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龚达乐，刘培琳，吴刚，陆地
(中国石油工程建设有限公司 北京设计分公司，北京 100085)
气动控制阀是流程行业中最常用的执行元件，气动控制阀执行器主要以压缩空气为动力源，通过气源推动执行器气缸内的活塞或者薄膜运动从而带动阀门开关动作。控制阀储气罐可以起到消除压力波动，保证气源动力输出给气动执行器的连续性，更为重要的是，储气罐可以作为备用动力源，实现控制阀的故障安全位置并可以保障执行完工艺要求的安全行程数。
气动控制阀自备储气罐在以下场合会考虑配备：
控制阀采用双作用的气动执行机构，为实现阀门的故障开、故障关或者故障保位的要求[1]；
控制阀采用单作用气动执行机构，为实现气源故障时，仍要求控制阀能够执行几个行程的开关动作；
全场停车后(包括仪表风撬停车)，要求保障某些气动控制阀依次按序执行几个行程开关动作，如紧急放空阀[2]，把全场工艺流程/装置切换到安全状态。
气动控制阀自备储气罐给气动执行器提供气源动力的物理过程即压缩气体从储气罐通过气体管路扩散并填充到执行机构气缸的动态过程[3]，基于理想气体状态方程，假设储气罐给执行器气缸供气过程为绝热过程，即可简化为储气罐内压缩气体驱动阀门执行器动作之前和储气罐内压缩气体通过气体管路驱动阀门执行器动作一个行程达到要求的位置之后两个稳态过程，可以用式(1)表示：
p罐V罐=p′罐V罐+p气路V气路+p气缸V气缸
(1)
式中：p罐，V罐——初始状态储气罐内压力和容积；
p′罐——储气罐提供气源执行一个执行器行程之后储气罐内压力；
p气路，V气路——储气罐至执行器气缸之间气路内气体压力和容积；
p气缸，V气缸——执行器气缸内气体的压力和容积。
若要求储气罐提供n个行程的备用气源，则按照式(1)迭代n次，即可表示出整个储气罐内压缩气体工作的物理过程。需要注意的是：
对于单作用执行器，弹簧复位的故障安全行程不消耗储气罐内压缩气体，仅把执行器气缸内已有的压缩气体排空；
对于双作用执行器，控制阀开行程和关行程都需要消耗储气罐内压缩气体[4]，则每一次动作都需要用式(1)表示。
因此，气动控制阀自备储气罐的容积主要由以下几个因素决定：
站场气源供气至储气罐的充气压力即p罐，气动执行器气缸开/关行程的容积V气缸，要求储气罐提供备用气源执行阀门的行程数n，以及气动执行器在阀门上下游最大差压下所需的最低驱动压力p气缸最低，执行n个行程之后需要保证p气缸>p气缸最低；
执行器气路的配管容积，气路各元件的压损、泄漏量由于对储气罐容积的影响较小[5]，可以采用一定的修正系数或者安全系数综合考虑，简化计算。
2.1 《石油化工自动控制设计手册》中的计算方法
国内对于气动仪表的设计普遍参考HG/T 20510—2014《仪表供气设计规范》[6]中的要求，目前该规范中只提供了对于气源装置储气罐容积的计算方法，而并未包含用气仪表自备储气罐容积的计算[6]。《石油化工自动控制设计手册》第五篇第三章节中提供了阀门用储气罐容积的计算方法[7]，如式(2)所示：
(2)
式中：V罐——储气罐容积， m3；
VQ——阀门执行机构容积，m3；
N——动作次数；
p1——管网供气绝对压力，kPa；
p2——执行器最低工作绝对压力，kPa。
通过对式(2)的分析可以推导出该方程是基于式(3)表示储气罐驱动阀门一次动作行程的物理过程：
p罐V罐=p′罐V罐+p气缸最低V气缸
(3)
进而可以推断出式(3)适用的情况需基于以下假设：
储气罐与执行器之间的气路上设置有减压阀，减压阀设定值为执行器最低工作压力(假设1)；
执行器气路中不存在泄气、漏气、耗气装置(假设2)；
气路管线容积忽略不计(假设3)。
因此，实际项目工程设计中若采用该计算方法，需要考虑以下几个因素：
执行器气路需要符合假设1；
需要在式(3)计算结果的基础上考虑一定的修正系数来对假设2，假设3的简化进行补偿，具体值可以根据实际工程经验考虑；
需要在式(3)计算结果的基础上考虑一定的安全系数，满足工程设计裕量的要求，具体值可以由设计方和业主商定。
2.2 SHELL DEP S36.701中的计算方法
SHELL DEP全称SHELL DESIGN AND ENGINEERING PRACTICE,为壳牌全球解决方案国际公司，根据壳牌集团在全世界各地工程建设领域参与设计、建造、操作和维护期间所获得的经验，并且适当参考国际、区域、国家和行业标准而制定出版的设计与工程实践标准，旨在为壳牌公司在石油天然气生产、天然气处理、炼油、化工等领域应用的良好设计和工程实践制定标准，从而有助于从标准化中获得效益最大化。该标准在欧美石油公司主导的海外油气田项目中得到广泛应用[8]。
SHELL DEP S36.701标准图集[8]中提供了控制阀用储气罐容积的计算方法，如式(4)所示：
(4)
式中：V罐min——储气罐最小容积；
s——安全系数，默认值为1.25；
α——考虑到电磁阀和执行器之间的管道和管件额外容积的修正系数，默认值为1；
pact,min——执行机构在阀门上游最大压力和下游最小压力下驱动阀门所需的最小气源压力(表压)；
b——要求阀门全行程数，从阀门关闭位置开始，默认值为3；
Vact——执行器活塞克服弹簧作用完成一个行程所需要的气量；
pIA, min——气源管线最小供气压力(表压)；
ΔpNRV——打开一个储气罐上游止回阀所需消耗的压降。
该规范规定了以下注意事项规范储气罐的气路设计：
1)气源管线需要通过1个过滤器供气到储气罐。
2)应安装2个止回阀，以防止在气源故障的情况下气体从储气罐倒流。止回阀应是球型或提升型，安装在流向朝上的垂直管线上。
3)储气罐气源入口需在储气罐侧边，气源出口需在储气罐顶部。不允许合并气源入口和气源出口。
4)储气罐需要提供气瓶内压力低报警，报警值设定在需要执行若干个阀门行程所需的最低罐内压力。一个全行程包括开和关两个动作。
5)储气罐最低处需提供一个排凝设施，以便清除任何积聚的液体。
6)如果阀门和对应储气罐不能离线进行维护，则储气罐的设计应包括一个双隔离和排放阀，以验证止回阀的运行状态。
7)只有在设计规范规定的情况下，才需要在储气罐上安装安全阀。
8)应避免在止回阀下游安装诸如调压阀之类的放气装置。如果使用它们，它们的排气率应包括在计算中。
9)该计算是基于没有安装调压阀来限制执行机构的气源压力的假设。
10)该计算是基于缓冲容器内的空气膨胀是绝热的假设。
通过对式(4)的分析并结合以上注意事项可以推导出基于式(5)表示储气罐驱动阀门一次动作行程的物理过程：
p罐V罐=p′罐V罐+p′气路V′气路+p罐V气缸
(5)
其中，p′气路V′气路是通过α修正计算，同时p′罐考虑了气瓶入口的止回阀的压降，并且执行一次行程之后执行器气缸内的压力按照行程前储气罐内的压力考虑。若储气罐需要满足n次行程的需要，则通过n次式(5)的迭代计算，得到最终SHELL DEP S36.701中的计算方程式。
从SHELL DEP S36.701给出的该公式应用的注意事项以及表示气动执行器一次行程前后气体状态的基本方程式(5)可以看出，该计算公式存在的特点：
因为SHELL DEP S36.701作为壳牌公司制定的企业规范，比一般性的国际规范要求更为严苛，所以计算中的很多假设都更为全面和保守，对于某些业主来说可能会增加成本；
规定了气源入口至储气罐之间需要设置2个止回阀，这也与API 553[9]中的要求一致；
提供的计算公式只适用于没有安装减压阀来限制到执行机构的气源压力的情况，这也符合SHELL DEP 32.36.01.18[10]对气动开关阀执行器气路的要求，只在特定情况下才考虑减压阀。
2.3 两种方法计算结果对比
以某油气项目中使用的单作用气动开关阀(对于双作用气动开关阀，开关行程都需要消耗气量)及其对储气罐的要求为例，要求储气罐提供2个全行程的备用气源，气源供气压力为600 kPa,执行器最小动作压力为400 kPa,安全系数都取1.25 ，止回阀差压取10 kPa。分别采用上述两种计算方法，计算结果对比见表1所列。
表1 两种方法计算结果对比
表1中，储气罐容积(1)为采用《石油化工自动控制设计手册》中的公式计算得出的结果；
储气罐容积(2)为采用SHELL DEP S36.701中公式得出的计算结果。从计算结果可以清晰地看出，SHELL DEP推荐的公式计算出的储气罐容积更大。
通过对国内外常用的两种气动控制阀自备储气罐容积计算方法的分析与对比，得出以下结论：
1)实际工程项目中，应根据项目需求以及实际气路设置，气路中是否存在减压阀、止回阀、安全阀等泄压减压装置，决定采用哪种计算公式或者对手册和标准中的公式进行适当的调整，如引入修正系数、安全系数，以适应实际项目的要求。
2)影响气动控制阀自备储气罐容积的因素，除了第一章所述的几个常规因素外，不能忽略执行器的气路配置：
气路中是否存在减压阀、止回阀、安全阀等泄压减压装置。这些配置的不同会影响到气动执行器一个行程前后气体物理状态方程，进而影响计算结果。
3)若选用《石油化工自动控制设计手册》中提供的公式计算，因为该公式对实际过程进行了简化，所以在实际项目设计中，建议考虑一定的安全系数，比如1.2～1.8，作为设计裕量，以及修正系数，比如1.1～1.3，修正温度、压力，管路系统泄漏量，具体数值由设计单位酌情选定[3]。
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