調(diào)節(jié)閥的故障保位

王福珍

(康泰斯(上海)工程公司設(shè)計(jì)院,上海 201203)

1 控制閥保位的必要性

不同工藝系統(tǒng)的控制需求決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同的失效安全工作模式。失效安全模式的選擇原則首先是安全生產(chǎn),其次是連續(xù)性。

在工程實(shí)踐中,當(dāng)遇到自控系統(tǒng)的氣源、電源及輸出信號(hào)故障時(shí),不同的場合對(duì)閥門的狀態(tài)有不同的要求,這些要求往往是出于安全和盡量減少故障損失方面的考慮,另外在安全的情況下,盡量保持裝置生產(chǎn)的連續(xù)性也是需要考慮的一個(gè)重要方面。這就要求自控系統(tǒng)采取一些必要的安全保護(hù)措施。例如:在用蒸汽對(duì)罐內(nèi)的物料進(jìn)行加熱時(shí),如果遇到氣、電故障,應(yīng)將蒸汽的入口閥門關(guān)閉,切斷蒸汽,即故障關(guān)(Fail to close),以防罐內(nèi)物料過熱結(jié)焦;再如在水冷卻物料系統(tǒng)中,遇故障時(shí),則希望冷卻水不要被切斷,此時(shí)要求水入口調(diào)節(jié)閥故障開(Fail to open);而有些特殊的場合則希望故障出現(xiàn)時(shí),閥位保持在原來的位置不變,以保持流體的穩(wěn)定流量,如高溫高分子中間聚合物的夾套管的蒸汽溫度控制閥,一旦故障,全開會(huì)導(dǎo)致主管道內(nèi)物料的結(jié)焦,全關(guān)則可能會(huì)導(dǎo)致熔體輸送管線內(nèi)的高分子聚合物冷卻凝結(jié),堵塞管線,此種情況下故障閥門需要保位(Fail to lock),以確保物料輸入的穩(wěn)定連續(xù)性。這就要求控制閥在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)故障時(shí)安全的“三斷”(斷氣、斷電、斷信號(hào))保護(hù)措施。工程中常見的三種安全失效模式如圖1所示。

圖1 工程中常見的三種控制閥安全失效模式

確切說,前兩種情況下的調(diào)節(jié)閥已經(jīng)失去調(diào)節(jié)作用,只是在失效前采取了安全的失效模式,而對(duì)于故障保位的失效模式來說,相對(duì)穩(wěn)定的控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)閥是在憑借“記憶”或“慣性”調(diào)控著介質(zhì)的流量,在一定的時(shí)間內(nèi)確保生產(chǎn)的穩(wěn)定連續(xù)性,給出維護(hù)設(shè)備安全和儀表檢修故障原因的時(shí)間,減少因?yàn)榕既坏男∈鹿识鴮?dǎo)致的停車或安全事故的發(fā)生,同時(shí)也減少由之而來的損失和危險(xiǎn)。

2 故障保位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型和所需的失效安全工作模式?jīng)Q定了附件的配置結(jié)構(gòu)。

常見的控制閥可分為電動(dòng)閥和氣動(dòng)閥兩大類。電動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)保位較為簡單,它由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,當(dāng)斷電時(shí),電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng),閥門自然保持在故障時(shí)的位置,即實(shí)現(xiàn)了故障保位功能,但是它只有故障保位功能而無故障關(guān)、開的功能。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)故障開和故障關(guān)相對(duì)來說比較容易些,但要實(shí)現(xiàn)故障保位則需要一系列的附件來協(xié)助才能完成保位功能。

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在正常工作時(shí),需要由系統(tǒng)提供氣源、電源、信號(hào)源,這些是調(diào)節(jié)閥正常工作的必要基礎(chǔ)保證。一般工廠的DCS都會(huì)被設(shè)計(jì)為雙路供電,而且設(shè)有UPS,故而斷電時(shí)故障保位相對(duì)考慮得較少,除非是很關(guān)鍵部位的氣動(dòng)控制閥才會(huì)設(shè)有“三斷”的故障保位,或者考慮其斷氣和斷信號(hào)時(shí)的保位功能,較常見的是只考慮斷氣保位功能,即常說的工程上的保位。

實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的故障保位就要求調(diào)節(jié)閥在設(shè)計(jì)上設(shè)有故障時(shí)安全的“三斷”保護(hù)措施。實(shí)際工程中,調(diào)節(jié)閥的故障保位方案有多種,所需的附件亦是多種多樣。下面就單作用調(diào)節(jié)閥的“三斷”保位措施進(jìn)行分析。

2.1 斷電保位措施

a)采用兩通電磁閥,其連接如圖2所示。在定位器的輸出氣源信號(hào)到控制閥膜頭之間的線路上加接一通電開的兩位兩通電磁閥FY-001,其電源與控制閥的電源回路串接在一起。當(dāng)控制閥的電源出現(xiàn)故障時(shí)(失電或者電源低于限定值),該電磁閥動(dòng)作,定位器與膜頭之間的氣路被關(guān)斷,電磁閥后的氣路成為封閉的氣路,保持關(guān)斷前的壓力加在調(diào)節(jié)閥的膜頭上,從而使調(diào)節(jié)閥的開度維持在故障前位置,實(shí)現(xiàn)失電保位的功能。

b)采用智能定位器。有些閥內(nèi)部具有電磁閥的智能定位器,可以通過編程或者附加輸入功能來鎖定閥位或者驅(qū)動(dòng)閥門達(dá)到保位功能。目前智能閥門定位器的應(yīng)用還不是很普遍,而且各個(gè)廠家的產(chǎn)品“智能”程度不一,在選用時(shí)需要注意內(nèi)部是否有氣路切斷電磁閥。

圖2 采用兩通電磁閥的保護(hù)方案

2.2 斷氣保位措施

a)采用氣動(dòng)保位閥。對(duì)于氣源故障的保位來說,氣動(dòng)保位閥是首選附件,用于重要自動(dòng)控制回路中作為安全保護(hù)裝置的氣動(dòng)單元組合輔助單元。氣動(dòng)保位閥(又叫氣動(dòng)鎖止閥)本身是一種單彈簧結(jié)構(gòu)。單作用定位器可選用單通道氣動(dòng)保位閥,雙作用定位器可選用雙通道氣動(dòng)保位閥。當(dāng)控制系統(tǒng)氣源故障(失氣)時(shí),氣動(dòng)保位閥自動(dòng)關(guān)閉,將定位器的輸出信號(hào)壓力鎖定在氣動(dòng)控制閥的膜室內(nèi),輸出信號(hào)壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡,氣動(dòng)控制閥的閥位保持在故障位置,以保證工藝過程正常進(jìn)行,直至氣源事故消除,正常供氣后保位閥自動(dòng)打開恢復(fù)正常工作。氣源保位閥應(yīng)設(shè)定在略低于氣源的最小值時(shí)啟動(dòng)。

聚酯項(xiàng)目現(xiàn)場的終聚釜入口的液位控制閥LV-11602,為最終反應(yīng)器R-101的進(jìn)料液位控制閥,反應(yīng)器出口的高溫熔體要求精確的黏度控制以保障產(chǎn)品的質(zhì)量,黏度控制的兩個(gè)關(guān)鍵因素是溫度和壓力穩(wěn)定;要控制溫度和壓力穩(wěn)定,進(jìn)料液位就必須連續(xù)、穩(wěn)定,否則液位波動(dòng)就會(huì)波及溫度和壓力,溫度控制精度要求0.1%,否則就會(huì)產(chǎn)出色澤較差的成品絲。除了在投產(chǎn)之初該閥關(guān)閉,一旦打開生產(chǎn)運(yùn)行之后,就必須持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)料,保證產(chǎn)品的質(zhì)量;所以設(shè)計(jì)要求該調(diào)節(jié)閥氣源故障保位。采用的保位措施就是利用Type 167DA保位閥,其連接原理如圖3所示。

圖3 采用氣動(dòng)保位閥的保護(hù)方案

b)閉鎖閥,也稱氣控?fù)Q向閥。顧名思義,故障時(shí)可轉(zhuǎn)換氣路流向的氣控元件。它是氣源故障保位另一種方案中采用的重要附件。該方案由儲(chǔ)氣罐、止回閥、閉鎖閥、截止閥等組成。其工作原理如圖4所示。

圖4 采用閉鎖閥的保護(hù)方案

當(dāng)氣源故障(失氣)時(shí),止回閥關(guān)閉,閉鎖閥信號(hào)檢測失氣,閉鎖閥的滑閥在彈簧的作用下復(fù)位,氣路換向,進(jìn)口1與信號(hào)出口斷開,切斷系統(tǒng)的氣源管路,儲(chǔ)氣罐管路進(jìn)口2與信號(hào)出口接通,由儲(chǔ)氣罐向閥門供氣,可以保證閥門有若干次動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制的目的。由于儲(chǔ)氣罐的容量有限,且儲(chǔ)氣罐中的氣源壓力會(huì)隨著閥門動(dòng)作不斷下降,所以不可過長時(shí)間地使用儲(chǔ)氣罐為閥門供氣。該方案在氣源故障時(shí),閥門動(dòng)作的次數(shù)與儲(chǔ)氣罐的容量有關(guān)。

2.3 斷信號(hào)保位措施

對(duì)于常見的使用電-氣轉(zhuǎn)換器和氣動(dòng)閥門定位器的控制閥來說,斷信號(hào)保位措施如圖5所示。即將來自控制室的4～20 mA信號(hào)同時(shí)引至電子開關(guān)(失電檢測器),再由電子開關(guān)控制一個(gè)接在定位器輸出到膜頭的管路上的兩位直通電磁閥。當(dāng)控制回路的信號(hào)缺失時(shí),電子開關(guān)會(huì)使兩位直通電磁閥失電關(guān)閉,將定位器的輸出信號(hào)壓力鎖定在氣動(dòng)控制閥的膜室內(nèi),原理同2.2中斷氣保位措施一樣,只是該措施的檢測信號(hào)受控于來自控制室的信號(hào)。由于此種故障時(shí)現(xiàn)場閥位的信號(hào)無法由原來的通道反饋回總控室,因此需要添加位置反饋信號(hào)給總控,信號(hào)由閥位信號(hào)返回器給出。

對(duì)于比較普遍的使用電-氣閥門定位器的控制閥來說,采用兩線制的接線方式,只需要采取“兩斷”(斷氣、斷信號(hào))的保護(hù)措施即可,系統(tǒng)調(diào)試稍麻煩一點(diǎn),能夠普遍適用于防爆要求嚴(yán)格的場合。需要指出的是,保位閥在氣路切斷后,只能在短時(shí)間內(nèi)維持氣壓穩(wěn)定,如果需要較長時(shí)間的閥位穩(wěn)定,則必須采用配置閉鎖閥的方案來確保故障保位較長時(shí)間的實(shí)現(xiàn)。

3 “三斷”保位綜合分析

由以上分析得出:在一些需故障保位場合,如果在斷電不斷氣的情況下,可用通電開的二通電磁閥實(shí)現(xiàn)保位功能,在斷氣不斷電的情況下,可采用保位閥或者閉鎖閥實(shí)現(xiàn)該功能。對(duì)一些特別重要的場合,為防止斷電、斷氣帶來的影響,可同時(shí)用二通電磁閥和保位閥。為減少在現(xiàn)場安裝時(shí)的不必要麻煩,可由閥門生產(chǎn)廠家完成系統(tǒng)的成套安裝工作,從而提高系統(tǒng)的可靠性。用戶只要在控制閥訂貨時(shí)注明故障時(shí)保位(Fail to lock)即可。對(duì)于雙作用的調(diào)節(jié)閥的保位原理同上,只不過是在雙作用的控制氣路管線上各自添加保位閥和電磁閥,確保故障時(shí)將兩個(gè)氣室的壓力鎖定。

圖5 斷信號(hào)的保拉措施

以上為硬件方面實(shí)現(xiàn)的故障保位。其實(shí)在DCS內(nèi)部,還有一種故障“保位”,就是在DCS內(nèi)部信號(hào)的“軟保位”。所謂的“軟保位”,就是DCS內(nèi)部檢測到模擬輸入信號(hào)為壞質(zhì)量(Bad)或者DCS部分輸入卡件通道故障時(shí),針對(duì)裝置的關(guān)鍵儀表位號(hào)的輸出通道的電位信號(hào),在軟件內(nèi)部設(shè)置的“信號(hào)保持”功能,故障時(shí)可設(shè)置輸出為0,100%或者是Hold。它可以在DCS某些卡件故障時(shí),不會(huì)引起關(guān)鍵儀表輸出的波動(dòng)而影響生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。但是這種輸出保位僅局限于輸入無信號(hào)或者壞質(zhì)量時(shí),輸出信號(hào)后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能否真正地實(shí)現(xiàn)保位無法保障,所以只能說是部分意義的故障保位。

關(guān)于控制系統(tǒng)的“三斷”保護(hù)措施,很多的閥門廠家針對(duì)工程實(shí)例中的不同需求,已經(jīng)研制開發(fā)了多種不同的措施來確?？刂葡到y(tǒng)的各種隱患所導(dǎo)致的安全保位方案。

雖然保位實(shí)現(xiàn)的方法各有特點(diǎn),但保位的內(nèi)容和意義并未改變。相信隨著科技的發(fā)展,自控技術(shù)將會(huì)日趨完善,控制策略實(shí)現(xiàn)的方式也將日趨精細(xì)。

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