摘要：针对现代市政管网发展需要， 结合故障事故的影响， 对市政管网进行系统安全保护设计， 合理采取应急处置措施， 在保证装置运行安全可靠的基础上尽量减少事故及次生灾害的影响。论文设计了一种利用弹簧储能， 适用于市政管网应用领域的智能型阀门紧急关断装置。
关键词：市政管网； 紧急关断阀； 智能阀门； 弹簧储能；
Abstract:In this paper, a kind of intelligent valve emergency shutdown device is designed, which is suitable for the application field of municipal pipe network. This paper has to think highly first on the cause and effect analysis while designing on safe protection to meet the re-quirements of the development of modern municipal pipe networks, with full consideration of all the factors resulting in potential accidents, taking reasonable measures on shut down and off-work, trying all means to avoid frequent on and off works of the devices and narrow the impact resulted from the accident and secondary disasters.
Keyword:municipal pipe networks; emergency shutdown valve; intelligent valve; spring energy storage;
0 引言
在城市管网安全系统研究项目里， 对于燃气及有毒化学制品管道运输的灾害预防是一很重要的课题。研究结果表明， 有些自然灾害的发生是不可避免的， 而次生灾害是可以控制的。比如在地震灾害发生时， 经常会引起输送管道的破裂， 如果不能及时关闭阀门， 危险介质大量泄漏从而造成严重的次生灾害。这种灾害带来的后果， 有时会比地震本身造成的灾害大很多。为避免这种次生灾害的发生， 就要求在输送管道发生破裂时及时关闭阀门， 阻止危险介质的泄漏。
管道阀门有多种驱动形式， 从预防灾害的目的出发， 都要求管道阀门能够在出现灾害的时候自动关闭。由于地震灾害发生时， 往往会伴随供电系统的中断， 所以阀门的关闭不可以使用电力， 而需要使用其他的驱动型式。为此， 要求在防灾管道系统中使用特殊的紧急关断阀门。
1 现有产品状况
现在市场上有几种具有类似功能的紧急关断阀， 列举如下：
（1） 日本卡温达紧急切断阀。该产品使用涡卷弹簧作为应急状态时的动力源， 在断电的情况下自动关闭。该产品力矩最大只能做到450N·m, 且没有手动装置。
（2） 德国法奥克电液执行器。使用电液驱动装置， 用蓄势器除能。供电中断时可以使用蓄势器储存的能量驱动阀门工作， 当蓄势器能量释放完后， 可以使用手动泵驱动。性能比较好， 但价格昂贵。
（3） 日本日立オートモティブシステムズメジャメント株式会社紧急关断阀。该紧急关断阀用于紧急情况下快速切断， 用高压气瓶做紧急情况下的动力源， 通过气缸关闭阀门。没有手动装置。
（4） 重锤式紧急关断阀。重锤式紧急关断阀是靠重锤的重力作用关闭阀门的， 是比较成熟的产品。但是由于依靠重力， 阀门关闭力矩越大， 重锤越重， 整体笨重。
（5） 电磁先导式紧急切断阀。这类紧急关断阀产品比较多， 由于流阻比较大， 不符合节能要求。
以上各种紧急关断阀， 各有特点， 相比较而言， 德国的产品是比较好的， 但是价格昂贵， 如果在城市安全管网中推广， 对政府财政来讲是一笔很大负担。重锤式紧急关断阀， 由于重锤质量很大， 惯性力也会很大， 在地震灾害中， 有可能会变成灾害源。因此， 考虑到产品供应现状， 需要设计一种适合的紧急关断阀门。
2 设计原则
根据实际应用需求， 管网紧急控制装置需要在几种情况下具有能够使用功能。
首先：阀门要纳入城市管网安全系统管理之下， 因此要选择智能型电动阀门， 可以通过网络与控制系统连接；其次：当发生紧急状况， 供电正常时， 系统可以控制阀门快速关闭；最后：出现供电故障， 但其他情况正常， 可以人工控制阀门开关。
由于市场上产品不适合城市管网安全系统的要求， 因此我们特地设计了一种阀门紧急关断装置。基本要求有4点：①智能性， 基本设计符合国家智能阀门标准， 非紧急状态时下作为普通阀门控制装置使用， 可以联网控制；②紧急状态时， 可以快速关闭；③在断电情况下， 可以自动保护关闭；④在供电故障时， 可以手动操作。
3 详细设计
根据以上要求及设计原则， 并采用模块化的设计方法， 阀门紧急关断装置分为动力机构、运动机构、控制单元等， 同时还分为电力、紧急、手动三大功能模块， 本设计采用弹簧储能装置作为紧急动力模块、使用滑块-扇形齿轮作为传动机构、使用单片机系统作为控制单元、使用常开型电磁阀作为紧急关闭时的控制元件、使用液压缸作为锁定和缓冲装置、使用手动液压泵作为阀门手动操作机构、使用行星减速机构作为主减速机， 设计有以下几个要点：
（1） 选择使用弹簧作为紧急状态下的动力源。圆柱压缩弹簧结构简单， 可靠性高， 可以制成相当大的尺寸， 电动阀门使用圆柱压缩弹簧作为动力源， 因而使紧急关断阀可以适合所有城市管道。
（2） 使用滑块-扇形齿轮作为传动机构。弹簧的输出特性是输出力与工作行程成正比， 压缩行程越大， 压力越大。而阀门的操作力矩特性虽然根据阀门结构不同呈不同力矩曲线。但基本特点上是阀门关闭时力矩最大。使用滑块扇形齿轮结构， 可以获得比较理想的力矩曲线， 使得阀门电动装置在在阀门关闭位置时输出力矩最大。
（3） 使用单片机系统作为控制单元。控制部分由控制单元、控制元件、显示和报警单元组成， 使用单片机系统作为阀门紧急关断装置的控制单元， 使阀门紧急关断装置智能化， 可以适应各种控制方式。可以通过通讯接口联网， 连接到城市管网安全系统管理之下。
控制器接受操作单元信息， 进行逻辑判断， 输出功能指令， 控制电磁阀、实现各种功能控制， 本设计使用常开型电磁阀作为紧急状态时的控制元件。
显示和报警单元设有阀门"开启""关闭""压缩弹簧"等工作状态显示；有限位、扭矩、过热、过载等故障报警。
操作模式有手动、远方和就地操作方式， 在控制室内可进行手动远方操作， 对阀门实施快速关闭， 正常开启和关闭、阀门活动试验等功能；设有与手动远方操作相同功能的手动就地操作方式， 以便于调整试验和在事故情况下的紧急处理。
（4） 使用液压缸作为锁定和缓冲装置。在弹簧上紧后需要一个锁定装置， 使弹簧维持在工作状态。使用液压缸作为弹簧锁定元件使得结构非常简单， 控制非常容易。而且可以通过控制回油速度， 控制阀门的关闭速度。这在大口径的液态介质中使用是非常重要的。如果阀门关闭过快， 由于水击效应可以造成管道的破坏。
液压锁缓是一个集成式液压控制系统、由动力油源、控制阀块、油缸等组成， 执行器的液压油缸输出为直行程， 油缸活塞与弹簧和机械传动机构的滑块连接在一起。
（5） 使用常开型电磁阀作为紧急关闭时的控制元件。使用常开型电磁阀作为紧急状态时的控制元件， 使系统控制灵活方便。电磁阀安装在液压缸的回油管路上， 正常状态下电磁阀供电， 油路处于关闭状态， 通过液压缸锁定弹簧。电磁阀通过一个单片机控制系统操作的继电器供电。出现紧急状态时， 系统可以切断继电器， 停止对电磁阀供电， 电磁阀断电后打开油路， 液压缸回油释放弹簧， 关闭阀门。阀门的关闭速度可以通过控制电磁阀供电的占空比来控制。
当所有供电中断时， 电磁阀失电， 液压缸回油路打开， 释放弹簧关闭阀门。
（6） 使用手动液压泵作为阀门手动操作机构。使用手动液压泵作为供电中断时的阀门驱动力， 使得手动装置非常简单。在液压缸的回油管路上安装一个手动开关。手动液压泵接在液压缸和手动开关之间。手动开关关闭， 断开液压缸回油路径。使用手动泵给液压缸供油， 推动弹簧并通过扇形齿轮打开阀门。
（7） 使用行星减速机构作为主减速机。使用行星减速机作为主减速机构， 电动机驱动太阳轮， 弹簧联动的扇形齿轮驱动内齿圈， 行星轮架驱动主轴输出动力操作阀门。行星减速机是2自由度机构， 因而使电动机和弹簧工作各不干涉， 实现紧急关断阀的基本功能。
4 应用前景
目前结合具体工程需求， 完成了2台1100N·m扭矩的样机制造， 并安装在某开发区自来水公司进行试验运行。
图2 装置样机Fig.2 Device prototype
紧急关断阀除城市管网安全系统之外， 很多生产领域的应急处理也需要。
（1） 发电厂汽机保护快速关断阀。快速关断阀是热电厂机组安全系统的重要组成部分， 是保证抽汽机组安全运行、防止抽汽管道蒸汽倒流引起汽轮机超速事故的重要安全设备。
（2） 油气输送管道安全阀门。在油气管道运输中， 如果管线发生破裂会发生油气泄露。为保证安全， 通常会要求在泵站管道中安装紧急关断阀。
（3） 储罐罐根阀。危险液体储罐的管道发生破裂， 如果不能及时关闭， 在重力作用下储罐内液体会全部泄漏。因此， 储罐罐根通常要安装紧急关断阀。
5 结束语
紧急关断阀作为阀门控制装置， 同时支持多种异构网络远程智能阀门控制功能， 其工程化设计和应用， 对实现及时调整管网运行参数， 缓和潜在事故的风险， 降低灾害损失， 对保障管网安全具有重要意义。
为了适合在危险场合下使用， 需要完善防爆设计， 并开发各种力矩的产品。希望通过不断的改进， 紧急关断阀能取得更好的市场效果。
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