气动调门零位突摆原因分析及解决方案

杨峰

摘 要：托克托5号机组过热减温水调门2015年11月在阀门关到0位之后频繁出现阀门突开的情况，经过多次排查，发现其反馈装置设计有问题，死区较大，导致调门在零位附近会发生摆动。虽然目前有一些成熟的方案可以解决但无法在线对其进行更换，同时需要专用的备件，采购周期较长。本文提出一种简单可以行的方式来应对这种状况，不需要额外采购设备，并且获得了良好的效果。

关键词：调门反馈装置 死区间隙

中图分类号：TM621文献标识码：A文章编号：1003-9082（2019）04-0-02

引言

托克托5号机组过热减温水调门2015年11月在阀门关到0位之后频繁出现阀门突开的情况，经过多次排查，发现其反馈装置设计有所问题，零位死区偏大。该调门使用的非西门子专用的防死区反馈连杆。虽然目前国内外都有一些成熟的方案可以解决这个问题，但无法在线对其进行更换，同时还需要额外采购反馈装置，导致消缺周期变长，成本增加。本文提出一种简单可以行的方式来应对这种状况，经过在托克托发电厂5号机组过热减温水调门上的试验，获得了良好的效果。

一、故障情况

5号机组过热减温水调门2015年11月在阀门关到0位之后频繁出现阀门突开的情况，最多可达到4%左右，同时流量也跟着发生突变，严重影响主汽温的调节品质。多次对阀门进行定位，但没有明显效果。就地观察调门，调门在有规律的突开，频率不高但是速度很快。突开时有明显的噗噗的声音，并伴随管道明显的过流声音。其故障曲线如下图所示：

二、原因分析

经检查5号机组过热减温水调门气动执行机构定位器与气动门之间使用的反馈连杆联接如图2所示。整个反馈装置由与定位器链接的反馈杆、与执行器门杆相连的U型滑道以及链接两者的滑销组成。滑销与反馈杆之间使用螺丝固定，为固定端，随着气动调门开度的变化，U型滑道随门杆上下移动，通过滑销带动反馈连杆转动，最终将气动门的上下活动量转换为反馈连杆的转动角度。定位器通过对反馈杆角度的感知获得当前阀位信号，通过与指令比较，形成反馈调节系统，最终控制压缩空气通断来调节气动调门的阀位。为了保证反馈杆可以自由活动，滑道的宽度略大于销子的直径，随着阀门上下动作，滑销在U型滑道内有一定的前后位移，长时间的动作会使滑销有一定的磨损，这些间隙和磨损会使反馈装置有一定的死区。在与阀门连接的U型滑道不动的情况下，这些死区会使反馈杆有一定的活动空间，即在实际阀位为发生变化时，定位器阀位反馈有可能有多个数值。在正常情况下，定位器的反馈连杆没有卡涩，和反馈杆固定的滑销可以通过反馈杆的自重在阀门动作时始终紧压在U型滑到的下边，没有死区导致的相对位移，阀门可以正常的工作。当定位器的反馈连杆使用时间较长，或者在灰尘比较多的地方工作一定时间后，其自身转动将会有一定的卡涩，无法通过自身重力来使其转动使。这时当阀门向下关闭，U型滑道的只能通过其上边带动反馈杆动作，阀门关至零位，U型滑到和滑销之间的死区给了反馈杆一定的向下活动的空间。

这时如果直接通过定位器自动定位的话，定位器会将该位置定为零位。定位完成后，由于阀门管道内有介质流动，阀门正常工作时会有一定的震动，长时间震动会使反馈杆因为重力向下缓慢移动，直到滑销接触到U型滑道的下边或者达到定位器设定的死区范围之外为止。

这时阀门实际没有动作，但反馈变小，指令是0%而反馈小于指令时该门会通过通入压缩空气来进行调节（该门是气开门）。一般来说承压的阀门阀门在全关位是有一定卡涩的，刚开始进压缩空气时，气压时不足以顶起整个阀门，只有达到一定的气压阀门才会开启。当阀门打开一定开度，卡涩现象消失之后，过量的压缩空气会顶开阀门，导致阀门的阀位出现跳变，不仅会导致阀门漏流，还会缩短阀门使用寿命。

综上所述，该门在零位突摆的主要原因有三点，一是反馈装置存在一定的死区，且死区大于定位器设定的死区范围，二是反馈杆有轻微卡涩，在全关之后还可以因为震动而改变位置，三是调门在全关位置有一定的卡涩。三个条件同时出现时就会导致调门突开，解决任意一个都可以解决这个问题。承压调门在全关位有一定的卡涩现象是普遍存在不可消除的因素，所以我们的重点是在死区和卡涩问题。而原因一和原因二的本质是一样的，前者是将死区消除，后者是屏蔽死区的影响不让它显示出来。都是解决死区间隙的问题。

三、现有解决方案

目前各个调门定位器厂家都有着直接比较成熟的解决方案，其重点是在消除滑销与U型滑到之间的死区间隙，以下以西门子定位器和梅索尼兰定位器举例：

1.西门子方案

西门子定位器普遍使用带有弹簧的滑销和光滑的U型杆状滑道作为其反馈装置。滑销前部套一个尼龙顶套，通过弹簧将其压入U型杆状滑道，尼龙顶套为子弹头形状，前小后大，只要正确安装就可以弹簧的弹力可以保证滑道与尼龙顶套之间紧贴，没有间隙。同时杆状的U型滑到非常光滑，保证了尼龙滑销前后的正常滑动。

2.梅索尼兰方案

梅索尼兰定位器改进的是滑道部分，在滑道上安装一根弹簧，弹簧的加入实际上是将U型滑道的宽度变为了一个自适应的宽度。即使插入不同直径的滑销，滑道都可以通过弹簧的弹力将滑销始终固定在滑道的上部，从而消除了反馈间隙。这样即使滑竿有一定的磨损，弹簧也可以保证整个系统没有死区间隙。

除了以上方案，还有一些厂家直接取消了气动门与定位器的机械连接，通过非接触式位置传感器来确定阀门位置，阀门固定一磁体，而定位器这边则安装磁感应传感器，通过感应磁场的位置来获得阀门的实际位置，这样就从根本上解决了反馈间隙的问题。目前西门子和FISHER都有相应的解决方式。

四、本文提出的解决方案

以上各定位器厂家的方案都是通过解决反馈间隙导致得死区问题而设计的，但上述方案均需要采购专用的备件，对整个定位器反馈装置进行改造，工作量大、费用高，最重要的是无法在线操作，只能将阀门完全隔离之后再进行工作。这样的方式比较适合新阀门的安装，而对于现场大量存在的非厂家原配反馈装置、甚至是自制的反馈装置的调门来说不太适合。

為了实现消除反馈间隙的问题，只需要将滑销始终固定在滑道的一边即可，梅索尼兰是通过弹簧力来实现的，通过重力也是可以实现相同功能，本文提出的反馈杆结构图3所示

与原有方式相比，本文在反馈杆的最末端增加了一个配重块，通过该配重块的重力将滑销始终压在滑道的下边上。无论何时，阀门在那种开度时，滑销始终压在滑到下边，这样即可消除死区对阀门开度的影响。

使用本方案只需在反馈杆末端固定一个配重块即可，配重块的重量可以多次尝试，直到反馈杆可以通过自身重量压动自身转动即可。在应急的状态下可以不用如上图所示进行钻孔，使用现场已有的材料即可对阀门进行改造，比如托克托电厂5号机组过热减温水调门就是通过在反馈杆外侧捆绑一个较重的螺母来实现的。

结语

日常工作中，我们也经常会碰到定位器摆动的问题，其原因有很多，比如PID参数设置不合理、死区设置不合理、阀门气密性不佳等等问题。本文出现的问题在鉴别起来是非常的简单，就看阀门在正常关闭后反馈杆是否自己继续向下摆动，阀位显示是不是出现了负值。

图3是，托克托电厂5号机组过热减温水调门在改造后的范围流量曲线，图中红线为阀门开度的反馈值，蓝线是该门的流量反馈，黑线是指令（一直为零）。改造前，减温水调门在全关状态下阀位不时会发生的跳变，就地观察也发现门有不规律的突开突关现象，同时该门一直存在着漏流现象。改造之后阀门全关后不再摆动，曲线也很平滑没有大幅的跳变，漏流现象基本消除，可见本方案对提高阀门调节品质有着非常好的效果。目前该方式已在多台气动调门上试验，效果理想。