智能阀门定位器在三聚氰胺装置中的应用探讨

张文萍,王 彬,张青松,张鲁兰

(中原大化集团仪表维修公司,河南濮阳 457004)

0 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式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,该公司为提高整体装置运行的稳定性,在2套15 kt/a和1套30 kt/a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陷,全部安装了数字式智能阀门定位器,该定位器的投用使有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。

该文结合公司三聚氰胺装置中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的工作原理和在使用中存在的问题及处理方法。

1 数字式智能阀门定位器的工作原理

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量I/P驱动信号。克服了传统定位器处理信号时受温度、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信能力,可实现自动/手动的定位器校准,喷嘴孔自动清障等功能[1]。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,其操作原理如图1所示[2]。

图1 DVC5000型智能阀门定位器工作原理

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转换器的驱动信号增大,这使得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,喷嘴压力送入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 常规阀门定位器的功能缺陷及与智能阀门定位器的比较

2.1 常规阀门定位器的功能缺陷

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,它存在的主要功能缺陷如下:

a)因采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,会造成调节阀非线性,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。

b)工作过程是单纯的单回路控制过程,不具备双向的通信能力,无法通过其自诊断功能来识别故障信息。

c)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。

d)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,而处理过程费时费力[4]。

因其功能缺陷大都是机械、设计等方面的因素造成,为避免缺陷的存在只能选用智能型阀门定位器。

2.2 智能阀门定位器的特性

a)改善控制:双向数字通信把阀门当前情况的信息显示出来,据此信息对过程控制进行管理,确保及时控制。

b)提高安全性:可以从现场接线盒、端子板或在控制室等安全地区使用手操器、PC机或系统工作站选取信息,将面对危险环境的机会减到最小,并且不必亲临现场。

c)保护环境:可以把阀门泄漏检测仪或限位开关接到智能数字式阀门控制器的辅助端子,避免额外增加现场布线,若发生超限该仪表将会报警。

d)节省硬件开支:FIELDVUE系列数字式阀门定位器使布线投资、端子和I/O需求投资节省50%。同时FIELDVUE仪表采用二线制供电,不要求单独而价高的供电导线。它们替换掉现有的配装于阀门的模拟仪表,节省了单独敷设电源线和信号线的高额费用[5]。

由于智能阀门定位器,是基于微处理器的新一代产品,具有高精度的阀门位置信号传感器输出压力传感器等,因而具有较高的控制精度(0.5%～1%,常规电气阀门定位器精度仅为2%～5%),并具有远距离组态、调试、诊断、数据管理等功能[6]。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、性价比等方面的比较见表1所列。

表1 两种阀门定位器的比较

3 使用中存在的问题和处理方法

a)控制系统的卡件不能驱动智能阀门定位器,造成仪表间通信故障。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。如在2002年中原大化集团仪表维修公司第二套15 kt/a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信的情况。经过检查Fisher公司DVC5000系列阀门定位器的电气输入为12 V DC/20 mA,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 TDC 3000和定位器不匹配。为了能有效地解决这个问题,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。该滤波器是一个有源设备接在HART回路的现场接线中,它的用途是有效地把控制系统的输出和调制HART通信信号隔离并提升控制系统的阻抗以利HART通信和定位器的正常使用。滤波器从控制系统接收4～20 mA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的输出信号中,并对控制器的输出产生影响。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: 12.8V DC/mA)类似故障提供了借鉴意义。HART滤波器的应用接线如图2所示[7]。

图2 HART滤波器的应用接线

b)阀位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,该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1 650Ω。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1 950～2 050Ω。最后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1 950～2 050Ω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。

4 智能阀门定位器的应用和维护

DVC5000和DVC6000系列智能阀门定位器于2002年和2005年在该公司三聚氰胺装置安装使用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很强,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,其现场适应性也很强。但为了保证其长期、稳定地运行,仪表人员应做好以下几个方面的工作。

a)为保证其良好的工作环境,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。

b)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。

c)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。

d)由于DCS方面和其他原因,其现场总线和软件功能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。

5 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,必将替代传统模拟量阀门定位器,是阀门定位器的发展趋势。该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一定借鉴意义。

[1] 施引萱,王丹均.仪表维修工[M].北京:化学工业出版社, 2001:365-366.

[2] 吴国熙.调节阀使用与维修[M].北京:化学工业出版社, 2001:213.

[3] 王 森.仪表工试题集[M].北京:化学工业出版社, 2002:223.

[4] 乐嘉谦.仪表工手册[M].北京:化学工业出版社,2004: 383-384.

[5] 蒋志良.智能阀门定位器在化工装置中的应用[J].石油化工自动化,2000,(4):72-74.

[6] 秦起佑.工业自动化仪表[M].北京:机械工业出版社, 1988:867.

[7] 调节阀与阀门定位器,石化仪表自动化培训教材[M].中国石化出版社,2009,154.