電磁式燃氣緊急切斷閥

電磁式燃氣緊急切斷閥應用簡述

1引言燃氣緊急切斷閥作為燃氣輸配系統(tǒng)中的一種安全裝置，主要有自力式燃氣緊急切斷閥和電磁式燃氣緊急切斷閥兩種。自力式燃氣緊急切斷閥利用管線內(nèi)燃氣的自身壓力波動，驅(qū)動閥門關(guān)閉，多用于無需外界控制，能夠自行
        1 引言
        燃氣緊急切斷閥作為燃氣輸配系統(tǒng)中的一種安全裝置，主要有自力式燃氣緊急切斷閥和電磁式燃氣緊急切斷閥兩種。自力式燃氣緊急切斷閥利用管線內(nèi)燃氣的自身壓力波動，驅(qū)動閥門關(guān)閉，多用于無需外界控制，能夠自行快速關(guān)閉的場合。但其監(jiān)控對象僅為壓力，如遇到火災、地震、燃氣微量泄漏等諸多情況時，自力式閥很難滿足使用需要。，通過外部控制，用電驅(qū)動閥門關(guān)閉，因此，作為執(zhí)行器，一般與燃氣泄漏報警器，燃氣壓力傳感器，熱力設(shè)備的極限溫度、壓力傳感器，地震報警器等配合使用于安全控制系統(tǒng)中。例如，在建筑物的*消防報警系統(tǒng)、熱力設(shè)備的安全控制器、城市或樓宇地震監(jiān)控管網(wǎng)、城市或工廠的燃氣供應管網(wǎng)中均可設(shè)置，一旦發(fā)生危險情況，可通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對閥門的遠程控制，切斷事故現(xiàn)場的供氣。所以，廣泛應用于供氣管網(wǎng)系統(tǒng)、燃氣熱能工廠、燃氣鍋爐房及住宅居所等場所。
        近年來，國內(nèi)涌現(xiàn)出眾多的生產(chǎn)廠。由于生產(chǎn)廠家的科研能力、生產(chǎn)能力參差不齊，加之目前沒有的相關(guān)國家標準、行業(yè)標準，各電磁切斷閥廠家一般使用企業(yè)內(nèi)部標準進行設(shè)計和檢驗，造成產(chǎn)品質(zhì)量難以控制，許多粗制濫造的切斷閥流入市場，增加用戶的選用與維修困難，安全可靠性難以保障。
        本文就的基礎(chǔ)知識、設(shè)計和使用要點及應用情況進行簡要的介紹，為用戶在選擇和使用中提供一些參考。
        2 釋義
        為一種半自動安全閥，即閥門一旦關(guān)閉，不再隨通電（或斷電）狀態(tài)而變化，依舊保持其關(guān)閉位置，必須通過人工操作才能將閥門回復到開啟狀態(tài)。
        3 分類
        品種很多，本文按幾個主要部件的不同形式進行分類，并對各種形式的特點進行簡要敘述。
        3.1 按應用壓力分
        3.1.1 高壓
        很少用于高壓，一方面是因為壓力越高所需控制閥門的驅(qū)動力越大，生產(chǎn)成本越高；另一方面，因為對于城鎮(zhèn)燃氣來說，高壓環(huán)境一般僅存在于門站和主輸配管線上，此類環(huán)境一般要求安全閥在發(fā)生事故時，無需進行外部控制即可快速關(guān)斷，避免了用電產(chǎn)生的安全隱患，因此，一般在此類環(huán)境中使用自力式燃氣緊急切斷閥。
        當然，也有在次高壓環(huán)境中使用的，如圖1，利用內(nèi)部壓力反向推動作用減小了對電磁力的要求，由于采用特殊的密封設(shè)計，使其即可用作液態(tài)液化石油氣的管道輸送，zui大工作壓力可達1.6MPa，又可在低壓氣體環(huán)境中良好密封，做到了工作壓力從1.5kPa到1.6MPa的全覆蓋，達到一閥多用的功能。

圖1 氣液混用

        3.1.2 中低壓
        根據(jù)的應用特點，大多數(shù)切斷閥應用于中低壓場合。需要注意的是，隨著壓力的降低，對閥門設(shè)計和材質(zhì)的要求也隨之降低，閥門的品牌和種類隨之增多。為選型帶來困難。在選用切斷閥時，需要注意以下幾個關(guān)鍵參數(shù)：
        （1）觸發(fā)機構(gòu)：是決定閥門工作穩(wěn)定性的主要因素，其選擇見本文3.3；
        （2）氣密性：是決定閥門關(guān)閉后截流能力的大小，合格的切斷閥應能夠確保閥門關(guān)閉后無泄漏；
        （3）流通量：是指閥門全開時的流通能力，應盡量選用閥口的流通面積大于或等于公稱通徑的產(chǎn)品。
        （4）切斷時間：是指從閥門關(guān)閉信號發(fā)出到閥門關(guān)閉的時間，應盡量選用切斷時間小于或等于1s的產(chǎn)品。
        （5）密封材料和殼體材料：閥門可使用的密封材料和殼體材料多種多樣，使用者可根據(jù)氣質(zhì)種類和使用壓力進行選擇。
        3.2 按閉合方式分
        3.2.1 徑向閉合式
        徑向閉合式是指切斷閥的閥口與氣流方向平行，閥瓣的運動方向與流體流向垂直的切斷形式，傳統(tǒng)意義上的切斷閥均采用徑向切斷形式。圖2為徑向式切斷閥簡圖，看圖可知反向推力f反＞正向推力F正，且壓力越高f反與F正的差值越大，則需要的電磁力和彈簧力就越大，這就給閥的設(shè)計，尤其是彈簧的設(shè)計和鐵心材料的選取帶來困難，所以，這類切斷閥一般用于壓力較低的管道上。

圖2 徑向式切斷閥簡圖

        3.2.2 軸向閉合式
        軸向閉合式是指切斷閥的閥口與進氣口、出氣口平行，與氣流方向垂直，且閥瓣的運動方向平行于氣流方向的一種切斷形式，如圖3所示。采用此設(shè)計，整個切斷機構(gòu)均處于帶壓氣體內(nèi)，氣體的正向推力F與反向推力f處處相等，因此，其只需很小的電磁驅(qū)動力和彈簧力即可驅(qū)動閥門關(guān)閉。所以，這類切斷閥適用于壓力較高的管道上，理論上這類切斷閥在其zui大承壓的范圍內(nèi)均可正常切斷。

圖3 軸向式切斷閥簡圖

        說明：采用軸向切斷的閥門可稱為軸流式切斷閥，zui早出現(xiàn)于國外此類閥門的說明書中，后來國內(nèi)企業(yè)也紛紛采用這一名稱，但現(xiàn)行閥門標準術(shù)語中沒有“軸向式”或“軸流式”這一名詞，所以，其正規(guī)名稱還有待確認。
        3.3 按觸發(fā)方式分
        3.3.1 直接作用式
        電能轉(zhuǎn)化成的電磁力直接驅(qū)動切斷閥的主閥瓣閉合，如圖4所示。這種形式能耗大、體積大、比較笨重，現(xiàn)在市場上已很少見。

圖4 直接作用式

        3.3.2 間接作用式
        間接作用式是指在切斷閥上使用一觸發(fā)機構(gòu)，用較小的電磁力作為原動力，驅(qū)動觸發(fā)機構(gòu)動作，從而引發(fā)主閥動作。目前，所用觸發(fā)機構(gòu)大多使用拔銷式、球柵式、棘輪式幾種主要觸發(fā)形式，如圖5～7所示。無論具體使用哪種形式都是以一個相對較小的力來產(chǎn)生一個較大的驅(qū)動力，驅(qū)動閥門動作。下面簡要介紹一下這3種觸發(fā)形式。

圖5 拔銷式簡圖

圖6 球柵式簡圖

圖7 棘輪式簡圖

        （1）拔銷式：使用一根動鐵心卡住主閥桿使閥門處于打開位置，在需要切斷閥關(guān)閉時，使用電磁線圈產(chǎn)生電磁力拔出動鐵心，使主閥桿落下關(guān)閉閥門。
        這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工和組裝，生產(chǎn)成本相對較低。但缺點是動鐵心摩擦力相對較大，動作時所需電能相對較多。
        （2）球柵式：使用一組限位用圓球（球柵），在動鐵心的擠壓下固定于限位槽內(nèi)，將閥瓣置于開啟位置，在需要關(guān)閉時，使用電磁線圈產(chǎn)生電磁力拔出動鐵心，圓球在閥桿擠壓下彈出限位槽，閥桿連帶閥瓣落下關(guān)閉閥門。圓球材質(zhì)可根據(jù)需要選用。
        優(yōu)點是相對于拔銷式，所需電磁力較小，能耗較少。但由于零件較多，且對尺寸要求比較嚴格，為加工和裝配帶來一定的困難。另外，由于限位圓球與閥桿的硬度存在一定差異，若在壓力較高的情況下長時間運行，會在圓球與閥桿接觸面上出現(xiàn)壓痕，增大受力面積，導致阻力的增大，圓球不能脫出限位槽，從而導致不能切斷。因此，球柵式觸發(fā)機構(gòu)多用于低壓切斷閥。
        （3）棘輪式：使用一掛鉤機構(gòu)與動鐵心相連，掛鉤機構(gòu)利用杠桿原理，以較小的力限制棘輪轉(zhuǎn)動使閥門處于開啟狀態(tài)，在需要關(guān)閉時，使用電磁線圈產(chǎn)生電磁力拔出動鐵心，掛鉤機構(gòu)與棘輪脫開，棘輪在彈簧力作用下驅(qū)動閥門關(guān)閉。
        這種結(jié)構(gòu)利用杠桿原理可有效減小拔銷力。此外，由于采用多級傳動機構(gòu)，使其能夠?qū)⑿D(zhuǎn)位移量轉(zhuǎn)化為軸向位移量，適合應用于軸流式切斷閥。但其體積相對較大，且零件較多，一定程度上增加了制造難度。
        另外，雖然也有使用氣動、電動執(zhí)行機構(gòu)的閥門作為可控制的管道保護閥門使用，但據(jù)其定義和用途來說這種閥門不應屬于緊急切斷閥，且切斷時間較長，造價較高，所以，綜合考慮很少有使用帶執(zhí)行機構(gòu)的電動或氣動閥門作為燃氣緊急切斷閥。
        3.4 按電磁線圈類型分
        根據(jù)電磁線圈的兩種類型，通電工作型和斷電工作型，可分為通電關(guān)閉型和斷電關(guān)閉型兩種。電磁線圈的分類及工作原理詳見本文4。
        3.4.1 通電關(guān)閉型
        通電關(guān)閉型，即所謂“常開閥”，是指電磁線圈接通電源的瞬間，閥門迅速關(guān)閉的切斷閥。
        3.4.2 斷電關(guān)閉型
        斷電關(guān)閉型，即所謂“常閉閥”，是指電磁線圈切斷電源的瞬間，閥門迅速關(guān)閉的切斷閥。
        應指出，目前廣泛使用的電磁式緊急切斷閥分類中，所謂“常開閥”、“常閉閥”的名稱，只是一種口頭上的叫法，雖然有不少廠家使用該名稱，但其名稱的準確性還有待確認。因此，在選用電磁式緊急切斷閥時，應特別注意將其與電磁閥對于“常開閥”和“常閉閥”的概念區(qū)分開。
        電磁式緊急切斷閥中的“常開”、“常閉”，是指電磁線圈的工作型式，是通電工作型還是斷電工作型，其閥體內(nèi)部的閥口，均長期處于打開狀態(tài)，只有在發(fā)生事故需要關(guān)閉時，閥口才閉合。而電磁閥的“常開”、“常閉”，是指其閥體內(nèi)部閥口，是處于長期打開狀態(tài)還是長期閉合狀態(tài)，與所用電磁線圈的工作型式無關(guān)。
        4 電磁線圈
        電磁線圈是用來產(chǎn)生驅(qū)動閥門關(guān)閉所需的原動力的部件。早先的傳統(tǒng)電磁線圈僅由漆包線繞制而成，存在功耗大，長時間通電容易燒毀線圈、不利于維修維護等問題，且僅為通電工作型，即所謂的常開型。之后，有些廠家在線圈內(nèi)加入熱敏電阻或溫度開關(guān)，對長時間通電的線圈起到限流作用，一定程度上減小線圈功耗，但通電時間仍然較長，沒有很好解決功耗和溫升問題。近些年，隨著電子技術(shù)的普及，一些切斷閥生產(chǎn)廠已推出帶有內(nèi)部控制電路的新型低功耗電磁線圈。此類線圈一經(jīng)推出便受到許多用戶的歡迎，因為這類線圈不但可將功耗降至傳統(tǒng)線圈的1/20以下，還可制成斷電工作型，即所謂常閉型電磁線圈，使用于某些停電時需要切斷氣路的場合，如無人值守、地下管廊、自然災害頻發(fā)地區(qū)等。
        電磁線圈分類與特點：
        （1）傳統(tǒng)線圈：其工作特點之前已做過說明不再贅述。

圖8 傳統(tǒng)線圈

        （2）使用單片機控制的低功耗線圈：其內(nèi)部使用控制芯片，可根據(jù)用戶的不同需求，通過事先寫入不同的程序，控制線圈通、斷電的時間和次數(shù)，從而對動鐵心的吸合效果進行控制。這種線圈的應用面十分廣泛。但對于來說，很多功能是無用的，并且存在線圈內(nèi)部電路比較復雜、體積較大、成本較高等不利因素。

圖9 單片機控制低功耗電磁線圈

        （3）使用電容控制的低功耗線圈：此種線圈利用電容充、放電兩過程產(chǎn)生的瞬間電流，產(chǎn)生瞬間電磁力，分別制成通電工作型和斷電工作型兩種線圈。這一方法即可以防止線圈長期帶電，而且比采用單片機制成的產(chǎn)品節(jié)約了成本，降低電路復雜程度。雖然這一技術(shù)已在*表中的內(nèi)置欠費切斷閥上得到應用，但將其用于較大口徑、較高壓力的工業(yè)用上還屬。日前掌握此項技術(shù)的某公司已獲得這種線圈的，號為200910304335.1。下面簡要介紹一下這兩種電磁線圈的工作方式，如圖10、11所示，圖中開關(guān)代表控制電路。

圖10 通電工作型電磁線圈電路基本原理圖

圖11 斷電工作型電磁線圈電路基本原理圖

圖12 電容控制低功耗電磁線圈

        通電工作型的工作方式為，電磁線圈長期處于2、3兩點接通狀態(tài)，不帶電，當閥門需要關(guān)閉時，1、2兩點接通，線圈上產(chǎn)生瞬間電流，閥門關(guān)閉后，返回2、3兩點接通狀態(tài)，構(gòu)成放電回路，電容放電。
        斷電工作型的工作方式為，電磁線圈長期處于1、2兩點接通狀態(tài)，為電容充電，當閥門需要關(guān)閉時，2、3兩點接通，電容通過線圈放電，線圈上產(chǎn)生瞬間電流，閥門關(guān)閉后，返回1、2兩點接通狀態(tài)，再次為電容充電。
        5 結(jié)語
        （1）需要強調(diào)，不能使用沒有取得國家防爆認證和閥門檢驗合格證書的切斷閥。
        （2）根據(jù)使用條件選取合適的切斷閥，例如，應用于壓力較高或安裝空間較狹小的場合，可選用軸流式切斷閥；若在潮濕、多粉塵、具有腐蝕性或天然氣中雜質(zhì)較多等情況下工作，為保證可靠切斷，應盡可能避免選用結(jié)構(gòu)復雜的切斷閥，宜采用拔銷式結(jié)構(gòu)的切斷閥配合傳統(tǒng)線圈使用；對于工作環(huán)境較好，要求低能耗、便于維修的情況，宜選用間接作用式配合低功耗線圈使用等等。
        （3）在選用時，應盡量選用具有壓力管道元件生產(chǎn)資質(zhì)的廠家的產(chǎn)品，若選用對方產(chǎn)品，應綜合考慮以下幾個主要方面：研發(fā)能力、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)設(shè)備、質(zhì)量控制體系及相關(guān)認證。另外，應謹慎核實查詢網(wǎng)絡信息確定對方資質(zhì)和生產(chǎn)能力。
        （4）為更好的建設(shè)節(jié)約型社會，在沒有特殊要求的情況下，建議使用配備低功耗電磁線圈的切斷閥，以減少能源消耗。
        （5）應盡快制定關(guān)于產(chǎn)品的國家標準或行業(yè)標準，使各生產(chǎn)廠在設(shè)計、生產(chǎn)、檢測、維護和管理等方面有一個統(tǒng)一的、可遵循的標準，對規(guī)范這一市場起到良好作用。