調節閥的故障保位

王福珍

(康泰斯(上海)工程公司設計院,上海 201203)

1 控制閥保位的必要性

不同工藝系統的控制需求決定了執行機構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,其次是連續性。

在工程實踐中,當遇到自控系統的氣源、電源及輸出信號故障時,不同的場合對閥門的狀態有不同的要求,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,盡量保持裝置生產的連續性也是需要考慮的一個重要方面。這就要求自控系統采取一些必要的安全保護措施。例如:在用蒸汽對罐內的物料進行加熱時,如果遇到氣、電故障,應將蒸汽的入口閥門關閉,切斷蒸汽,即故障關(Fail to close),以防罐內物料過熱結焦;再如在水冷卻物料系統中,遇故障時,則希望冷卻水不要被切斷,此時要求水入口調節閥故障開(Fail to open);而有些特殊的場合則希望故障出現時,閥位保持在原來的位置不變,以保持流體的穩定流量,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,全開會導致主管道內物料的結焦,全關則可能會導致熔體輸送管線內的高分子聚合物冷卻凝結,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定連續性。這就要求控制閥在設計中實現故障時安全的“三斷”(斷氣、斷電、斷信號)保護措施。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,前兩種情況下的調節閥已經失去調節作用,只是在失效前采取了安全的失效模式,而對于故障保位的失效模式來說,相對穩定的控制系統,調節閥是在憑借“記憶”或“慣性”調控著介質的流量,在一定的時間內確保生產的穩定連續性,給出維護設備安全和儀表檢修故障原因的時間,減少因為偶然的小事故而導致的停車或安全事故的發生,同時也減少由之而來的損失和危險。

2 故障保位系統的實現方案

執行機構的類型和所需的失效安全工作模式決定了附件的配置結構。

常見的控制閥可分為電動閥和氣動閥兩大類。電動閥實現保位較為簡單,它由電動執行機構進行控制,當斷電時,電機停止運轉,電動執行機構停止運動,閥門自然保持在故障時的位置,即實現了故障保位功能,但是它只有故障保位功能而無故障關、開的功能。氣動調節閥實現故障開和故障關相對來說比較容易些,但要實現故障保位則需要一系列的附件來協助才能完成保位功能。

氣動調節閥在正常工作時,需要由系統提供氣源、電源、信號源,這些是調節閥正常工作的必要基礎保證。一般工廠的DCS都會被設計為雙路供電,而且設有UPS,故而斷電時故障保位相對考慮得較少,除非是很關鍵部位的氣動控制閥才會設有“三斷”的故障保位,或者考慮其斷氣和斷信號時的保位功能,較常見的是只考慮斷氣保位功能,即常說的工程上的保位。

實現調節閥的故障保位就要求調節閥在設計上設有故障時安全的“三斷”保護措施。實際工程中,調節閥的故障保位方案有多種,所需的附件亦是多種多樣。下面就單作用調節閥的“三斷”保位措施進行分析。

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。當控制閥的電源出現故障時(失電或者電源低于限定值),該電磁閥動作,定位器與膜頭之間的氣路被關斷,電磁閥后的氣路成為封閉的氣路,保持關斷前的壓力加在調節閥的膜頭上,從而使調節閥的開度維持在故障前位置,實現失電保位的功能。

b)采用智能定位器。有些閥內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動閥門達到保位功能。目前智能閥門定位器的應用還不是很普遍,而且各個廠家的產品“智能”程度不一,在選用時需要注意內部是否有氣路切斷電磁閥。

圖2 采用兩通電磁閥的保護方案

2.2 斷氣保位措施

a)采用氣動保位閥。對于氣源故障的保位來說,氣動保位閥是首選附件,用于重要自動控制回路中作為安全保護裝置的氣動單元組合輔助單元。氣動保位閥(又叫氣動鎖止閥)本身是一種單彈簧結構。單作用定位器可選用單通道氣動保位閥,雙作用定位器可選用雙通道氣動保位閥。當控制系統氣源故障(失氣)時,氣動保位閥自動關閉,將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內,輸出信號壓力與控制閥彈簧產生的反力相平衡,氣動控制閥的閥位保持在故障位置,以保證工藝過程正常進行,直至氣源事故消除,正常供氣后保位閥自動打開恢復正常工作。氣源保位閥應設定在略低于氣源的最小值時啟動。

聚酯項目現場的終聚釜入口的液位控制閥LV-11602,為最終反應器R-101的進料液位控制閥,反應器出口的高溫熔體要求精確的黏度控制以保障產品的質量,黏度控制的兩個關鍵因素是溫度和壓力穩定;要控制溫度和壓力穩定,進料液位就必須連續、穩定,否則液位波動就會波及溫度和壓力,溫度控制精度要求0.1%,否則就會產出色澤較差的成品絲。除了在投產之初該閥關閉,一旦打開生產運行之后,就必須持續穩定進料,保證產品的質量;所以設計要求該調節閥氣源故障保位。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 采用氣動保位閥的保護方案

b)閉鎖閥,也稱氣控換向閥。顧名思義,故障時可轉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 采用閉鎖閥的保護方案

當氣源故障(失氣)時,止回閥關閉,閉鎖閥信號檢測失氣,閉鎖閥的滑閥在彈簧的作用下復位,氣路換向,進口1與信號出口斷開,切斷系統的氣源管路,儲氣罐管路進口2與信號出口接通,由儲氣罐向閥門供氣,可以保證閥門有若干次動作,實現連續控制的目的。由于儲氣罐的容量有限,且儲氣罐中的氣源壓力會隨著閥門動作不斷下降,所以不可過長時間地使用儲氣罐為閥門供氣。該方案在氣源故障時,閥門動作的次數與儲氣罐的容量有關。

2.3 斷信號保位措施

對于常見的使用電-氣轉換器和氣動閥門定位器的控制閥來說,斷信號保位措施如圖5所示。即將來自控制室的4～20 mA信號同時引至電子開關(失電檢測器),再由電子開關控制一個接在定位器輸出到膜頭的管路上的兩位直通電磁閥。當控制回路的信號缺失時,電子開關會使兩位直通電磁閥失電關閉,將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內,原理同2.2中斷氣保位措施一樣,只是該措施的檢測信號受控于來自控制室的信號。由于此種故障時現場閥位的信號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給總控,信號由閥位信號返回器給出。

對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)的保護措施即可,系統調試稍麻煩一點,能夠普遍適用于防爆要求嚴格的場合。需要指出的是,保位閥在氣路切斷后,只能在短時間內維持氣壓穩定,如果需要較長時間的閥位穩定,則必須采用配置閉鎖閥的方案來確保故障保位較長時間的實現。

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現保位功能,在斷氣不斷電的情況下,可采用保位閥或者閉鎖閥實現該功能。對一些特別重要的場合,為防止斷電、斷氣帶來的影響,可同時用二通電磁閥和保位閥。為減少在現場安裝時的不必要麻煩,可由閥門生產廠家完成系統的成套安裝工作,從而提高系統的可靠性。用戶只要在控制閥訂貨時注明故障時保位(Fail to lock)即可。對于雙作用的調節閥的保位原理同上,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,確保故障時將兩個氣室的壓力鎖定。

圖5 斷信號的保拉措施

以上為硬件方面實現的故障保位。其實在DCS內部,還有一種故障“保位”,就是在DCS內部信號的“軟保位”。所謂的“軟保位”,就是DCS內部檢測到模擬輸入信號為壞質量(Bad)或者DCS部分輸入卡件通道故障時,針對裝置的關鍵儀表位號的輸出通道的電位信號,在軟件內部設置的“信號保持”功能,故障時可設置輸出為0,100%或者是Hold。它可以在DCS某些卡件故障時,不會引起關鍵儀表輸出的波動而影響生產過程的穩定。但是這種輸出保位僅局限于輸入無信號或者壞質量時,輸出信號后的執行機構能否真正地實現保位無法保障,所以只能說是部分意義的故障保位。

關于控制系統的“三斷”保護措施,很多的閥門廠家針對工程實例中的不同需求,已經研制開發了多種不同的措施來確保控制系統的各種隱患所導致的安全保位方案。

雖然保位實現的方法各有特點,但保位的內容和意義并未改變。相信隨著科技的發展,自控技術將會日趨完善,控制策略實現的方式也將日趨精細。

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