軋后冷卻調(diào)節(jié)蝶閥的應用和修復

李道圓

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司厚板廠,廣東 湛江 524072)

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展及對寬厚板產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高,采取軋后控制冷卻技術已成為提高寬厚板產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術,并廣泛應用于鄂鋼、萊鋼等鋼鐵廠。湛江鋼鐵4 200 mm中厚板軋后冷卻系統(tǒng),于2016年6月投入使用,由西門子奧鋼聯(lián)(SVAI)設計,整長24 m,由A、B、C、D等4段組成,每段6 m長。其中A、B兩段為高低壓通用,C、D兩段為低壓段。每段包含上下6對冷卻集管,集管間距1 m,每個冷卻集管裝配2個襯膠調(diào)節(jié)蝶閥,安裝方式為對夾式軟密封,總裝機量96個,從調(diào)節(jié)蝶閥行業(yè)技術水平現(xiàn)狀來說,根據(jù)現(xiàn)有相關資料,在閥門發(fā)展的這幾十年來,技術能力越來越好,調(diào)節(jié)蝶閥本身具備速度快、穩(wěn)定性強、精度高的性能[1-2]。但隨著時間的推移,閥門襯膠、密封等開始出現(xiàn)不同程度老化,帶來的問題是閥門動作響應慢、流量控制精度偏差,嚴重影響到工藝、產(chǎn)品的質(zhì)量[2],必須進行更換,而采購新品備件價格昂貴,對此下機的必須走修復途徑。本文圍繞著修復調(diào)節(jié)閥流量精度偏差大,流量過調(diào)、穩(wěn)定性差等問題,進行原因分析,并采取一系列的改進措施,提高修復件調(diào)節(jié)蝶閥的控制精度。

1 襯膠調(diào)節(jié)蝶閥原理及現(xiàn)階段問題

1.1 變參數(shù)PID控制器

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一,由于其算法簡單、魯棒性好及可靠性高,被廣泛應用于過程控制和運動控制中。然而實際應用過程往往具有非線性、時變不確定性,特別是當控制對象存在較大的慣性、非線性、強干擾性時,常規(guī)PID控制器很難利用事先整定好的PID參數(shù)來獲得較好的控制效果。為提高PID的控制性能,學者們提出了許多具有自適應性的PID控制器[3]。

PID控制算法是通過調(diào)節(jié)被控對象被測點信號的偏差量,由執(zhí)行機構改變控制量大小和調(diào)節(jié)方向,使輸出量達到或接近被測最優(yōu)點[4],如圖1所示。

圖1 被控系統(tǒng)PID控制過程框圖Fig.1 PID control process block diagram of the controlled system

1.2 襯膠調(diào)節(jié)蝶閥的控制原理

湛江鋼鐵4 200 mm中厚板軋后冷卻系統(tǒng)進行了優(yōu)化升級,設計了匹配襯膠調(diào)節(jié)蝶閥控制程序,采取了一種變參數(shù)的PID控制器,它根據(jù)冷卻流量大小的變化來整定不同的PID參數(shù)組,整個控制過程均分為10個子控制過程,再對每個子過程利用經(jīng)驗法、試湊法等工業(yè)上常見方法進行參數(shù)整定。當實際流量響應慢時,根據(jù)實際增加比例值,同時注意調(diào)節(jié)積分值,在響應速度達標的同時,保證良好的穩(wěn)定性,得到了很好的流量曲線,尤其在頭尾遮蔽上取得了突破性的進展。采用的是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。內(nèi)閉環(huán)為閥門開口度閉環(huán),外閉環(huán)為集管的流量閉環(huán)。流量設定值與實際值的偏差值輸入外閉環(huán)的PID控制器,得到閥門的開口度,閥門開口度設定值與實際值的偏差值再輸入內(nèi)閉環(huán)的PID控制器,得到閥門的4～20 mA的模擬量信號,而閥門的開口度又會影響到實際流量值。這樣,就形成了這套控制調(diào)節(jié)蝶閥動作的控制原理,見圖2。

圖2 調(diào)節(jié)蝶閥控制原理Fig.2 Control principle of regulating butterfly valve

現(xiàn)場蝶閥正常的流量曲線圖,閥門響應速度快,穩(wěn)定性強,在1 s左右完成大幅度的流量調(diào)整,且其最大動態(tài)流量偏差控制在10%以內(nèi),如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)閥的流量曲線圖Fig.3 Flow curves of control valve

1.3 閥門現(xiàn)階段使用問題

隨著時間推進,調(diào)節(jié)蝶閥的精度出現(xiàn)下降的趨勢,從PDA數(shù)據(jù)查看流量曲線,發(fā)現(xiàn)流量有異常波動,在流量閉環(huán)控制時,頭部遮蔽部分出現(xiàn)過調(diào)、偏差大、流量曲線中間部位的穩(wěn)定性能較差等問題。圖4的紅色部分可見,進行鋼板頭部流量遮蔽時,流量出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象,調(diào)節(jié)蝶閥無法精確快速回調(diào)。

圖4 流量精度偏差大Fig.4 Large deviation of flow accuracy

對狀態(tài)不好的閥進行更換,下機解體調(diào)節(jié)蝶閥后,發(fā)現(xiàn)閥體內(nèi)部的襯膠出現(xiàn)老化和脫落等現(xiàn)象,但蝶板本體無異常磨損,較為干凈,如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場襯膠損壞Fig.5 Rubber lining damage

2 調(diào)節(jié)蝶閥修復件使用情況

2.1 修復閥門的流量試驗

對此調(diào)節(jié)蝶閥進行了襯膠更換、清洗蝶閥表面污垢等維護,而蝶板與執(zhí)行機構沒有進行更換,保證了蝶閥結構的完整性,并進行流量試驗,在相同開口度下,分別進行模擬、原裝、修復件流量流阻試驗測試,并進行匯總。如表1所示,修復調(diào)節(jié)閥的總體流量偏小,且閥門打開到15%開度時,流量偏差較為明顯,修復后的流量整體趨勢偏小,與原裝閥門相比流量存在較大偏差。

表1 閥門流量試驗數(shù)據(jù)Table 1 Valve flow test data

流量系數(shù)Cv:5～38 ℃溫度范圍的水流經(jīng)閥門,兩端壓差為1 psi時,以美國gal/min計的流量數(shù)值,即Cv值。

根據(jù)標準《GB/T 30832—2014 閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗方法》測試并計算流量系數(shù)Cv值與流量特性曲線。

具體見式(1):

(1)

式中:Kv為閥門流通能力;Q為被測體積流量,m3/h;ΔPv為閥門上下游取壓口的壓力差,kPa;ρ為流體的密度,kg/m3;ρ0為15 ℃時的水密度,kg/m3。

Cv=1.167Kv

(2)

相同條件下修復件調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線與原裝閥門進行Cv值實驗,修復件的實際流量整體偏小,如圖6所示。

圖6 流量特性趨勢曲線Fig.6 Flow characteristic trend curve

修復蝶閥上機運行時,發(fā)現(xiàn)閥門在預充水,流量發(fā)生異常波動,且閥門大幅度進行調(diào)整流量時,頭部流量遮蔽出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象,整體流量精度趨勢無法受控,如圖7所示。

圖7 流量對比下存在異常波動Fig.7 Abnormal fluctuation under flow comparison

如圖8所示,修復蝶閥應用于B2上部,實際打開動作過程中,紅圈標記的部分實際反饋位置發(fā)生了跳變,且已檢測到閥門已打開,但實際還沒有檢測到水流量。

圖8 閥門位置異常跳變Fig.8 Abnormal valve position jump

2.2 原因分析

修復前調(diào)節(jié)閥襯膠損壞脫落,只對其襯膠進行更換,碟板的結構沒有進行更換,按現(xiàn)場設計管道水壓,以1 MPa的水壓進行泄露測試,為保證不漏水情況下,閥門關閉時過盈量調(diào)節(jié),閥門關閉越嚴,碟板與襯膠的摩擦力增大,閥門需打開的扭矩越大,就會存在動作遲緩,閥門已有開口度,但實際水流量還沒有流出,造成閥門打開到15%后才開始有明顯的水流量。

流阻試驗時,所使用的閥門定位器為機械式的定位器,機械式彈簧定位器在使用的過程中,存在人工讀取誤差,閥門動作誤差等因素,無法真實反饋出閥門的位置、流量,導致流量數(shù)據(jù)整體偏小。

3 解決方案及效果

3.1 解決方案

(1) 根據(jù)原裝閥門密封,進行材質(zhì)分析及流體尺寸測繪,進行優(yōu)化改進,改善密封接觸面位置。

(2) 優(yōu)化襯膠材質(zhì),提高襯膠抗擠壓變形能力,修正小開度流量。

(3) 更換新的襯膠后,調(diào)整好閥門關閉點的過盈量,減少蝶板與襯膠的摩擦力,修復好的調(diào)節(jié)蝶閥進行耐壓、流量試驗。

(4) 對于已經(jīng)上機調(diào)節(jié)閥調(diào)整執(zhí)行機構的機械關限位,同時現(xiàn)場來回動作閥門,一點點優(yōu)化調(diào)整關限位,確保閥門處于最佳的關位置,減少閥門的過盈量,達到減少閥門打開的扭矩。

3.2 應用效果

經(jīng)調(diào)整閥門的過盈量后,碟板與襯膠的摩擦力減小,閥門動作順暢,無異常波動,響應速度得到了優(yōu)化改善,整條曲線不僅在頭部遮蔽的情況下能夠快速響應,在曲線中間部位的穩(wěn)定性能也很好,而穩(wěn)定的流量控制曲線同時也保證了鋼板良好的冷卻效果,如圖9所示。

圖9 蝶閥動作平穩(wěn)Fig.9 Butterfly valve operates smoothly

3.3 改進方向

結合下機修復調(diào)節(jié)蝶閥的損壞情況分析,閥門襯膠等零件隨著使用時間變長,必將會出現(xiàn)不同老化損壞,對此現(xiàn)場必須建立完善好閥門狀態(tài)跟蹤精度表,做好閥門更換周期計劃表。

嚴苛把控好修復件的備件質(zhì)量,完善修復件的技術協(xié)議指標,流量調(diào)節(jié)閥動態(tài)測試:水流量實際值偏差波動在±1%范圍,閥門從50%開口度到100%,在2 s內(nèi);閉環(huán)控制下水流量波動偏差在±1%范圍內(nèi)。

4 結論

通過對襯膠調(diào)節(jié)蝶閥修復件上機使用效果分析,在沒有改變蝶板、執(zhí)行機構結構的情況下,優(yōu)化襯膠材質(zhì)、優(yōu)化過盈量,采用合適的處理方法將大大提高膠調(diào)節(jié)蝶修復件的工作效率,減少調(diào)節(jié)閥的故障率,調(diào)節(jié)蝶閥穩(wěn)定的流量控制曲線,是保證鋼板良好的冷卻效果的基礎,對生產(chǎn)工藝、寬厚板產(chǎn)品質(zhì)量起著至關重要的作用。