的准确度，单靠质量流量计是无法保证的，必须对被测流体进行压力控制，保证测量压力不小于P_m，防止产生气液两相流。常用的控制有2种方法。

2.1  采用单回路压力控制系统

  在质量流量计后设置单回路压力调节系统，如图1所示。当系统压力高于P_m 时，压力调节系统将质量流量计前的压力调节至P_m ，确保流量计的测量准确度，为进一步提高计量的准确度可以流量测量系统中增加温度、压力校正。当系统压力低于P_m 时，调节阀关闭，质量流量计停止工作，从而避免计量误差。该压力控制系统的最终执行元件，可选用气动调节阀或电动调节阀。目前，工程上采用的调节阀的阀体为T型阀体，阀体流道为直通流道。

2.2  采用阀前稳压指挥器型自力式背压阀

为了节省投资和施工建设费用，可以采用阀前稳压指挥器型自力式背压阀来控制系统压力，如图2所示。通常将自力式背压阀设置在质量流量计的下游侧，用来控制计量系统的压力不低于P_m 。因为带指挥器的自力式背压阀集检测、控制、执行功能于一体，不需要外加的气源/电源及电缆/气动管线，因而节约了投资及施工费用。该类自力式背压阀有直通自力式压力调节阀和直流式压力调节阀两大类。

3  自力式背压阀的选择

 自力式背压阀的阀体通常分为直流式45°阀体和直通式阀体。在该压力控制系统中，选择直流式45°平衡活塞主阀和灵敏度/速度调节附件组成。该阀的主阀阀体为Y型阀体，结构如图3所示。

                 图3 直流式背压阀结构示意

由图3可看出，阀瓣启闭轴线与阀体流道出口轴线成45°角，阀体流道为直流流道。流体流经阀体后流动方向变化小，其流出系数Cv比直通式阀体或T型体自力式阀的小，流通能力大。几种控制阀的Cv值比较，见表1所列。该阀主要用于LPG、丙烯、丙烷等介质的流量计计量系统的背压控制；也可用于石油、石化、航空行业的成品油长输管道的水击泄压控制。

                          表1  3种控制阀Cv比较

3.2   直流式背压阀的工作原理。

    由图3可知，当阀门前压力P₁低于背压阀的设定值P_设，但略大于P_m时，该背压阀处于关闭状态，导致主阀上膜室P₃处的推力大于主阀的开启推力，从而使主阀关闭。该阀用于LPG质量流量计背压控制时，此时动态交接计量系统不工作，避免LPGu生两相流。

当P₁不小于背压阀的P₃时，背压阀开启，导致主阀上膜室处的推力降低至小于主阀的开启推力，从而使主阀开启。该阀用于LPG质量流量计背压控制时，此时动态交接计量系统开始进行计量，确保了计量的准确度。

4  背压阀的国产化现状

4.1  原有国产背压阀的状况

自力式背压阀在中国已有30多年的生产历史，但是国产自力式背压阀的主阀体一直沿用T型直通式阀体，阀瓣启闭轴线与阀体进出口轴线成90°角，阀体流道为直通流道，流进系数比直流式阀大，流通能力小；在调节功能设计上，又缺乏灵敏度和开关速度调节功能，因而与进口的直流式背压阀存在较大差距，无法满足高效、快速动态交接计量的需要，导致应用在LPG装船计量系统中的背压阀被进口产品垄断。

4.2  直流式背压阀的国产化

    为了弥补国内空白，满足生产过程的需求，近年来，浙江派沃自控仪表有限公司研制出国产直流式背压阀，该阀除具有现行进口背压阀的控制功能和性能指标外，还增加了产品的自诊断功能。该功能可使用户对背压阀的先导阀和主阀进行故障判断，产品性能及质量达到了国外同类产品的技术水平。

    国内某大型炼化公司采用国产自诊断直流式背压阀逐渐取代进口背压阀，经过近百次的LPG装船计量应用，证明该产品的流通能力、设定精确度、响应时间等性能指标符合流量计计量系统的背压控制要求，可以满足相关规范的要求。该产品的应用现已扩大到中石化、中海油等多家企业的LPG、丙烯、丙烷等装船计量系统中。

5  结束语

    为了确保LPG采用质量流量计进行交接计量的准确度，维护贸易双方的利益，采用高容量的直流式背压阀是较好的选择。近年来，国内自主开发的自力式背压阀得到了广泛使用，为LPG的准确计量、降低仪表投资、节省施工费用作出了贡献。