新的液压执行器设计提供零排放选项

摘自controleng，作者约翰·卡罗尔，戈登翻译

压缩站通常使用自动阀门，这些阀门由加压天然气激活，需要改进执行器的设计来消除排放。

天然气排放日益成为政府和工业关注的焦点。甲烷是天然气的主要成分，是一种强有力的温室气体。尽管美国排放的二氧化碳是甲烷的9倍，但在一个典型的10年周期内，甲烷造成的环境破坏是甲烷的84倍。世界各地的政府机构都通过了限制温室气体排放的法规。其中许多规定针对的是石油产品的生产和运输，因为这些作业是甲烷排放的重要来源(见图1)。

图1:石油工业在美国和世界各地释放了大量的甲烷。作为回应，美国环保署引入了CFR 40 Part 60 Subpart OOOO来解决这个问题。照片:环保局

天然气排放有三种主要类型:无组织排放、燃烧排放和排放。无序排放通常是由设备密封、填料和垫圈的意外泄漏引起的。燃烧排放来自燃烧器、火炬、加热器和其他气体设备。天然气动力设备的甲烷排放是天然气动力设备的主要排放源，减少甲烷排放是本文研究的重点。

执行期权

操作开关和控制阀的方式有多种，包括电动执行器、由空气或天然气驱动的气动执行器、液压执行器。每种方法都有不同的优点和缺点。在远程天然气管道阀门的情况下，由于现场位置偏远，阀门尺寸大小，以及某些阀门无法达到安全状态的要求，选择更加有限。

这些要求通常排除了电动驱动，而缺乏局部空气供应通常排除了气动阀作为一种选择，只留下直接的气动执行器、气动马达阀或液压单元。液压执行器可以是气液联动、电液或一种称为排放控制执行技术(ECAT)的新技术。下表显示了这些驱动技术的甲烷排放量(见图2)。

图2:不同技术下每英寸阀门的甲烷排放量比较。燃气发动机执行器的排放量最高，而ECAT根本不排放甲烷。照片:爱默生

气体马达利用压缩管道气体驱动气动马达，带动阀门移动。虽然它们不需要电力，但它们会排放大量甲烷。油气系统利用管道中的天然气对液压油加压，然后用液压油驱动旋转刀片(RV)或叉(SY)阀门执行器。阀门激活后，气体压力释放到大气中(见图3)。

气液联动利用了管道压力的可用动力，同时提供了执行机构尺寸小、使用寿命长等固有的液压优势。虽然气液联动系统已可靠运行多年，但由此产生的温室气体排放促使天然气管道行业考虑其他选择。

图3:气液联动液压系统采用高压气体(蓝色)从管路中对液压油(红色)加压，用来驱动阀门，本例中为旋转叶片执行器(左图)。然后将气体排干(灰色，右边)，将高压气体引入右边的油箱，从另一个方向启动阀门。照片:爱默生

电动液压操作

管道阀门执行机构的零排放选择是电液操作(见图4)。这些阀门使用一个小型电动马达对驱动执行机构的液压流体进行加压。如果需要这种功能，执行机构可能包含一个弹簧，在电源故障的情况下驱动阀门到故障安全位置。

液压执行机构可以在相对较小的占地面积内产生高扭矩，而且不需要空气或天然气，但电动液压操作人员需要动力。太阳能是一个选择较小的阀门或阀门与较慢的驱动速度要求。在无电源的情况下，可使用手动泵在紧急情况下驱动阀门。

电液阀提供零排放，但在驱动速度和总扭矩方面受到限制。如果需要很高的扭矩或快速驱动，则可以使用不同的液压技术。

图4:零排量电液阀采用电动马达和弹簧加载的液压驱动执行机构的组合来提供故障安全阀驱动。较小的阀门或不需要快速打开的阀门可以使用太阳能。照片:爱默生

ECAT液压传动

较大的阀门或必须快速移动的阀门需要为执行器提供更多的动力。在偏远地区，明显的动力源是管道本身的增压气体。气液执行器使用这种动力，但在每次冲程时释放甲烷。最近政府对甲烷排放的规定刺激了零排放设计的发展(见图5)。

ECAT的设计与气液联动系统相似，它利用管道压力提供动力，并具有驱动器尺寸小、使用寿命长等固有液压优势。但通过使用小型电动马达在每次冲程后将气体推回管道，它实现了零排放。

ECAT系统利用管线压力对液压油进行加压，并驱动阀门。一旦冲程完成，ECAT使用一个小型电动马达驱动泵，逆转液压流体的流动，迫使气体返回管道，为下一个冲程做准备。

图5:与气液联动系统类似，ECAT使用来自管道的高压气体(蓝色)对液压油(红色)加压，以驱动阀门(左图)。不同之处在于，在冲程结束时，一个小马达将气体送回管道(如图所示)，从而实现零排放。礼貌:爱默生

由于电机对功率的要求较低，必要时通常可采用太阳能供电。如果需要多个冲程，可以扩展蓄能器和蓄能器，以提供足够的液压油驱动阀门多次。液压手泵可用于在管路压力很低的情况下移动阀门。

ECAT系统可与叉式或旋转执行器配合使用，并可对现有的气液联动系统进行改造，使用户能够以相对较低的成本减少甲烷排放。

一些现有的阀门控制系统使用天然气激活组件，可能昂贵或难以更换。在这种情况下，现有的气液联动系统可以替换为ECAT，而气动元件不受影响。这一改进以最低的成本减少了近99%的排放。

解决现实世界的问题

加拿大最近对甲烷排放的限制，迫使不列颠哥伦比亚省的一家管道公司重新评估其6个或压缩机站和1个计量设施的石油和液压操作人员，所有这些设施都是零排放要求。经过评估，该公司认为ECAT可以将甲烷排放量降至零，同时保留大部分现有设备。

目前正在设计一个大型甲醇终端，业主不希望承担在远程站点维护仪表空气和维护的成本。EHO执行机构被指定用于控制和紧急关闭阀。EHO执行器提供了控制阀的精确定位，控制阀的运动速度，以及弹簧复位执行器的故障安全操作-在现场没有空气供应。

评估选择

最近的环境法规着重于减少由天然气操作的设备的排放，如直接气动阀门和油气系统。管道运营商现在有低排放和零排放的选择，以合理的成本解决这些问题。

对于任何给定的应用，最佳的选择通常取决于可用的功率，以及所需的驱动速度和阀门通径。但几乎在所有的情况下，都有新的低排放或零排放的替代方案，可以提供与传统驱动系统一样的高可靠性和长寿命。此外，改造套件可以显著降低整个设备升级的成本，将现有的阀门执行器安装转化为零/低排放，同时保留许多原始组件。

如果面临迫使天然气驱动设备减少甲烷气体的问题，建议研究最新的液压阀驱动可用选项。新的低排放设计以相对较低的安装成本提供了非常高的性能。

作者的简介

约翰·卡罗尔(John Carroll)是艾默生液压业务的负责人。他曾担任工程师和经理16年，并担任过各种职位，包括执行技术区域销售经理、价值流经理和内部销售经理。约翰毕业于彭萨科拉基督教学院，获得机械工程学士学位。

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