新的液压执行器设计提供零排放选项

摘自controleng，作者：JOHN CARROLL，Gordon翻译

压缩机站通常采用使用加压天然气启动的自动阀，需要改进执行器设计以消除排放。

天然气排放日益成为政府和行业关注的焦点。甲烷是天然气的主要成分，是一种强效温室气体。尽管美国的二氧化碳排放量是甲烷的 9 倍，但在典型的 10 年期间，甲烷造成的环境破坏要高出 84 倍。为了遏制温室气体排放，世界各地的政府机构都通过了法规。这些规则中有许多针对石油产品的生产和运输，因为这些操作是甲烷排放的重要来源（见图 1）。

图 1：石油工业在美国和世界范围内释放了大量的甲烷。作为回应，EPA 引入了 CFR 40 Part 60 Subpart OOOO 来解决这个问题。图片：美国环保署

天然气排放有三种主要类型：无组织排放、燃烧排放和排放排放。无组织排放通常是由设备密封件、填料和垫圈的意外泄漏造成的。燃烧排放来自燃烧器、火炬、加热器和其他燃气设备。排放来自天然气驱动设备的甲烷释放，减少这一来源是本文的重点。

执行选项

有多种操作开关和控制阀的方法，包括电动执行器、由空气或天然气驱动的气动执行器和液压执行器。每个都有优点和缺点，因应用程序而异。在远程天然气管道阀门的情况下，由于站点位置偏远、涉及阀门的尺寸以及某些阀门需要无法达到安全状态，因此选择更加有限。

这些要求通常排除电动驱动，并且缺乏本地空气供应通常取消气动阀作为选项，留下直接气体气动执行器、气动马达阀或液压装置。液压执行器可以是气液联动、电动液压或称为排放控制执行技术 (ECAT) 的新技术。下表显示了这些驱动技术的相对甲烷排放量（见图 2）。

图 2：针对各种技术比较了每英寸阀门的甲烷排放量。燃气发动机执行器的排放量最高，而 ECAT 根本不排放甲烷。图片：艾默生

燃气马达使用压缩管道气体来驱动气动马达，从而移动阀门。虽然它们的优点是不需要电力，但它们会排放大量的甲烷。油气系统使用管道中的天然气对液压油加压，然后用于驱动旋转叶片 (RV) 或拨叉 (SY) 阀门执行器。阀门启动后，气体压力释放到大气中（见图 3）。

气液联动利用管道气压的可用动力，同时还提供执行器尺寸小和使用寿命长的固有液压优势。虽然气液联动系统多年来一直可靠运行，但由此产生的温室气体排放促使天然气管道行业考虑其他选择。

图 3：气液联动液压系统使用来自管道的高压气体（蓝色）对液压油（红色）加压，用于驱动阀门，在本例中显示了旋转叶片执行器（左图）。然后排出天然气（灰色，右侧图），高压气体可以被引入到右侧的罐中，以在另一个方向启动阀门。图片：艾默生

电液操作

管道阀门驱动的一种零排放选项是电动液压操作（见图 4）。这些阀门使用一个小型电动机来对驱动执行器的液压流体加压。如果需要此功能，执行器可以包含一个弹簧，当断电时，该弹簧将阀门驱动到故障安全位置。

液压允许执行器在相对较小的占地面积内产生高扭矩，并且不需要空气或天然气来执行，但电动液压操作员确实需要电源。太阳能是较小阀门或驱动速度要求较慢的阀门的一种选择。如果没有电源可用，可以在紧急情况下使用手动泵来驱动阀门。

电动液压阀提供零排放，但在驱动速度和总扭矩方面有所限制。如果需要非常高的扭矩或快速驱动，则需要采用不同的液压技术。

图 4：零排放电动液压阀结合使用电动机和弹簧复位、液压驱动的执行器来提供故障安全阀驱动。较小的阀门或不需要快速打开的阀门可以利用太阳能。图片：艾默生

ECAT 液压驱动

较大的阀门或必须快速移动的阀门需要向执行器提供更多功率。在偏远地区，明显的动力来源是管道本身的加压气体。气液联动执行器利用该动力，但每次冲程都会排放甲烷。最近的政府甲烷排放法规刺激了零排放设计的发展（见图 5）。

ECAT 具有与气液联动系统类似的设计，因为它利用了管道气压的可用动力，并且它提供了相同的固有液压优势，即执行器尺寸小和使用寿命长。但是，它通过使用小型电动机在每次冲程后将天然气推回管道来实现零排放。

ECAT 系统使用管道压力对液压油加压并驱动阀门。冲程完成后，ECAT 使用一个小型电动机驱动泵来反转液压流体流并迫使气体返回管道，以便为下一个冲程做好准备。

图 5：与气液联动系统类似，ECAT 使用来自管道（蓝色）的高压气体对液压油（红色）加压以驱动阀门（左图）。不同之处在于一个小型电机在行程结束时迫使气体返回管道（右图），从而实现零排放。礼貌：艾默生

由于其低功率要求，该电机通常可以在必要时由太阳能供电。如果需要多次冲程，可以扩大蓄能器和储液罐，以提供足够的液压油来驱动阀门多次。在管道压力非常低的情况下，可以使用液压手动泵来移动阀门。

ECAT 系统设计可与拨叉式或旋片式执行器配合使用，并可改装到现有的气液联动系统，使用户能够以相对较低的成本减少甲烷排放。

一些现有的阀门控制系统使用由天然气激活的部件，这些部件可能很昂贵或难以更换。在这种情况下，现有的气液联动系统可以用 ECAT 替换，同时保持气动元件完好无损。这种改造以最低的成本消除了近 99% 的气体排放。

解决现实世界的问题

加拿大最近的甲烷排放限制迫使不列颠哥伦比亚省的一家管道公司重新评估其六个或压缩机站和一个计量设施的油气液压操作员，所有这些都具有零排放要求。在评估选项后，该公司确定 ECAT 技术可以让他们将甲烷排放量减少到零，同时保留大部分现有设备。

目前正在设计一个大型甲醇终端，业主不希望承担维护远程站点仪表空气的费用和维护费用。EHO 执行器被指定用于控制阀和紧急关闭阀。EHO 执行器提供控制阀的精确定位、控制阀的运动速率以及弹簧复位执行器的故障安全可操作性 - 现场无需供气。

评估选项

最近的环境法规高度关注减少由天然气操作的设备的排放物，例如直接气动阀门和油气液压系统。管道运营商现在有低排放和零排放的选择，以合理的成本解决这些问题。

任何给定应用的最佳选择通常取决于电力的可用性，以及所需的驱动速度和阀门尺寸。但几乎在所有情况下，都有新的低排放或零排放替代品提供与传统驱动系统相同的高可靠性和长使用寿命。此外，改装套件可以显着降低完整设备升级的成本，将现有阀门执行器安装转变为零/低排放，同时保留许多原始组件。

如果面临天然气驱动设备强制减少甲烷气体的问题，明智的做法是研究为液压阀驱动提供的最新选项。新的低排放设计以相对较低的安装成本提供非常高的性能。

作者简介

John Carroll 是艾默生液压业务部的主管。他担任工程师和经理 16 年，担任过各种职位，包括执行技术区域销售经理、价值流经理和内部销售经理。约翰毕业于彭萨科拉基督教学院，获得机械工程学士学位。