啤酒行業(yè)水錘的檢測(cè)與消除

隨著啤酒工業(yè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，泵和自動(dòng)閥門應(yīng)用越來(lái)越多，相應(yīng)地水錘現(xiàn)象也增多。嚴(yán)重的水錘有很大的破壞性，可導(dǎo)致管道破裂、閥板變形、換熱器泄露、泵葉輪損壞、儀表變形、設(shè)備撕裂等等，交鑰匙項(xiàng)目調(diào)試的重要任務(wù)之一就是消除其發(fā)生。樂(lè)惠國(guó)際與百威集團(tuán)多次進(jìn)行糖化系統(tǒng)和發(fā)酵系統(tǒng)的項(xiàng)目合作，雙方群策群力，找到了不少應(yīng)對(duì)水錘的方法。

一、排查方法

水錘發(fā)生的時(shí)間很短且極難捕捉，常用的檢查方式有兩種。

根據(jù)工藝步驟全面排查。將生產(chǎn)步驟和CIP 步驟制成檢查清單，每次生產(chǎn)和CIP 時(shí)安排人員到正在運(yùn)行的設(shè)備和管路附近監(jiān)聽(tīng)，并人工記錄水錘發(fā)生的時(shí)間，然后再將水錘發(fā)生的時(shí)間反饋給自動(dòng)化工程師，由自動(dòng)化工程師對(duì)照工藝執(zhí)行記錄查找分析該時(shí)間點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行具體工況，再判斷可能導(dǎo)致水錘的原因。

根據(jù)設(shè)備狀態(tài)查找。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的情況判斷，通過(guò)排查管卡松動(dòng)脫落的情況，分析閥門密封圈和閥板損壞泄露的數(shù)據(jù)等方法判斷水錘發(fā)生的地點(diǎn)，再由自動(dòng)化工程師查看相應(yīng)程序和工藝步驟。

使用噪聲和振動(dòng)傳感器來(lái)捕捉。以上兩種方法工作量大，時(shí)效性差，而利用噪聲傳感器和振動(dòng)傳感結(jié)合的方式來(lái)檢測(cè)，高效且節(jié)約時(shí)間，24 小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)避免了人為因素影響。這種方法應(yīng)用大致分為三步。

定位水錘發(fā)生時(shí)間。安裝噪聲傳感器，并接入PLC，數(shù)據(jù)接入上位機(jī)操作系統(tǒng)中。創(chuàng)建噪聲模擬量曲線，在操作系統(tǒng)中增加模擬量曲線。噪聲曲線的分析，曲線制作后每周定期查看，對(duì)于噪聲值高的點(diǎn)進(jìn)行分析，噪聲設(shè)置上限報(bào)警，輸出報(bào)警信號(hào)。根據(jù)噪聲的報(bào)警時(shí)間以及傳感器的安裝位置，可以判斷出水錘發(fā)生的時(shí)間，工程師進(jìn)入程序后臺(tái)可以查看在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上噪聲傳感器附近的哪些管路和閥門發(fā)生過(guò)狀態(tài)的改變，也可以判斷出水錘可能發(fā)生在哪些管道閥門上，再在這些可能的管道閥門上安裝振動(dòng)傳感器。

圖. 1

定位水錘發(fā)生位置。安裝振動(dòng)傳感器，并將噪聲傳感器接入現(xiàn)場(chǎng)PLC，數(shù)據(jù)接入上位機(jī)操作系統(tǒng)中。創(chuàng)建振動(dòng)模擬量曲線，在操作系統(tǒng)中增加模擬量曲線。振動(dòng)曲線的分析，對(duì)振動(dòng)值高的點(diǎn)進(jìn)行分析，振動(dòng)值設(shè)置上限報(bào)警。

輸出水錘報(bào)警信息。在系統(tǒng)中制作與工藝生產(chǎn)步驟關(guān)聯(lián)的報(bào)警信息，振動(dòng)監(jiān)測(cè)超上限時(shí)輸出報(bào)警信息。此水錘檢測(cè)的新方法就是利用噪聲和振動(dòng)傳感器基于原有控制系統(tǒng)，捕捉出導(dǎo)致水錘產(chǎn)生的工藝步驟。噪聲傳感器捕捉到水錘發(fā)生時(shí)間，振動(dòng)傳感器測(cè)量該時(shí)間點(diǎn)有動(dòng)作切換的管道振動(dòng)，識(shí)別水錘具體發(fā)生的管道、閥門和工藝步驟，這樣自動(dòng)化工程師就能準(zhǔn)確判斷導(dǎo)致水錘的原因，及時(shí)調(diào)整工藝或硬件控制來(lái)消除水錘的影響。

二、檢測(cè)傳感器的選擇和安裝

傳感器的選擇。建議至少配置一套噪聲傳感器和四套振動(dòng)傳感器。噪聲傳感器的規(guī)格選擇輸出4-20 毫安，便于接入PLC 中，檢測(cè)范圍20-130 分貝。振動(dòng)傳感選用了IFM 的VTV121，量程0-50，或者VTV122，量程0-25。帶有磁力底座的振動(dòng)傳感器，便于安裝和移動(dòng)。如圖1。

圖. 2

噪聲傳感器安裝。安裝到需要檢測(cè)區(qū)域的中間位置，建議安裝到配電柜下方備用穿線孔，傳感器前端避免覆蓋和遮擋影響噪聲采集效果，如圖2。

振動(dòng)傳感器安裝。根據(jù)噪聲傳感器檢測(cè)到的噪聲值高點(diǎn)時(shí)間，程序中自動(dòng)關(guān)聯(lián)在該時(shí)間點(diǎn)運(yùn)行的設(shè)備管路有哪些，根據(jù)程序提示的管路清單將振動(dòng)傳感器安裝到相應(yīng)位置并進(jìn)行命名或編號(hào)，根據(jù)管路流向?qū)⒄駝?dòng)傳感器安裝的需要檢測(cè)的閥門前端，可同時(shí)安裝多個(gè)振動(dòng)傳感器進(jìn)行多路檢測(cè)。如圖3。

圖. 3

三、消除方法

1.恒壓供水導(dǎo)致的水錘

生產(chǎn)中存在如釀造水、熱水、脫氧水、冷凍站供冷媒等等大量的恒壓管路，恒壓供水時(shí)，因?yàn)楣芫W(wǎng)用水點(diǎn)多且輸送距離長(zhǎng)短不一，在泵出口雖然有變頻恒壓供水，但在各用水點(diǎn)閥門開(kāi)啟時(shí)往往極易產(chǎn)生水錘，如何解決恒壓供水的水錘？經(jīng)理論結(jié)合實(shí)際有如下有效的解決方法。

氣動(dòng)閥門使用雙向氣管節(jié)流閥，使氣動(dòng)閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間可控，避免快速開(kāi)啟或關(guān)閉閥門時(shí)產(chǎn)生水錘?？刂崎y門的開(kāi)啟和關(guān)閉速度（DN100 閥控制8-10S），防止閥門開(kāi)啟或者關(guān)閉太快導(dǎo)致的水錘或者大的管道振動(dòng)；或者背靠背安裝串聯(lián)兩個(gè)單向節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)雙向可調(diào)節(jié)流功能，注意不單獨(dú)使用單向節(jié)流閥。見(jiàn)圖4.

圖. 4

優(yōu)化恒壓供水泵的控制邏輯。

固定開(kāi)度和PID 調(diào)節(jié)相結(jié)合的智能控制方法：當(dāng)某個(gè)大流量使用點(diǎn)要關(guān)閉時(shí)，如果此時(shí)突然關(guān)閉此控制點(diǎn)，由于慣性和泵出口壓力反饋有滯后性，很易在總管路內(nèi)憋壓并產(chǎn)生水錘，此時(shí)最好的方法是根據(jù)此使用點(diǎn)對(duì)應(yīng)的固定泵開(kāi)度（如20%）,泵開(kāi)度先行減少此開(kāi)度，再 關(guān)此閉此控制點(diǎn)閥門，最后泵PID 微調(diào)節(jié)出口壓力在設(shè)定的壓力上進(jìn)行恒壓供水，這種方法可以最大化減少水錘的發(fā)生。

當(dāng)無(wú)用水時(shí)（出水流量小于50hl/h），恒壓供水管路壓力下降到1bar；有用水時(shí)（出水流量大于100hl/h），恢復(fù)原設(shè)定供水壓力；恒壓供水設(shè)定壓力需要根據(jù)管道工況計(jì)算，參考控制在4.5bar 以下，不宜過(guò)高；有條件的情況下管道內(nèi)介質(zhì)流速建議不超過(guò)1.5m/s，流速超過(guò)1.5m/s 時(shí)水錘發(fā)生的頻率會(huì)增加。

如果閥門后的用水點(diǎn)20 米，需要調(diào)整延長(zhǎng)節(jié)流時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)節(jié)，逐漸增加節(jié)流時(shí)間直至水錘現(xiàn)象消除。若閥門后用水管路超過(guò)50 米，使用雙向節(jié)流閥無(wú)法解決水錘現(xiàn)象，需要將氣動(dòng)執(zhí)行器更換為帶比例調(diào)節(jié)功能的氣動(dòng)執(zhí)行器。如圖5。

如上圖蝶閥使用閥門控制器，階段控制閥門開(kāi)度，緩慢開(kāi)啟和關(guān)閉閥門，建議閥門開(kāi)過(guò)程：閥門20%開(kāi)度保持50S（根據(jù)管路長(zhǎng)度調(diào)整），閥門30%開(kāi)度保持5S，閥門50%保持5S，100%；閥門關(guān)過(guò)程：閥門50%保持5s,閥門35%保持5s，閥門20%保持5s，閥門10%保持5s，閥門關(guān)閉。

適用的案例位置：CIP站使用熱水/釀造水進(jìn)行水洗時(shí)。

2.CIP 站供應(yīng)和步驟切換時(shí)產(chǎn)生的水錘

圖. 5

CIP 站路徑需要切換，嚴(yán)禁直接程序切換，需要等待上個(gè)程序結(jié)束后再重新檢查新的CIP 路徑的再次啟動(dòng)；若CIP 介質(zhì)需要切換，也要執(zhí)行先停泵后再切換介質(zhì)閥門程序。

CIP 站壓力和流量需要連鎖檢查，避免閥門或管路堵塞，導(dǎo)致水錘產(chǎn)生并且清洗不干凈或者超壓，如常規(guī)罐體清洗是控制出口壓力，但如果洗球脫落，這時(shí)壓力往往無(wú)法達(dá)到設(shè)定值，泵會(huì)開(kāi)至最大運(yùn)行，但如果此時(shí)連鎖流量控制，就能發(fā)現(xiàn)此時(shí)有異常，流量超限會(huì)報(bào)警，壓力與流量不匹配，提供操作工去檢查處理。

對(duì)于舊生產(chǎn)線，由于無(wú)接近開(kāi)關(guān)無(wú)法對(duì)每個(gè)閥門路徑確認(rèn)，建議在CIP 站供出管路安裝安全閥，即使產(chǎn)生水錘也可以及時(shí)泄壓，以至不會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損壞。

3.大流量泵盡量采用變頻控制，并且泵開(kāi)啟/關(guān)閉全部采用爬坡形式控制，避免流量、壓力大幅度跳動(dòng)，造成水錘或流量波動(dòng)。

4.管路安裝的正確方法

管廊上管路采用滑動(dòng)式的管托，并設(shè)置滑動(dòng)點(diǎn)和固定點(diǎn)，避免水錘造成管路偏移、變形；

長(zhǎng)距離輸送管路每50-100m 間設(shè)置U 型膨脹彎，滿足溫度、應(yīng)力距離補(bǔ)償。

大閥陣間設(shè)置衛(wèi)生型膨脹節(jié)，滿足拉力應(yīng)力補(bǔ)償，并具備防漏檢測(cè)功能。

雙座閥安裝時(shí)盡可能滿足以下條件：閥門開(kāi)啟方向與酒體流向保持一致，有利于閥門開(kāi)啟；閥門關(guān)閉方向與酒體流向保持相反，利于閥門緩慢關(guān)閉，避免水錘產(chǎn)生。

蒸汽總管一定距離安裝管路疏水點(diǎn)，蒸汽端進(jìn)設(shè)備前安裝集水井，從總管取蒸汽需從總管頂部取，忌從底部取等等。

5.閥門開(kāi)關(guān)慢導(dǎo)致的水錘

對(duì)于較大閥門氣缸，氣缸有時(shí)無(wú)法及時(shí)排氣，導(dǎo)致閥門無(wú)法及時(shí)開(kāi)關(guān)到位而導(dǎo)致水錘，如：糖化麥汁/醪液管道閥門氣缸開(kāi)關(guān)緩慢，導(dǎo)致水錘產(chǎn)生，產(chǎn)生閥板變形、閥體裂痕。

解決方法：閥門氣缸的控制氣管靠近氣缸處增加快速排氣閥，讓閥門氣缸能夠快速排氣，閥門開(kāi)關(guān)順暢。

6.手動(dòng)閥門開(kāi)關(guān)時(shí)導(dǎo)致的水錘

部分系統(tǒng)水錘來(lái)自操作工開(kāi)關(guān)手動(dòng)閥門太快，需要培訓(xùn)員工操作手動(dòng)閥門時(shí)緩慢開(kāi)關(guān)（控制在6S-8S 左右）。

以上只列舉了部分水錘的消除方法，實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)了大量設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維護(hù)的細(xì)節(jié)經(jīng)驗(yàn)，不再贅述。

水錘的發(fā)生隨著壓力、溫度、流速、介質(zhì)、設(shè)備等各種因素的影響不斷的變化，釀造工藝的改變往往帶來(lái)新的水錘發(fā)生，所以消除水錘的工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期的活動(dòng)，需要釀造團(tuán)隊(duì)、維護(hù)團(tuán)隊(duì)、設(shè)備供應(yīng)商不斷的檢查發(fā)現(xiàn)，并分析消除，避免潛在的設(shè)備故障，提升整體釀造設(shè)備的可靠性和效率，最終提升產(chǎn)品質(zhì)量，保證啤酒質(zhì)量的一致性。