浙江中特气动阀门成套有限公司
 智能阀门定位器在三聚氰胺装置中的应用探讨

摘 要:给出智能阀门定位器在化工过程控制中的应用意义和与普通定位器的性能对比,分析了智能阀门定位器的工作原理、性能和在日常维护中出现的常见故障及处理方法。

关键字:智能阀门定位器 喷嘴-挡板 I/P转换器 HART通讯协议


1 引言

随着工业控制智能化的发展,数字式、智能型的阀门定位器在化工过程控制领域的应用越来越广泛。它已成为取代常规机械模拟量阀门定位器和减少气动执行机构行程偏差的最有效工具。为此,我公司为提高整体装置运行的稳定性,在两套1.5万吨/年和一套3万吨/年三聚氰胺装置中的气动执行调节机构设计选型上,考虑到普通定位器的功能缺失,安装了200多台Fisher公司和40多台NELES公司DVC5000和DVC6000系列数字式智能阀门定位器。该定位器的投用使用死区的阀门动态响应得到很大改善,同时它对调节阀的强大诊断功能,做到了预防式减少因阀门引起的突发性停车事故,使用后也克服了过去维护时盲目对阀门进行检修的惯例。本文结合三聚氰胺工程中Fisher智能阀门定位器的成功应用和维护经验,讨论了智能阀门定位器在化工过程控制中的应用评估、工作原理和在使用中存在的问题及处理方法。

2 阀门定位器在化工过程控制中的应用评估

2.1 应用评估

减少过程偏离度现在已被越来越多的企业家认为是现有工艺条件下企业获得显著回报与经济效益的捷径。过程偏离在过程工业中司空见惯。但认识到其潜在经济学的人却为数不多。

过程的流体流量经调节阀调节后,由于主要是受到阀门及设备性能的变异以及控制特料的差异影响,不可能将流量始终控制在平均值μ上,而是围绕着平均值落点于2σ的概率分布曲线内。2σ的分布代表着95.45%的流量落点。2σ/μ表示过程偏离度。在过程与原料稳定的前提下,我们完全有可能通过改善自动化控制设备,使过程偏离度大大减小。即使此百分数(2σ/μ)*100%减小了1个百分点或0.5个,其直接的经济效果将是物料消耗的明显减少与成本的显著节约,可按下式计算:

每日节约费用[2σ/μ(改善前)进2σ/μ(改善后)]*流量(每分钟)*60(分钟)*24(小时)*每单位流量物料成本。由此可见日积月累的经济效果是非常明显的。

除了安全操作外,减小过程偏离度应成为考虑过程控制工程技术的出发点。而过程偏离度的产生与其大小又与现场仪表的性能密不可分,我们不能指望任何先进的控制依靠性能差的现场仪表会产生有价值的效益。考虑到控制是分层次的休系,只有在较底层次上的每一台相关设备工作得好,才能在较高层次上运行得好。而实际情况是化工过程控制中有80%控制回路并未减小工艺过程的偏离度,调节阀不能按要求工作是造成回路性能差的最大原因。因此,高控制灵敏度,高可靠性的阀门定位器才是能够做到调节阀门行程准确和稳定的最可靠保障,也是我们选型的原因和重要依据。过程流体流量分析如图1所示。

图1 流体流量分析图

2.2 常规阀门定位器的功能缺失

普通阀门定位器是采用机械式力平衡原理工作的,即喷嘴挡板技术,该型定位器在化工生产中已使用多年,它存在的主工功能缺陷如下:

(1)因打用机械力平衡式原理工作,其定位器中的机械可动部件较多,易受工作环境的温度、振动等影响。弹簧的弹性系数在恶劣环境下能发生改变,会造成调节并非线性,导致控制质量下降。外界振动传到力平衡机构,易造成部件磨损以及零点和行程漂移,也使定位器难以正常工作。

(2)工作过程是单纯的单回路控制过程,不具备双向的通讯能力,无法通过其自诊断工作来识别故障信息。

(3)常规定位器的零点和量程需反复调整,精度难以保证。投用后工作线性常常变化。

(4)常规定位器喷嘴孔很小,易被灰尘或污物颗粒堵住,使定位器不能正常地工作,而处理过程又费时费力。

在我们公司经过6年多的运行,智能阀门定位器与普通阀门定位器的性能、使用情况、性能价格比等方面进行了比较,如附表所示。

附表 阀门定位器评估

3 数字式智能阀门定位器

3.1 工作原理

数字式智能阀门定位器一般有I/P转换器。PWB组件,气动中继器,阀行程传感器组成。它的输入信号和反馈信号比较后进入印刷电路板组件子模块,在那里被微处理器读取,经数字算法处理并转换成模拟I/P驱动信号。克服了传统定位器处理信号时受到温度、振动的影响,同时它具有模拟与数字混合或纯数字化双向通讯能力,可实现自动/手动的定位器校准,喷嘴孔自动清障等功能。智能阀门定位器的使用可有效消除力转换和传动时形成的偏差,其操作原理框图如图2所示。

图2 DVC5000型智能阀门定位器工作原理示意图

该定位器和执行机构组成一个反馈回路,当输入信号增大时,去I/P转换器的线圈和衔铁之间的磁吸引力增加,于是挡板使喷嘴节流,即增大了喷嘴压力。喷嘴压力送去气动中继器子模块的输入膜片。当喷嘴压力增大时,气动中继器的膜片组件移动,使得阀芯去打开供气口和关闭排气口,以增加送去执行机构的输出压力,增大的输出压力使得执行机构阀杆向下移动。阀行程传感器通过反馈连杆感受阀杆的位置变化,阀行程传感器与印刷电路板组件子模块电信号相连。阀杆继续向下移动直至达到正确的阀杆位置,在这一点位置上,印刷电路板组件使I/P驱动信号稳定下来,这使挡板定位,阻止喷嘴压力进一步增加。当输入信号减少时,去I/P转换器子模块的驱动信号减小,于是减小了喷嘴压力,气动中继器的膜片组件移动,使得阀芯去关闭供气口和打开排气口,向大气释放执行机构膜头压力,阀杆向上移动直至达到正确的位置,在这一点位置上,印刷电路板组件使I/P驱动信号稳定下来。这使挡板定位,阻止喷嘴压力进一步减少。

3.2 存在的问题和处理方法

(1)控制系统的卡件不能驱动智能阀门定位器,造成仪表间通讯故障。常规模拟阀门定位器一般输入阻抗为250Ω。而智能阀门定位器的输入阻抗均大于250Ω,只是各种定位器的品牌差异使其阻抗不同。阻抗的增加,整个系统运行受到的影响也增大,如果不能很好处理,就会造成整个控制回路的不匹配。例如在2002年我公司第二套1.5万吨/年三聚氰胺装置安装调试中,曾出现控制系统卡件不能驱动智能阀门定位器、HART手操器也不能正常通讯的情况。经过检查Fisher公司DVC5000系列阀门定位器的电气输入为12VDC/20A,这样它的输入阻抗相当于600Ω,而整套装置选用的控制系统Honeywell TDC300和定位器不匹配。为了能有效地解决这个问题,我们在靠近控制系统I/O现场接线端子的地方安装了HART专用滤波器是一个有源设备接在HART回路的现场接线中,它的用途间有效地把控制系统的输出和调制HART通讯信号隔离并提升控制系统的阻抗以利HART通讯和定位器的正常使用。滤波器从控制系统接收4-20mA电流信号,并作为高阻抗电流驱动回路。

其输出电流是输入电流滤波后的复制品,滤波器的电流驱动阻止了HART回路里的电压调制信号混入控制器输出中,并对控制器的输出产生了影响。该滤波器投用后,整个控制回路终于能够贯通,HART通讯也恢复正常。该问题解决也为处理装置中使用的Neles公司的ND800系列智能阀门定位器(电气输入:12.8VDC/mA)类似故障提供了借鉴意义。HART滤波器的应用接线如图3所示。

图3 HART滤波器的应用接线图

(2)阀位行程传感器失调造成调节阀阀位失灵。阀行程传感器失调是造成智能阀门定位器故障的另一重要原因。阀行程传感器的作用是输出阀位反馈信号,当阀行程传感器故障而反馈中断时,整个调节阀将不受DCS调节,阀位自动运行到全开/全关位置,这将严重威胁装置的稳定生产。例如:2007年8月14日,我公司三聚氰胺工艺人员反映FT-31181阀位处于全开位置,要求仪表人员及时处理。当仪表人员对FT-31181用手操器进行校准时,手操器却无法完成手/自动校准程序,调节阀阀位严重失灵。用万用表测量阀行程零位时阀位传感器的精密多线圈电阻值为1650Ω。我们经过对发生故障的定位器分析发现,性能良好的阀位传感器的精密多圈电阻在阀行程零位时应为1950-2050Ω。最后我们把发生故障的定位器拆下后,把反馈臂定位在零位,用万用表测量阀位传感器的精密多圈电阻值,调整阀位传感器的连接轴,使得万用表指示在1950-2050Ω之间,然后锁定连接轴,安装阀行程传感器紧固件和阀杆相连,问题得以解决。

3.3 应用和维护

DVC5000和DVC6000系列智能阀门定位器于2002年和2005年安装使用于我公司三聚氰胺装置200多台。投用后使用手操器对其进行了组态和校验,其线性度可达99%,零点和量程及回差均可以控制在精度要求的范围之内,控制极其稳定且抗干扰的能力也特别强,完全满足工艺控制的要求。FIELDVUE定位器维护量极少,基本上无需维护,其现场适应性也特别强。但为了保证其长期、稳定地运行,仪表员应做好以下几个方面的工作。

(1)为保证其良好工作环境,防止意外损坏,应定期检查定位器周围的工作环境。同时保证其工作气源的稳定、干燥和洁净,减少外界因素造成的仪表波动和故障。

(2)仪表人员应每周检查阀门和定位器的泄露和工作情况,及时消除隐患。每月使用手操器对定位器进行特性曲线检查,检查零点、量程、线性和回差等参数,并对其优化和调整,保证其工作质量。

(3)定期对调节阀进行检修和维护,确保阀门工作质量。同时对DCS调节控制回路参数进行优化,以确保与定位器互相工作的协调性和稳定性。

(4)由于DCS方面和其它原因,其现场总线和软件功能我们没有完全得到开发和利用,对智能维护和诊断功能无法完全使用,但还是大大减轻了日常维护量。

4 结束语

通过近几年在三聚氰胺装置的使用效果来看,智能型阀门控制器性能稳定、调校方便。随着智能阀门定位器的广泛应用,其方便性和强大的软件功能,必将成为替代传统模拟量阀门定位器,是阀门定位器的发展趋势。本文希望通过对智能阀门定位器在三聚氰胺装置中的应用和分析,能够为读者提供在定位器设计选型和使用时能有借鉴意义。

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