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CNG地下储气井安全控制装置设计

文档作者: 刘清友 孟少辉 何霞        文档来源: 西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室
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更新时间: 2021年01月02日
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! 设计计算# CNG地下储气井安全控制装置设计 3 刘清友 33  孟少辉 何 霞 (西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室)   摘要 针对目前国内没有用于CNG汽车的高压气地下储气井安全控制装置的现状, 设计出了 一套CNG汽车高压气地下储气井安全控制装置, 它由地下储气井、节能蓄能器、液压泵、微机控 制装置、传感器等组成。当地面出现火灾、地震及其它不可预见的事故, 使储气井地面设备遭到 破坏的紧急情况时, 能自动及时关闭储气井与地面的通道, 增强高压气地下储气井的安全性和可 靠性, 大大减少城市环境污染, 为CNG汽车的推广应用提供进一步的技术支持。   关键词 压缩天然气 CNG汽车 储气井 安全装置   2000年以来, 高压气地下储气井已成为国内 CNG加气站首选的储存气体方式[ 1 ] 。但我国高压 气地下储气井现在处于起步阶段, 还不够完善。主 要由井体、进出气口等组成的现有储气井, 结构简 单, 缺乏安全装置, 当地面发生泄漏时, 不能自动 及时关闭储气井, 留下重大的安全隐患。假如给高 压气地下储气井安装安全装置, 那么安全装置如何 固定, 才能使高压气地下储气井既能自动关闭, 又 能使排液管正常排液, 便成为高压气地下储气井安 全控制装置设计的一个关键问题。笔者设计的高压 气地下储气井安全控制装置, 既能使高压气地下储 气井自动及时关闭, 又能使现有的排液管正常排 液, 有效预防天然气的泄漏。 储气井安全控制装置工作机理 11装置组成 高压气地下储气井安全控制装置由地下储气 井、节能蓄能器、液压泵、微机控制装置、传感器 等组成。 (1) 节能蓄能器 采用差动活塞式蓄能器, 有2个活塞, 能防止空气渗入液压油中, 可以通过 一般压缩空气使液压工作压力提高数倍, 最高工作 压力可达45 MPa, 还可以作为辅助或应急的动力 源, 补充系统的泄漏, 稳定系统的工作压力, 吸收 液压泵的脉动和回路上的液压冲击等。此蓄能器能 保证液控管线中液压油随时保持高的压力, 并且能 把液压泵中超过工作需要的液压能量储存起来, 达 到节能目的。 (2) 液压泵 液压泵通过高压气地下储气井 中的液控管线给高压气地下储气井安全阀提供液压 力, 控制高压气地下储气井安全阀的开关。 (3) 传感器 采用漏磁式传感器, 用磁铁将 磁通引入管道, 进入储气井, 将管道和井壁磁化 后, 利用磁敏探头采集管壁表面的漏磁信号。通过 漏磁信号的大小与缺陷大小和深度之间的对应关 系, 确定储气井地面管道和井壁的受损情况, 即天 然气的泄漏情况, 再将检测到的信息传送到微机控 制装置。 (4) 微机控制装置 接受检测信息和发出执 行指令, 实现对储气井的安全控制。采用直接数字 控制(DDC - Direct Digital Control) 系统, 计算机 作为数字控制器直接控制执行机构。先由传感器测 取以过程参数形式显示的天然气泄漏情况的信息, — 22 —        石 油 机 械 CH INA PETROLEUM MACH INERY    2004年 第32卷 增刊 3 3 3 四川省学术和技术带头人培养资金资助项目的部分研究成果。 刘清友, 教授, 博士生导师, 生于1965年, 1997年毕业于西南石油学院石油天然气机械专业, 获博士学位, 1999年完成在重庆大 学机械传动国家重点实验室做博士后研究工作。现为西南石油学院机电工程学院副院长、“岩石破碎学与钻头研究”四川省重点实验室主 任。主要从事机械工程、石油工程的CAD /CAM /CAE及计算机仿真方面的教学和科研工作。地址: (610500) 成都市新都区。电话: (028) 83032037。 (收稿日期: 2004 - 07 - 07) 经模/数(A /D) 转换器转换成数字量作为计算机 的输入信号, 计算机根据确定的控制规律进行运 算, 并发出控制信号, 再经数/模(D /A) 转换器 转换成模拟信号直接驱动执行机构———液压泵, 控 制高压气地下储气井安全阀的开关。 (5) 地下储气井 地下储气井结构[ 2 ]如图1 所示。高压气地下储气井安全阀用螺纹联接在过排 液管封隔器上, 排液管穿过封隔器, 并将液控管线 连在高压气地下储气井安全阀上。通过螺纹将安全 阀、排液管和封隔器联接在井壁上, 排液管用于定 期排出储气井底的废液。过排液管封隔器是一种特 殊的封隔器, 封隔器上开有与排液管直径相同的一 个通孔, 便于排液管通过[ 3 ] 。 储气井安全阀采用西南石油学院油气藏地质及 开发工程国家重点实验室设计的针对储气井的实用 新型专利产品———高压气地下储气井安全阀, 其结 构简单, 易于操作, 可方便安装在高压气地下储气 井中, 用液压控制, 能自动及时关闭高压气地下储 气井。 图1 高压气地下储气井示意图 1—液控管线; 2—排液管; 3—过排液管封隔器; 4 —高压气地下储气井安全阀; 5 —液压泵   21安全装置工作原理 根据连续液体压力传递原理, 笔者设计的安全 装置通过微机控制液压泵提供的液压, 实现地下储 气井安全阀的开、关控制。安全装置工作时, 接在 地下储气井管道上的传感器先检测到天然气泄漏信 息, 再将信息传送到微机控制装置, 微机控制装置 根据收到的信息, 发出命令给液压泵。当液压泵传 输的液压力低于工作压力时, 节能蓄能器就立即给 液控管线补充液压油, 当液压泵传输的液压力高于 工作压力时, 液压泵自动将多余的能量输送到节能 蓄能器中。液压泵使液压油通过液控管线进入安全 阀, 使安全阀关闭, 然后泄去液压力, 完成高压气 地下储气井的安全控制。当地下储气井地面管道检 修时, 也可以直接打开液压泵的开关, 使高压气地 下储气井打开或关闭[ 4, 5 ] 。 31技术特点 笔者设计的安全装置与现有技术相比, 具有以 下特点: (1) 该装置可以在原有的高压气地下储气井 中直接安装安全阀、封隔器等, 不影响高压气地下 储气井原有的结构和进气、排气及排液管的排液功 能, 从而改进我国现有高压气地下储气井; (2) 实现了高压气地下储气井的自动及时关 闭, 增强了高压气地下储气井的安全性。 41性能特点 (1) 安全装置工作平稳, 反应速度快、冲击 小, 能快速启动和制动; (2) 安全装置操作比较方便、省力, 实现了 机电液压控制的自动化; (3) 安全装置安全性好, 易于实现过载保护, 同时因采用油液作为工作介质, 相对运动的表面能 自行润滑, 使用寿命较长。 结 束 语 安全是人类一个永恒的主题, 安全生产是人类 生活最基本的要求。CNG的易燃易爆性和CNG加 气站的高压操作性, 使得安全更是保证具有重大安 全隐患的CNG加气站正常运行的关键。笔者设计 的高压气地下储气井安全控制装置, 能有效预防 CNG加气站的天然气泄漏, 改进了国内现有地下 储气井的结构, 提高了天然气储存的安全性, 促进 了我国CNG汽车工业的健康发展, 大大减少城市 环境污染, 为CNG汽车的推广应用提供进一步的 技术支持。 参 考 文 献 1 黄明珠, 程宗明1 储存车用CNG的最佳选择———地下 储气井1中国能源, 2002, (4) : 34~35 2 刘清友, 祝效华, 刘绘清1KY65—21新型海洋采油气井 口装置结构优化1天然气工业, 2003, 23 (7) : 54~55 3 刘清友, 湛精华, 王国荣等1井下封隔器应用与研究现 状1四川大学学报, 2003, 35 (增刊) : 75~78 4 吴树林, 冯久鸿, 陈文森等1井下安全控制系统的设计 与应用1石油矿场机械, 1998, 27 (2) : 9~12 5 方昌林1液压、气压传动与控制1北京: 机械工业出版 社, 2000: 90~100 (本文编辑 丁莉萍) 2004年  第 32卷  增刊 刘清友等: CNG地下储气井安全控制装置设计        — 23 —
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