氣動調節閥在海水淡化的應用分析與探討

曹美杰，苗勇虎，孫 靜，康 雄

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

引言

隨著工業企業生產自動化程度的不斷提高，自動化控制系統的設計及設備的合理選型顯得尤為重要。調節閥作為控制系統的執行單元，直接參與對工業生產過程中的壓力、液位、溫度等重要參數的調節，必須對其分類結構組成及其特點充分了解掌握后才能做出正確選型，從而設計調試出理想的控制系統，為工業生產服務。

1 氣動調節閥的分類及結構組成

1.1 氣動調節閥的分類

氣動執行器是氣動調節閥的核心控制部分，氣動調節閥按照氣動執行器結構的不同主要可分為薄膜式、活塞式、和齒輪齒條式三種。薄膜式調節閥主要用于直行程調節閥，所需的氣源壓力較低，動作速度和精確度高，控制調節性能好；活塞式調節閥主要適用于角行程的球閥、蝶閥閥體，行程長，所需氣源壓力較大，而且執行器體積大，占用空間大，但是輸出力或力矩也大；齒輪齒條式氣動執行機構有結構簡單，動作平穩可靠，并且安全防爆等優點，在發電廠、化工，煉油等對安全要求較高的生產過程中有廣泛的應用。

氣動調節閥按照執行器工作原理的不同又分為單作用和雙作用兩類[1]。單作用氣動執行器內部帶有彈簧單元，在失去氣源時，閥門將會處于全開或全關狀態，其中氣動薄膜式執行器均為單作用模式；雙作用氣動執行器多見于活塞式氣缸，在失去氣源時，閥門可保持在原狀態不動。必須根據生產現場工藝的實際情況和要求來做出正確的選型。

1.2 氣動調節閥的組成及功能

氣動調節閥的動作原理就是其閥門定位器根據計算機控制系統給出的4～20 mA 指令信號控制進入氣動執行器壓縮風的量進而定位控制調節閥閥門開度的，使被調工藝參數維持在所要求的范圍內。氣動調節閥由氣動執行器和閥體兩部分組成，氣動執行器機構主要由氣缸、閥位標尺、支架、電氣閥門定位器、空氣過濾減壓閥、快速排氣閥、鎖定保位閥等組成。

空氣過濾減壓閥功能是完成對進入氣缸壓縮空氣的過濾和減壓功能，一般可向定位器提供0.3～1.0 MPa 的潔凈氣源；閥門定位器是執行器的主要附件，它將閥桿位移信號作為輸入的反饋測量信號，與控制器的指令信號進行比較，當兩者有偏差時改變其執行機構的輸出信號，使執行機構動作，建立了閥桿位移與控制器輸出信號之間的一一對應關系，它對提高調節閥的精確定位和調節具有重要作用；快速排氣閥主要用于大執行器的快速復位，對確保生產設備安全具有重要作用，可以用小尺寸的電磁閥實現；當控制回路失氣或失電時，鎖定保位閥可以將閥位保持原位不動，對保證生產穩定爭取故障處理時間具有重要作用；其中電氣閥門定位器和過濾減壓閥是控制功能的核心部件，必須有這些核心控制部件氣動調節閥才能具備遠程自動控制調節功能。

2 氣動調節閥在海水淡化系統的應用

2.1 海水淡化工藝流程

國內某鋼廠熱法低溫多效海水淡化生產工藝流程如圖1所示。低溫多效蒸餾海水淡化基本工作原理為：海水淡化的基本過程是海水在真空下的蒸餾（低溫蒸發），蒸發器內換熱管束水平布置，蒸汽在管內冷凝放熱，進料海水噴淋至管束頂部，呈膜狀向下流動并吸熱部分蒸發生成蒸餾水，因此裝置稱為水平管降膜式低溫多效蒸發器[2]。由圖1 可以看出，生產過程中涉及到的介質有蒸汽、濃鹽水、冷凝水、蒸餾水等介質，生產過程的主要控制參數有三種水介質的液位、濃鹽水的第一效溫度,由減溫減壓站進入海水淡化蒸發器的蒸汽溫度、壓力等參數。

海水淡化生產過程自動化程度高，所有介質的溫度、壓力、流量、液位等參數都必須按照目標設定值自動調節，生產介質的參數要想準確穩定自動控制在目標值范圍內，必須有可靠的調節閥對介質進行實時精確調節才能實現。

圖1 海水淡化工藝流程

2.2 氣動調節閥在海水淡化系統的應用

由以上工藝生產流程可以看出，介質的參數自動調節要求快速精確，確保整個海水淡化生產過程自動化穩定可靠。海水淡化主體蒸發器和蒸汽減溫減壓站選用的是氣動調節閥。

（1）海水淡化濃鹽水、冷凝水、蒸餾水液位的自動調節是生產的重中之重，

此外，為了保障農田水利能夠進行大面積的噴射，應在噴灌機的上面安裝噴頭，確保噴灌機能夠大面積的噴灌，克服局限性的影響。在設計農田灌溉路線的過程中，可對其自由設計，如自動的移動噴灌機，通過不斷移動噴灌機使農田水利的各個方位和方向達到灌溉的效果。

在生產過程中，這些介質的液位調節閥需要實時做出頻繁的調整動作才能確保液位穩定在目標值范圍內，因此調節閥動作不僅要快速精確，而且還能經受住小范圍內的頻繁動作調整，這都對調節閥的氣動執行器提出了很高要求。鑒于以上要求，海水淡化蒸發器主體的濃鹽水、海水、冷凝水和蒸餾水介質8 套氣動調節閥全部選用的是意大利Servovalve品牌的氣動調節閥。

其中，為了確保失電或失氣情況下海水淡化主體管道設備安全，海水排放調節閥選用的是單作用氣關式，其他的位置選用的是單作用氣開式。該型號系列的調節閥采用了全新的執行機構，采用機械運動學曲柄系統取代了傳統的撥叉式執行機構，可確保非常精確的響應速度和精度，從而獲得最佳的閥門定位控制，保證了恒定的性能和長期可靠的運行，而且選配了手動裝置，一旦無法遠程控制，也可實現就地緊急手動操作。為該調節閥選用的是西門子SIPART PS2 系列閥門定位器。該閥門定位器安裝簡單，可對氣動調節閥進行自動初始化標定調試，在穩定狀態下耗氣量低，且該定位器在直行程和角行程調節閥可通用，抗振動干擾強，在高溫潮濕環境下均可長時間安全穩定運行。該系列智能電氣閥門定位器功能原理圖如圖2 所示，它采用微處理器對給定值和位置反饋作比較，如果微處理器檢測到偏差，就用一個五步開關程序來控制氣路的壓電閥，壓電閥進而調節進入執行機構的氣流量，進而可實現對調節閥閥位的精確控制和調節。

圖2 西門子SIPART PS2智能電氣閥門定位器功能原理圖

（2）海水淡化減溫減壓站選用的是正作用薄膜式氣動調節閥。薄膜式氣動執行機構結構簡單，使用可靠，而且價格相對較低，性價比高，很適用于減溫減壓站的潮濕環境中，而且維護檢修方便。該調節閥包括閥門定位器、過濾減壓閥、減速裝置、推力結構、機械限位和閥位反饋組件等，其中控制核心部件閥門定位器用的是西門子SIPART PS2 智能電氣閥門定位器，和海水淡化主體選型相同；調節閥閥體為套筒型，有利于蒸汽壓力和流量的精確穩定調節。

3 氣動調節閥在海水淡化的應用效果分析

3.1 氣動調節閥在海水淡化減溫減壓站自動控制中的作用

下面以海水淡化減溫減壓站控制系統為例說明氣動調節閥在生產工藝流程的安裝位置和自動控制系統中的作用。海水淡化主體生產對蒸汽的壓力和溫度參數有著嚴格要求，進主體的蒸發器的蒸汽壓力溫度必須穩定控制在0.3 MPa和150 ℃才能確保海淡主體蒸發器高效運行，而該鋼廠的管網蒸汽壓力溫度為0.6～1.0 MPa 和260 ℃左右，因此必須通過蒸汽減溫減壓站對其控制和調節。

海水淡化減溫減壓站控制系統流程圖和控制原理框圖如圖3 所示。在該系統中，蒸汽主路旁路和減溫水調節閥均選用的是薄膜氣動調節閥，用于實現對二次蒸汽壓力和溫度的自動調節?？刂瓶驁D中的執行機構對應的是工藝流程中的氣動調節閥。例如對于控制對象二次蒸汽壓力來說，其對應的執行機構為蒸汽調節閥（在實際生產中，主蒸汽調節閥起粗調作用，一般處于手動運行狀態，旁路調節閥起細調作用，一般處于自動運行狀態），測量元件為壓力傳感器和變送器；壓力的目標設定值sp(n)與壓力的實際測量反饋值pv(n)經運算后得到偏差信號ev(n)，偏差信號ev(n)再經PID 控制器[3]分析運算處理后得到控制信號mv(n)，控制信號mv(n)經D/A轉換后形成4～20mA的模擬量控制信號傳送給執行機構蒸汽氣動調節閥，通過壓力調節閥閥位的控制來實現二次蒸汽壓力的穩定并與壓力設定目標值一致。

圖3 海水淡化減溫減壓站控制系統流程圖和控制原理框圖

3.2 氣動調節閥在海水淡化的應用效果

一個設計科學合理的自動控制系統的有效投入和運行離不開性能良好的執行器，而經過海水淡化的生產實踐證明，氣動調節閥在海水淡化生產過程自動控制中取得了良好的控制效果，像在生產過程中海水淡化主體蒸發器濃鹽水液位、減溫減壓站二次蒸汽的壓力和溫度等工藝參數都是非常關鍵的控制對象，在控制系統中這些參數的目標值和儀表測量反饋值的對比偏差經過PLC 控制系統的控制器程序計算分析后發出控制命令給氣動調節閥，氣動調節閥都能夠快速準確調節介質的流量，從而使濃鹽水液位、減溫減壓站二次蒸汽壓力和溫度自動穩定在目標值范圍內，如圖4，從圖4 中可以看到這些關鍵工藝參數都取得了良好的控制效果。

圖4 海水淡化濃鹽水液位和二次蒸汽壓力溫度趨勢圖

4 氣動調節閥的周期管理與預防檢修機制

4.1 一起海水淡化氣動調節閥的典型故障分析

（1）故障經過

自動化專業人員通過對閥門進行反復研究分析，認為閥門定位器存在問題，10 月15 日對閥門定位器進行更換，閥門恢復自動運行。

（2）故障分析

調節閥出現故障后，閥門定位器既不進氣也不泄氣，閥門不動作，由此判定定位器內部氣路存在異常。將故障閥門定位器進行解體分析，發現內部氣路的硅膠密封墊經長期運行后出現破損；由此可以確定閥門定位器的故障點就是內部氣路的硅膠密封墊破損。

由這起典型故障問題可以看出，氣動調節閥只要選型合適，控制策略設計合理，其在工業自動化生產過程中扮演了非常重要的角色，而且工作性能穩定，自動控制調節效果良好。但是如果不注重調節閥各個部件的周期管理和檢修，經過長時間運行后很可能某個部件會出現故障，尤其是關鍵位置的調節閥如果出現故障很可能會對生產造成較大影響，給其他設備的安全穩定運行帶來隱患。所以做好調節閥的周期管理維護和檢修非常重要。

4.2 氣動調節閥周期管理維護和檢修

（1）氣動調節閥執行器的氣缸要做好周期檢測和維修工作，對于薄膜式執行機構每年都要定期拆卸檢查修理，重點檢查測試彈簧性能是否完好，薄膜作為易損件要重點檢查有無破損和腐蝕，一旦有破損或腐蝕必須更換；對于齒輪齒條式執行機構每年要對傳動部位進行潤滑油添加補充，同時也要對氣缸進行檢查，檢查內部有無磨損，以便及時發現修復處理。

（2）閥體一般每年只需檢查有無變形和腐蝕即可，尤其對于套筒式閥體要檢查內部套筒有無異物堵塞，及時清理異物，閥芯還要定期研磨，確保閥體動作靈活不卡澀。

（3）過濾減壓閥主要對壓縮空氣起到調節和過濾作用，確保進入定位器及氣缸內部的壓縮空氣品質良好符合要求，為調節閥氣動執行器長周期安全穩定運行提供保證；因此需要對其做好日常維護檢查，每2年對其濾芯進行更換，避免濾芯破損確保壓縮風質量符合要求。

（4）閥門定位器每年都要結合調節閥檢修進行初始化標定調試，重點記錄初始化調試過程所需時間，閥位給定、信號反饋與實際閥位是否一致，確保定位器完好；但是由上述海水淡化故障可以看出，閥門定位器也要結合現場使用環境、調節頻率等因素合理確定更換周期，做好預防性周期更換。比如海水淡化減溫減壓站是高溫高濕環境，通過實踐經驗可以確定該部位的定位器更換周期為2年最經濟合理，濃鹽水調節閥調節動作頻率高且處于露天環境，也是按2年周期進行更換，其他位置可根據檢修調試數據記錄情況進行檢查更換，如每年檢修調試正常，一般更換周期定為5年是最經濟合理的，這樣在檢修周期內可以避免非計劃停機事故的發生，以最低的備件費用支出確保海水淡化系統高效連續穩定運行。

（5）平時還要做好日常設備點檢工作，重點檢查氣源管路接頭位置和氣缸氣密性是否良好，閥門定位器閥位反饋連接件安裝是否牢固等。

通過設備周期管理和預防檢修機制的建立，不僅可以增加調節閥的使用壽命，避免非計劃停機事故發生，也對生產穩定、提高經濟效益具有重要意義。

5 總結

通過研究分析某鋼廠海水淡化氣動調節閥的選型和應用效果，明確了不同類型的調節閥在工業自動化生產過程中的重要作用和優勢。通過一起調節閥的典型故障分析，說明了調節閥的周期管理和預防檢修機制的重要性。該鋼廠海水淡化生產過程中充分做好了設備周期管理和預防檢修機制，自2014年以來沒有再出現過非計劃停機事故，保證了海水淡化的達產達效，為該鋼廠的除鹽水用水安全提供了保證。