新的液壓執(zhí)行器設計提供零排放選項

摘自controleng，作者：JOHN CARROLL，Gordon翻譯

壓縮機站通常采用使用加壓天然氣啟動的自動閥，需要改進執(zhí)行器設計以消除排放。

天然氣排放日益成為政府和行業(yè)關注的焦點。甲烷是天然氣的主要成分，是一種強效溫室氣體。盡管美國的二氧化碳排放量是甲烷的 9 倍，但在典型的 10 年期間，甲烷造成的環(huán)境破壞要高出 84 倍。為了遏制溫室氣體排放，世界各地的政府機構都通過了法規(guī)。這些規(guī)則中有許多針對石油產品的生產和運輸，因為這些操作是甲烷排放的重要來源（見圖 1）。

圖 1：石油工業(yè)在美國和世界范圍內釋放了大量的甲烷。作為回應，EPA 引入了 CFR 40 Part 60 Subpart OOOO 來解決這個問題。圖片：美國環(huán)保署

天然氣排放有三種主要類型：無組織排放、燃燒排放和排放排放。無組織排放通常是由設備密封件、填料和墊圈的意外泄漏造成的。燃燒排放來自燃燒器、火炬、加熱器和其他燃氣設備。排放來自天然氣驅動設備的甲烷釋放，減少這一來源是本文的重點。

執(zhí)行選項

有多種操作開關和控制閥的方法，包括電動執(zhí)行器、由空氣或天然氣驅動的氣動執(zhí)行器和液壓執(zhí)行器。每個都有優(yōu)點和缺點，因應用程序而異。在遠程天然氣管道閥門的情況下，由于站點位置偏遠、涉及閥門的尺寸以及某些閥門需要無法達到安全狀態(tài)，因此選擇更加有限。

這些要求通常排除電動驅動，并且缺乏本地空氣供應通常取消氣動閥作為選項，留下直接氣體氣動執(zhí)行器、氣動馬達閥或液壓裝置。液壓執(zhí)行器可以是氣液聯(lián)動、電動液壓或稱為排放控制執(zhí)行技術 (ECAT) 的新技術。下表顯示了這些驅動技術的相對甲烷排放量（見圖 2）。

圖 2：針對各種技術比較了每英寸閥門的甲烷排放量。燃氣發(fā)動機執(zhí)行器的排放量最高，而 ECAT 根本不排放甲烷。圖片：艾默生

燃氣馬達使用壓縮管道氣體來驅動氣動馬達，從而移動閥門。雖然它們的優(yōu)點是不需要電力，但它們會排放大量的甲烷。油氣系統(tǒng)使用管道中的天然氣對液壓油加壓，然后用于驅動旋轉葉片 (RV) 或撥叉 (SY) 閥門執(zhí)行器。閥門啟動后，氣體壓力釋放到大氣中（見圖 3）。

氣液聯(lián)動利用管道氣壓的可用動力，同時還提供執(zhí)行器尺寸小和使用壽命長的固有液壓優(yōu)勢。雖然氣液聯(lián)動系統(tǒng)多年來一直可靠運行，但由此產生的溫室氣體排放促使天然氣管道行業(yè)考慮其他選擇。

圖 3：氣液聯(lián)動液壓系統(tǒng)使用來自管道的高壓氣體（藍色）對液壓油（紅色）加壓，用于驅動閥門，在本例中顯示了旋轉葉片執(zhí)行器（左圖）。然后排出天然氣（灰色，右側圖），高壓氣體可以被引入到右側的罐中，以在另一個方向啟動閥門。圖片：艾默生

電液操作

管道閥門驅動的一種零排放選項是電動液壓操作（見圖 4）。這些閥門使用一個小型電動機來對驅動執(zhí)行器的液壓流體加壓。如果需要此功能，執(zhí)行器可以包含一個彈簧，當斷電時，該彈簧將閥門驅動到故障安全位置。

液壓允許執(zhí)行器在相對較小的占地面積內產生高扭矩，并且不需要空氣或天然氣來執(zhí)行，但電動液壓操作員確實需要電源。太陽能是較小閥門或驅動速度要求較慢的閥門的一種選擇。如果沒有電源可用，可以在緊急情況下使用手動泵來驅動閥門。

電動液壓閥提供零排放，但在驅動速度和總扭矩方面有所限制。如果需要非常高的扭矩或快速驅動，則需要采用不同的液壓技術。

圖 4：零排放電動液壓閥結合使用電動機和彈簧復位、液壓驅動的執(zhí)行器來提供故障安全閥驅動。較小的閥門或不需要快速打開的閥門可以利用太陽能。圖片：艾默生

ECAT 液壓驅動

較大的閥門或必須快速移動的閥門需要向執(zhí)行器提供更多功率。在偏遠地區(qū)，明顯的動力來源是管道本身的加壓氣體。氣液聯(lián)動執(zhí)行器利用該動力，但每次沖程都會排放甲烷。最近的政府甲烷排放法規(guī)刺激了零排放設計的發(fā)展（見圖 5）。

ECAT 具有與氣液聯(lián)動系統(tǒng)類似的設計，因為它利用了管道氣壓的可用動力，并且它提供了相同的固有液壓優(yōu)勢，即執(zhí)行器尺寸小和使用壽命長。但是，它通過使用小型電動機在每次沖程后將天然氣推回管道來實現(xiàn)零排放。

ECAT 系統(tǒng)使用管道壓力對液壓油加壓并驅動閥門。沖程完成后，ECAT 使用一個小型電動機驅動泵來反轉液壓流體流并迫使氣體返回管道，以便為下一個沖程做好準備。

圖 5：與氣液聯(lián)動系統(tǒng)類似，ECAT 使用來自管道（藍色）的高壓氣體對液壓油（紅色）加壓以驅動閥門（左圖）。不同之處在于一個小型電機在行程結束時迫使氣體返回管道（右圖），從而實現(xiàn)零排放。禮貌：艾默生

由于其低功率要求，該電機通?？梢栽诒匾獣r由太陽能供電。如果需要多次沖程，可以擴大蓄能器和儲液罐，以提供足夠的液壓油來驅動閥門多次。在管道壓力非常低的情況下，可以使用液壓手動泵來移動閥門。

ECAT 系統(tǒng)設計可與撥叉式或旋片式執(zhí)行器配合使用，并可改裝到現(xiàn)有的氣液聯(lián)動系統(tǒng)，使用戶能夠以相對較低的成本減少甲烷排放。

一些現(xiàn)有的閥門控制系統(tǒng)使用由天然氣激活的部件，這些部件可能很昂貴或難以更換。在這種情況下，現(xiàn)有的氣液聯(lián)動系統(tǒng)可以用 ECAT 替換，同時保持氣動元件完好無損。這種改造以最低的成本消除了近 99% 的氣體排放。

解決現(xiàn)實世界的問題

加拿大最近的甲烷排放限制迫使不列顛哥倫比亞省的一家管道公司重新評估其六個或壓縮機站和一個計量設施的油氣液壓操作員，所有這些都具有零排放要求。在評估選項后，該公司確定 ECAT 技術可以讓他們將甲烷排放量減少到零，同時保留大部分現(xiàn)有設備。

目前正在設計一個大型甲醇終端，業(yè)主不希望承擔維護遠程站點儀表空氣的費用和維護費用。EHO 執(zhí)行器被指定用于控制閥和緊急關閉閥。EHO 執(zhí)行器提供控制閥的精確定位、控制閥的運動速率以及彈簧復位執(zhí)行器的故障安全可操作性 - 現(xiàn)場無需供氣。

評估選項

最近的環(huán)境法規(guī)高度關注減少由天然氣操作的設備的排放物，例如直接氣動閥門和油氣液壓系統(tǒng)。管道運營商現(xiàn)在有低排放和零排放的選擇，以合理的成本解決這些問題。

任何給定應用的最佳選擇通常取決于電力的可用性，以及所需的驅動速度和閥門尺寸。但幾乎在所有情況下，都有新的低排放或零排放替代品提供與傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)相同的高可靠性和長使用壽命。此外，改裝套件可以顯著降低完整設備升級的成本，將現(xiàn)有閥門執(zhí)行器安裝轉變?yōu)榱?低排放，同時保留許多原始組件。

如果面臨天然氣驅動設備強制減少甲烷氣體的問題，明智的做法是研究為液壓閥驅動提供的最新選項。新的低排放設計以相對較低的安裝成本提供非常高的性能。

作者簡介

John Carroll 是艾默生液壓業(yè)務部的主管。他擔任工程師和經理 16 年，擔任過各種職位，包括執(zhí)行技術區(qū)域銷售經理、價值流經理和內部銷售經理。約翰畢業(yè)于彭薩科拉基督教學院，獲得機械工程學士學位。