閥位反饋信號的開發(fā)與應用

高愛進，林盛陽，翁乙友，胡北平，劉曉東

（中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000）

控制閥作為工藝生產(chǎn)過程中的重要調節(jié)設備，其運行狀態(tài)的準確、穩(wěn)定，將直接影響產(chǎn)品質量，因而實時連續(xù)監(jiān)測控制閥閥位狀態(tài)尤為重要。塔里木油田分公司作為國家西氣東輸主力氣源地，天然氣凈化工藝以J-T閥控制制冷低溫脫水為主，然而因地理環(huán)境的影響，天然氣凈化工藝中J-T閥很容易發(fā)生凍堵的現(xiàn)象。J-T閥作為低溫脫水核心設備，當發(fā)生凍堵故障時，會發(fā)生裝置處理量減少，J-T閥開度與對應理論處理量存在偏差；現(xiàn)場閥門開度值與主控室控制器輸出OP值存在偏差，主控室無法實時監(jiān)控現(xiàn)場J-T閥的運行狀態(tài)等現(xiàn)象，嚴重時將導致全廠緊急停產(chǎn)。若能提前發(fā)現(xiàn)J-T閥凍堵故障，能有效地降低工藝生產(chǎn)的安全風險。

1 常見控制閥工作原理

部分石油化工企業(yè)操作站畫面顯示的閥位行程是控制閥回路的輸出信號，將調節(jié)閥回路輸出信號近似為閥位真實開度。控制閥氣源壓力低、閥芯卡塞等異常狀況下，閥位行程將與操作站畫面顯示值不一致。其控制閥工作原理如圖1所示：各類測量變送器相當于人的“眼睛”，實時監(jiān)測現(xiàn)場。主控室DCS類似“大腦”，對“眼睛”獲得的數(shù)據(jù)進行分析處理并下達指令。現(xiàn)場閥門等執(zhí)行機構類似人的“手臂”，執(zhí)行“大腦”下達的指令。然而該控制回路中，“大腦”發(fā)出指令后，未收到現(xiàn)場“手臂”執(zhí)行動作是否精確的反饋，出現(xiàn)控制盲區(qū)。

2 閥位反饋信號的開發(fā)與應用

某天然氣處理廠前期J-T閥發(fā)生凍堵、卡塞故障，需員工趕赴生產(chǎn)現(xiàn)場與主控室核實比對閥門狀態(tài)值，無法實時監(jiān)測現(xiàn)場閥位狀態(tài)值。為優(yōu)化系統(tǒng)功能，整合了霍尼韋爾PKS系統(tǒng)與Fisher閥門定位器DVC6200設備信息，將閥位狀態(tài)輸入至操作站控制畫面。該系統(tǒng)支持HART通信協(xié)議，站場選用霍尼韋爾C300控制器，PKS服務器軟件使用Experion PKS 430.1版本。采用Series C I/O 卡 件，HART Analog Input CC PAIH01輸入模塊卡件及HART Analog Output CC-PAOH01輸出模塊卡件。該系統(tǒng)通過HART支持的I/O模塊，實現(xiàn)了與Experion PKS的完美集成。模塊可安裝在Series C外形封裝中，能夠有效地將HART數(shù)據(jù)用于控制、顯示、診斷、參數(shù)化和資產(chǎn)管理。Experion PKS克服了掃描速度限制等困難，使與HART設備的通信暢通無阻。可通過I/O卡將HART過程和狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至C300過程控制器，并最終通過顯示屏顯示。可訪問詳細的設備性能和異常狀況信息，允許用戶報告設備故障失靈情況和過程異常信息。此外，HART解決方案可讓工廠操作員和維護人員通過Experion PKS直接訪問所有現(xiàn)場設備信息。

圖1 常見控制閥工作原理

2.1 開發(fā)方案一

傳統(tǒng)做法是在控制閥上加裝1臺閥位傳感器，將閥的行程位移量按一定規(guī)律轉換成4～20 mA電流信號，實時監(jiān)測控制閥行程狀態(tài)。經(jīng)查閱閥門定位器基礎資料，發(fā)現(xiàn)Fisher DVC6200系統(tǒng)閥門定位器具有閥位狀態(tài)反饋信號模擬輸出端口，使用HART手操器將Output Ter minal Enable端口激活。方案一閥位反饋信號開發(fā)原理如圖2所示，此時定位器閥位反饋信號被激活，OUT模擬輸出端口的電流值對應閥門開度0～100%。將4～20 mA電流信號通過AI卡件上傳至DCS，進行程序組態(tài)、畫面組態(tài)。最終操作站實時顯示閥位狀態(tài)值。該方案需敷設電纜線至主控室，施工工作量較大。

圖2 方案一閥位反饋信號開發(fā)原理示意

2.2 開發(fā)方案二

利用霍尼韋爾C300控制器、Series CI/O卡件及HART Analog Output CC-PAOH01輸出模塊。該卡件支持HART通信協(xié)議，能將現(xiàn)場變送器所有參數(shù)通過HRAT協(xié)議上傳主控室。方案二閥位反饋信號開發(fā)原理如圖3所示，首先在J-T閥CM控制回路AO功能塊中激活HART Configuration中ENABLE HART功能。配合DVC6200閥門定位器，AOCHANNEL Block中HART Variable中第四個QV值即為現(xiàn)場閥位實時狀態(tài)值。該功能實現(xiàn)無需重新敷設電纜線，有效地避免了裝置現(xiàn)場的施工作業(yè)。因而最終該天然氣處理廠優(yōu)先選擇該方案。

利用HMI Web Display Builder修改流程畫面，將現(xiàn)場閥門的開度實時上傳至主控室供操作人員查看。操作人員可實時查看閥門開度的輸出值與反饋值是否一致，若不一致，可快速判斷出J-T閥出現(xiàn)凍堵或其他非正常工作狀態(tài)，并迅速采取加大乙二醇、輕烴注入量及提升裝置溫度等應急處置措施，避免因J-T閥凍堵加劇，發(fā)生裝置超壓放空等嚴重生產(chǎn)事故。

圖3 方案二閥位反饋信號開發(fā)原理

3 結束語

閥位反饋信號在該天然氣處理廠的開發(fā)與應用，經(jīng)過1 a的運行，有效地減少了因嚴重凍堵而導致裝置停車的風險。操作人員實時、高效地掌握現(xiàn)場控制閥的運行狀態(tài)，在凍堵發(fā)生的第一時間趕赴現(xiàn)場采取應急處置措施，有效地彌補了石化化工企業(yè)閥門控制回路的盲區(qū)，可以清晰、實時地掌握閥門狀態(tài)，當控制閥門出現(xiàn)凍堵、卡塞等異常狀態(tài)，操作站能夠及時產(chǎn)生報警信息，減少了運行維護員工現(xiàn)場比對閥位行程的工作量，大幅提高了工藝生產(chǎn)裝置的控制質量，保障了裝置平穩(wěn)、高效的運行，消除了重大安全隱患。