智能化控制閥在石油化工中的應用設計探究

曹駿CAO Jun

（安徽實華工程技術股份有限公司，安慶 264000）

0 引言

過程控制工業(yè)中控制閥是常用的終端控制元件，在石油化工行業(yè)生產過程中有著很大的作用意義，歷往石油化工在進行生產工作時，經常會出現安全事故，對化工企業(yè)的人員和經濟效益造成很大威脅。這其中閥門自身結構質量是重要的影響因素，如果閥門沒有在正確的環(huán)境中進行安裝，同時安裝出錯，很容易導致閥門質量存在問題，并且自身智能化程度關乎其自我診斷的效果，如果診斷故障就不能在問題發(fā)生后報警，最后閥門損壞，造成生產事故。此外閥門運行時需保持在額定參數范圍內，并且需要工作人員定期對閥門進行檢查，及時發(fā)現故障，如果閥門一直處在超負荷工作狀態(tài)中，會導致相關零件破損，同時如果閥門選型與實際生產裝置不搭配，也會出現安全問題。

1 控制閥定義

控制閥，又稱調節(jié)閥，是工業(yè)過程控制中的主要執(zhí)行單元儀表，通過接受調節(jié)控制單元輸出的控制信號，借助動力操作去改變流體流量?？刂崎y一般由執(zhí)行機構和閥門組成。如果按其所配執(zhí)行機構使用的動力，控制閥可以分為氣動、電動、液動、手動與自力式五種，即以壓縮空氣為動力源的氣動調節(jié)閥，以電為動力源的電動控制閥，以液體介質（如油等）壓力為動力的電液動控制閥，手動操作的手動控制閥、依靠流經閥內介質自身的壓力或溫度作為能源驅動的自力式調節(jié)閥，另外，按其功能和特性分，還有電磁閥、電子式、智能式、現場總線型控制閥等[1]。

2 石油化工行業(yè)中智能化控制閥的設計故障問題以及功能要求

現階段，各大企業(yè)、工廠逐漸走向智能化生產的發(fā)展方向，傳統生產方式難以在現今時代發(fā)揮優(yōu)勢，相關企業(yè)在生產環(huán)節(jié)應注重對數字化技術的利用，使用微機控制技術來取代傳統的人為操作，加強對智能化閥門儀表的利用，加強現代化企業(yè)生產建設。不過目前智能化控制閥在具體使用過程中還存在一定的問題，需要做好革新與強化工作。

2.1 工藝及設計引起的故障

①工藝參數變化而導致管道壓差變大等原因導致閥門無法動作。

②閥體受到介質的影響而結垢，引起閥門動作異常。

③因管道堵塞引起的閥門不能正常動作。

④設計選型不當，導致執(zhí)行機構偏小，力矩不夠，閥門難以正常動作，或閥體材質不合適，導致閥體損壞[2]。

2.2 原因對策

①由于承受過大壓差導致控制閥無法正常開啟。優(yōu)化處置方法：在控制閥前后加裝1臺旁通閥。

②因工藝原因閥體結垢而導致控制閥不能正常開啟。優(yōu)化處置方法：增加沖洗水管，另外定期拆開閥門清洗閥體，必要時打磨閥芯。

③管道堵塞導致控制閥不能動作。優(yōu)化處置方法：優(yōu)化操作方式，盡量不使管道堵塞，另外拆開管道沖洗閥門。

④關于設計選型問題。優(yōu)化處置方法：在設計階段盡量對各種工藝參數進行優(yōu)化，確保選型時不會因為工藝參數不準導致選型出現問題。

3 智能化控制閥設計要求

3.1 控制閥模塊化設計

在設計控制閥中的智能操作系統以及其制定組織的配套設計時，需要選擇無管道連線，從系統結構入手，按照控制閥類型來劃分模塊，功能不變部分可稱之為通用模塊，功能變化部分則為專用模塊，并獨立開發(fā)各模塊性能，圖一為模塊化控制閥模塊組合。同時自身的抗震動以及堅固性能應得到強化，并且在具體安裝時應加入靈活性、多樣化的特征，確保其能夠自由調節(jié)安裝方向，另外需要安裝的附件也應進一步優(yōu)化，力求能夠穩(wěn)定、迅速、簡易的完成安裝流程，符合安裝現場總線的相關要求。另外和控制閥有關的零件，應該具有統一的用途，在不同口徑閥門中盡量使用相同的零部件。在具體設計產品過程中，不光要保證多樣性、功能優(yōu)化的特點，同時智能化控制閥的靈敏度以及工作效率等應該進一步強化[4]。

圖1模塊化控制閥模塊組合示意圖

3.2 智能化設計

在設計控制閥環(huán)節(jié)中，控制方式較常用的有兩種，分別為氣體控制以及電動控制。前者主要作用在定位器方面，而護著是在電動執(zhí)行機構中體現作用。在數字技術的運用層面中，智能控制閥的控制核心主要通過數字智能定位器與電動機構向結合的方式而形成，使用數字通訊在總線上傳送控制閥內的流量，同時可以通過智能裝置來實現信號聯系，進而省略了主控系統的連接流程，只要在智能變送器的調節(jié)閥中連接一個相關信號，就能實現控制現場的工作，而主處理的工作狀態(tài)得到加強。通過這種智能化設計，能夠將工作情況通過工作設備的人機界面來實時顯示，在這個過程中，報警歷往信息、實時報警信息、數據報表、歷史報表等都能快速采集，并通過建立曲線模型等方式來講控制閥工作狀況清晰的顯示出來。

同時所設計的智能化控制閥應具有自我診斷以及自我診斷功能，如果構成回路的某一環(huán)節(jié)產生故障，就可以通過網絡報警，同時各個裝置可以實時的相互質詢，確保故障得到排除。

3.3 安全性能設計

在為石油化工行業(yè)設計智能控制閥時，應將安全性能作為第一考慮要素，在選擇智能化控制閥的材料時，應注重耐高壓、高溫、燃燒等性能，最大化降低使用故障，提高產品生命使用周期。同時其自身的操動機構要保證具有很高的安全性能，進而在使用閥門的過程中不會出現誤開誤關等失靈故障，增大生產成本。

3.3.1 控制閥（調節(jié)閥）降壓系統在選擇時需要考慮的因素

控制閥作為一種終端部件而應用在設備的過程控制系統中，是化石工廠慣常使用的執(zhí)行器，根據系統要求，控制閥在工作時應盡可能消耗更低的能量，同時可以匹配系統的工作特性。但這兩個要求在實際過程中并不互通，很難同時滿足。在得到同樣流量的條件下，如果控制閥口徑小，且其他阻力因素固定，將得到較大的總阻力，系統總壓降大。如果物體流量是由泵來推動的，就說明選擇泵與電機時需要選擇大功率類型，這將造成大量能耗。

管道系統存在的介質如果增加流速，管道上安裝的各部件在流體經過時而形成的流體壓降會呈現一連串動態(tài)變化，而控制閥作為管道控制流體的重要部件，其形成的流體壓降很容易被忽略，而這個問題如果不被重視，很容易出現問題。就控制閥相關系統問題來研究，應先掌握控制閥本身情況，而它的降壓與系統動態(tài)平衡之間的關系也應考慮在內[5]。

而對應泵在該系統存在的壓力特性方程為：

ΔPfo表示泵出口壓力增壓在零流量時的常數；ρ為液體位液體介質質量密度；F為液體介質的質量流量；

在這個基礎上可以來探討一下系統調節(jié)閥存在的最大壓降與最小壓降。

3.3.2 基于控制閥的氣蝕現象應考慮的問題

在使用控制閥時需要采取防護措施，最大程度降低氣蝕現象的出現，可以在控制閥上下游位置安裝截止閥或氣流孔板，以此對其壓降特性進行調節(jié)，此方法適用于小流量情況，同時內件在選擇時應帶有反氣蝕功能，以此來有效防護氣蝕，有助于在調節(jié)閥內改變流體流速變化，加大內部壓力?？刂崎y的材質選擇應盡量具有較硬的特質，這樣如果發(fā)生氣蝕，控制閥自身耐磨性和抗沖蝕性得到加強，即使氣蝕存在，短時間內也不會對控制閥捏肩造成損壞，而控制閥的材質屬于軟性質，難以具有較好的耐磨性以及抗沖蝕性，進而發(fā)生氣蝕很快就會磨碎內部構造，控制閥使用壽命降低，無法正常工作。現階段工程材料沒有什么能在嚴重氣蝕條件下產生很大作用，因此需要根據客觀情況來對相關問題綜合分析，確保后續(xù)處理方式有效合理，最大化降低控制閥的損耗?？箽馕g應用中常見的直行程控制閥內件多采用以下三種典型的設計：如圖2：a的套筒型閥籠設計，小孔設計是主要特點，通過各小孔來噴射液體，以此互相碰撞閥籠中心，一方面利用碰撞進行動能消耗，起到緩沖作用；另一方面氣蝕形成的氣泡破裂發(fā)生在閥籠中心，也就避免了對閥內件的直接破壞。第二種則是運用多級降壓原理在設計，流體壓差分配在整個多級閥籠流道，這樣每一級閥內件承受的壓降都要遠遠小于總體的壓降，在多級壓降設計中建議采用不均勻的壓降分布，如圖3所示，這種設計可使得最后一級閥內件承受最小的壓差，從而更容易消除氣蝕破壞的風險。其中典型多級降壓法內件設計可參考圖2：b、c，前者使用介質較干凈的工況，后者則是臟污氣蝕工況更適應[7]。

3.4 防漏與防噪聲

智能化控制閥的防漏功能主要發(fā)揮在那內漏與外漏方面上，在其中閥座結構以及填料質量是重要的取決因素，想要將這種問題有效解決，主要有三種方案：其一是將螺紋結構進行優(yōu)化，以此讓閥座得到更密封的效果性能。其二則是設計填料新鄉(xiāng)密封箱，使用特殊材料并采用V形填料設計方式來加強密封性，加入微型密封圈、防塵圈，避免損壞密封元件。其三則是將填料的材質進行優(yōu)化完善，提高填料的可運行時長[8]。

在生產環(huán)節(jié)，控制閥的應用會帶來一定的噪聲，這很容易影響到生產線員工的正常工作，為此要加強噪聲優(yōu)化設計，在設計時可以利用多空套筒式、多級套筒式、迷宮式結構來將噪聲有效優(yōu)化，最終效果通常能降低10-20db的噪聲。同時在具體設計環(huán)節(jié)應不斷將防噪音技術進行創(chuàng)新與強化，加強對優(yōu)質材料的運用，提高防噪聲效果，塑造更良好健康的工作環(huán)境，同時維護生態(tài)環(huán)境。另外為了更有效的控制噪聲，閥的操作條件需要進一步優(yōu)化，實現降低、消除噪聲的目的。控制閥工作環(huán)節(jié)，需要分析具體噪音情況，只有掌握噪音出現機理才能對控制閥工作狀態(tài)進行有效監(jiān)視，并針對問題制定相適應的處理方案。

①機械類震動。即套筒內的閥芯在水平運動時所產生的噪音，可以通過減小閥芯和套筒間隙或套筒表面材質選擇硬質材料來減輕噪音。②固有頻率震動?？刂崎y的閥芯以及相應組建都存在固定的震動頻率，為了降低這個原因產生的噪音，可以在鑄造、鍛造環(huán)節(jié)改變閥芯特性來實現，或將閥芯類型進行更換。③閥芯不穩(wěn)定性?？刂崎y流體壓力會由于閥芯振蕩性位移而產生波動，形成噪音。想要優(yōu)化這種現象，通常要對執(zhí)行器等存在的阻尼系數進行調節(jié)，也可以觀察閥芯位移方向，并在其中填設減振設施。④介質的力學流動性?？刂崎y或管道中的介質在流動時會產生噪音，氣蝕現象也會出現噪音，對于這種問題處理方法本文就直接省略了。

但一些噪音以現下的技術是無法消除的，只能做好保護措施，及佩戴耳塞等。

圖2常見的抗氣蝕閥籠示意圖

圖3單級與多級分布壓降分布比較示意圖

3.5 提高工作效率

在對智能化控制閥進行設計時，應注重加強其工作性能，以此提高工作效率，具體方法如下，首先是注重控制閥自身的密封效果，通過有效強化能夠促使安全性得到提升。而控制閥在生產過程中會產生耗氣量，因此設計環(huán)節(jié)應該對這個問題進行優(yōu)化，可以考慮使用數字式智能定位器以及硅微控制原理，由于控制閥耗氣并不是連續(xù)性的，通過定位器動作可以實現有效排氣，而其與時間則是關閉的。其次，啟動操作機構可以使用多彈簧噴氣裝置來構成，以此避免操作機構受到腐蝕，為內部結構提供保障，同時有助于操作機構延長自身使用壽命。

3.6 控制閥安裝時的注意事項

首先要適當調整安裝閥門的文職，確保其與地面存在一定距離，并且上下部分的空間也要保持充足，保證后期閥門維護以及拆賬環(huán)節(jié)能夠順利進行，便于操作，如果閥門需要定位器或手輪調節(jié)閥來輔助安裝，要確保操作的便捷性，便于觀察，進而能夠及時發(fā)現問題進行調整。要提前清楚管道存在的異物，像是焊渣、污垢等，保證在安裝之間管道干凈整潔。針對后期涉及到的手動操作，應設定旁通管道來提高操作便捷性，降低操作難度，同時控制閥出現問題也能便于檢修。另外控制閥所安裝的管道要保持水平，并且管道與閥門處于上下垂直狀態(tài)，常規(guī)來說，會加固控制閥的下面部位，以此促使控制閥更加穩(wěn)固。安裝控制閥是要盡可能避免閥門形成的附加盈利。如果工藝管道的口徑與控制閥不一致，應使用異徑管，小口徑類型調節(jié)閥，可以使用螺紋異徑管連接來完成安裝工作。安裝時要保證控制閥流體方向與實際工況方向相一致。如果現場條件充足，閥的前后應存在大于管道直徑十倍的直管段。

4 結束語

社會在不斷進步，同時相關科學技術也在不斷更新，化石工程應加強智能控制閥的使用和開發(fā)，提高生產效能?，F階段智能控制閥仍然存在一定問題，在設計環(huán)節(jié)中應注重閥門的安全性建設，同時還要注重模塊化、小型化特征的優(yōu)化和完善，化工企業(yè)要加強投入力度，注重技術研發(fā)，促進生產自動化水平的提升，同時結合控制閥傳統系統控制經驗，不斷創(chuàng)新控制方法，為控制閥技術提升奠定基礎。