氣動閥門定位器節能技術開發應用

寶鋼股份特殊鋼事業部條鋼廠 蔡 新

1 前言

氣動閥門定位器是一種將電氣信號轉換成壓力信號的轉換裝置，以壓縮空氣或氮氣為工作氣源來控制工業爐調節閥的開度大小，普遍用于工業爐溫度自動控制系統中對氣動閥門執行機構的連續控制。在特殊鋼條鋼廠的各條產線中，氣動閥門定位器得到了較為廣泛的使用。然而，有部分投產時間較早的產線存在相當數量的舊制式氣動閥門定位器，它們都是采用上世紀八十年代的落后技術生產出來的，故障率高，耗氣量大。它們的運行，造成壓縮空氣使用狀況偏緊張，部分區域氮氣耗量居高不下。

條鋼廠精整分廠熱處理爐投產于上世紀九十年代，在空/燃氣調節閥所使用的閥門定位器采用的都是ZPD系列閥門定位器，該系列閥門定位器耗氣量相當大，并且故障率高，引起該區域氮氣耗量居高不下，嚴重影響了該區域工序能耗指標的完成。同時，定位器故障對熱處理爐的溫度控制帶來了較大的負面影響，引起空燃比無法達到最佳狀態，使噸鋼天然氣消耗上升。

由于精整分廠熱處理爐使用ZPD系列閥門定位器的數量較多，經多次論證，若簡單地以當前市場上先進的閥門定位器替換，對企業來說是一個難以承受的經濟負擔，為此，條鋼廠協同能環部成立了一個課題小組，鉆研以廉價的費用實現閥門定位器耗氣量的顯著降低，同時克服其高故障率。

課題小組經過反復設計和實驗，研制出一種新型閥門定位器。該定位器采用了當前較為先進的“先導閥”節能技術，其內置調壓器可充分消除因氣路壓力變化對定位器動作的影響，再輔以微處理器智能控制等先進技術，實現分程控制，從而使閥門定位器具有較好的線性度、靈敏度和滯后度，同時將工作耗氣量壓低到最低限度，比ZPD系列閥門定位器要低一半以上，而價格卻比同類產品低了將近一半左右。該閥門定位器是一種性價比較高的產品，為降低棒一產線氮氣的使用消耗具有較大的實用價值和推廣價值。

2 新型節能閥門定位器的研制

2.1 氣動閥門定位器的工作原理

氣動閥門定位器是按力平衡原理工作的，實現由輸入的4～20mA電流信號控制氣動閥門由0～100%的開啟度。其工作原理如下（見圖1）。

當需要增加閥門開啟度，計算機控制系統的輸出電流信號就會上升，力矩馬達①產生電磁場，擋板②受電磁場力遠離噴嘴③。噴嘴③和擋板②間距變大，排出放大器④內部的線軸⑤上方氣壓。受其影響線軸⑤向右邊移動，推動擋住底座⑦的閥芯⑧，氣壓通過底座⑦輸入到執行機構⑩。隨著執行機構氣室11○內部壓力增加，執行機構推桿12○下降，通過反饋桿13○把執行機構推桿12○的位移變化傳達到滑板14○。這個位移變化又傳達到量程15○反饋桿，拉動量程彈簧16。當量程彈簧16和力矩馬達①的力保持平衡時，擋板②回到原位，減小與噴嘴③間距。隨著通過噴嘴③排出空氣量的減小，線軸⑤上方氣壓增加。線軸⑤回到原位，閥芯⑧重新堵住底座⑦，停止氣壓輸入到執行機構⑩。當執行機構⑩的運動停止時，定位器保持穩定狀態。

2.2 節能技術關鍵點——先導閥技術的使用

通過對閥門定位器工作原理的研究，課題小組認為要解決耗氣量大的問題關鍵在于放大器的排氣。經過技術調研和多次論證，最終選擇以先導式電磁閥替代放大器。

先導式電磁閥（見圖2）是由電磁鐵首先控制氣路，產生先導壓力，再由先導壓力去推動主閥閥芯，使其動作。

如圖②所示：先導閥是由濕式閥用電磁鐵、閥芯、傳動柱塞、閥套、頂針桿、鋼球、鋼球座、復位彈簧等組成。閥芯與閥體為螺紋聯接。傳動柱塞一端連接電磁鐵銜鐵，另一端頂住鋼球。因此無論是上端電磁鐵的推力還是下端彈簧的作用力都使兩鋼球與頂針桿成連動關系。頂針桿兩端與閥芯之間各有一段環形控制容腔，并分別與閥芯上的徑向孔道連通。當電磁鐵斷電時，從P腔進入的壓力氣直接作用在先導閥的球座上，而復位彈簧的彈性力也同向作用在球座上，使先導閥下閥口關閉，上閥口打開，因而使壓力氣路與控制氣路A阻斷，控制氣路與回氣路T開通。在這種情況下，控制氣路處于卸荷狀態;當電磁鐵得電時，傳動柱塞推動上鋼球向下移動，上閥口關閉，下閥口打開,因而阻斷了控制氣路與回氣路的通道。與此同時壓力氣路與控制氣路開通。壓力氣經先導閥的控制容腔進入閥體的斜向孔道使控制氣路處于工作狀態。

先導閥技術的使用在很大程度上減少了工作氣源的使用量。當電磁鐵斷電時，壓力氣路與控制氣路阻斷，控制氣路與回氣路開通；當電磁鐵得電時，控制氣路與回氣路的通道被阻斷，與此同時壓力氣路與控制氣路開通?？刂茪怏w始終保持在先導閥的氣腔中，而沒有被排出來，從而節約了工作用氣,實現節能；而舊的閥門定位器沒有先導閥，它是通過放大器內部的一個氣路分配器來引導和分配壓力氣路，未被分配到控制氣路的多余壓力氣就被直接向外釋放，工作氣體連續地外泄，直接對空排放，導致了工作氣源的大量浪費。

3 新型閥門定位器的現場耗氣測定

為了檢驗新型閥門定位器的節能耗氣指標，條鋼廠在新型閥門定位器的工作氣路上和鄰近一個舊定位器的工作氣路上分別安裝了一個流量計，對新舊閥門定位器的耗氣量進行現場測量，測量情況如下：

新型閥門定位器的耗氣量為0.30m3/h。

舊閥門定位器的耗氣量為2.25m3/h。

4 總結

新研制的閥門定位器在條鋼廠棒一精整1#退火爐現場進行安裝調試，一次成功，實現了預期的全部功能，到目前為止運行良好無故障。經現場安裝的流量計測定，原來使用閥門定位器的氮氣耗量為2.25m3/h左右，而新型閥門定位器的氮氣耗量僅0.30m3/h左右（現場實測），比原來的閥門定位器節約用氣達86.7%，新研制的閥門定位器一個就要節約氮氣消耗1.95m3/h，一年下來可以節約氮氣消耗達1.7萬立方米，折合標煤6.04噸，具有較為可觀的節能效益，而其制作成本僅為當今國外進口產品價格的一半左右。

新型閥門定位器的研制成功是特殊鋼事業部節能科研項目的一項重要成果，節能效果和實用效果都是顯而易見的，具有較大的推廣價值。如果在特殊鋼事業部各主要生產分廠推廣使用，將為特殊鋼事業部有效遏制噸鋼工序能耗、實現節能降耗目標提供強有力的支撐作用。

1、《流體力學和熱工理論基礎》（機械工業出版社）

2、《過程控制系統》（機械工業出版社）