气动调节阀在海水淡化的应用分析与探讨

曹美杰，苗勇虎，孙 静，康 雄

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

引言

随着工业企业生产自动化程度的不断提高，自动化控制系统的设计及设备的合理选型显得尤为重要。调节阀作为控制系统的执行单元，直接参与对工业生产过程中的压力、液位、温度等重要参数的调节，必须对其分类结构组成及其特点充分了解掌握后才能做出正确选型，从而设计调试出理想的控制系统，为工业生产服务。

1 气动调节阀的分类及结构组成

1.1 气动调节阀的分类

气动执行器是气动调节阀的核心控制部分，气动调节阀按照气动执行器结构的不同主要可分为薄膜式、活塞式、和齿轮齿条式三种。薄膜式调节阀主要用于直行程调节阀，所需的气源压力较低，动作速度和精确度高，控制调节性能好；活塞式调节阀主要适用于角行程的球阀、蝶阀阀体，行程长，所需气源压力较大，而且执行器体积大，占用空间大，但是输出力或力矩也大；齿轮齿条式气动执行机构有结构简单，动作平稳可靠，并且安全防爆等优点，在发电厂、化工，炼油等对安全要求较高的生产过程中有广泛的应用。

气动调节阀按照执行器工作原理的不同又分为单作用和双作用两类[1]。单作用气动执行器内部带有弹簧单元，在失去气源时，阀门将会处于全开或全关状态，其中气动薄膜式执行器均为单作用模式；双作用气动执行器多见于活塞式气缸，在失去气源时，阀门可保持在原状态不动。必须根据生产现场工艺的实际情况和要求来做出正确的选型。

1.2 气动调节阀的组成及功能

气动调节阀的动作原理就是其阀门定位器根据计算机控制系统给出的4～20 mA 指令信号控制进入气动执行器压缩风的量进而定位控制调节阀阀门开度的，使被调工艺参数维持在所要求的范围内。气动调节阀由气动执行器和阀体两部分组成，气动执行器机构主要由气缸、阀位标尺、支架、电气阀门定位器、空气过滤减压阀、快速排气阀、锁定保位阀等组成。

空气过滤减压阀功能是完成对进入气缸压缩空气的过滤和减压功能，一般可向定位器提供0.3～1.0 MPa 的洁净气源；阀门定位器是执行器的主要附件，它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号，与控制器的指令信号进行比较，当两者有偏差时改变其执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移与控制器输出信号之间的一一对应关系，它对提高调节阀的精确定位和调节具有重要作用；快速排气阀主要用于大执行器的快速复位，对确保生产设备安全具有重要作用，可以用小尺寸的电磁阀实现；当控制回路失气或失电时，锁定保位阀可以将阀位保持原位不动，对保证生产稳定争取故障处理时间具有重要作用；其中电气阀门定位器和过滤减压阀是控制功能的核心部件，必须有这些核心控制部件气动调节阀才能具备远程自动控制调节功能。

2 气动调节阀在海水淡化系统的应用

2.1 海水淡化工艺流程

国内某钢厂热法低温多效海水淡化生产工艺流程如图1所示。低温多效蒸馏海水淡化基本工作原理为：海水淡化的基本过程是海水在真空下的蒸馏（低温蒸发），蒸发器内换热管束水平布置，蒸汽在管内冷凝放热，进料海水喷淋至管束顶部，呈膜状向下流动并吸热部分蒸发生成蒸馏水，因此装置称为水平管降膜式低温多效蒸发器[2]。由图1 可以看出，生产过程中涉及到的介质有蒸汽、浓盐水、冷凝水、蒸馏水等介质，生产过程的主要控制参数有三种水介质的液位、浓盐水的第一效温度,由减温减压站进入海水淡化蒸发器的蒸汽温度、压力等参数。

海水淡化生产过程自动化程度高，所有介质的温度、压力、流量、液位等参数都必须按照目标设定值自动调节，生产介质的参数要想准确稳定自动控制在目标值范围内，必须有可靠的调节阀对介质进行实时精确调节才能实现。

图1 海水淡化工艺流程

2.2 气动调节阀在海水淡化系统的应用

由以上工艺生产流程可以看出，介质的参数自动调节要求快速精确，确保整个海水淡化生产过程自动化稳定可靠。海水淡化主体蒸发器和蒸汽减温减压站选用的是气动调节阀。

（1）海水淡化浓盐水、冷凝水、蒸馏水液位的自动调节是生产的重中之重，

此外，为了保障农田水利能够进行大面积的喷射，应在喷灌机的上面安装喷头，确保喷灌机能够大面积的喷灌，克服局限性的影响。在设计农田灌溉路线的过程中，可对其自由设计，如自动的移动喷灌机，通过不断移动喷灌机使农田水利的各个方位和方向达到灌溉的效果。

在生产过程中，这些介质的液位调节阀需要实时做出频繁的调整动作才能确保液位稳定在目标值范围内，因此调节阀动作不仅要快速精确，而且还能经受住小范围内的频繁动作调整，这都对调节阀的气动执行器提出了很高要求。鉴于以上要求，海水淡化蒸发器主体的浓盐水、海水、冷凝水和蒸馏水介质8 套气动调节阀全部选用的是意大利Servovalve品牌的气动调节阀。

其中，为了确保失电或失气情况下海水淡化主体管道设备安全，海水排放调节阀选用的是单作用气关式，其他的位置选用的是单作用气开式。该型号系列的调节阀采用了全新的执行机构，采用机械运动学曲柄系统取代了传统的拨叉式执行机构，可确保非常精确的响应速度和精度，从而获得最佳的阀门定位控制，保证了恒定的性能和长期可靠的运行，而且选配了手动装置，一旦无法远程控制，也可实现就地紧急手动操作。为该调节阀选用的是西门子SIPART PS2 系列阀门定位器。该阀门定位器安装简单，可对气动调节阀进行自动初始化标定调试，在稳定状态下耗气量低，且该定位器在直行程和角行程调节阀可通用，抗振动干扰强，在高温潮湿环境下均可长时间安全稳定运行。该系列智能电气阀门定位器功能原理图如图2 所示，它采用微处理器对给定值和位置反馈作比较，如果微处理器检测到偏差，就用一个五步开关程序来控制气路的压电阀，压电阀进而调节进入执行机构的气流量，进而可实现对调节阀阀位的精确控制和调节。

图2 西门子SIPART PS2智能电气阀门定位器功能原理图

（2）海水淡化减温减压站选用的是正作用薄膜式气动调节阀。薄膜式气动执行机构结构简单，使用可靠，而且价格相对较低，性价比高，很适用于减温减压站的潮湿环境中，而且维护检修方便。该调节阀包括阀门定位器、过滤减压阀、减速装置、推力结构、机械限位和阀位反馈组件等，其中控制核心部件阀门定位器用的是西门子SIPART PS2 智能电气阀门定位器，和海水淡化主体选型相同；调节阀阀体为套筒型，有利于蒸汽压力和流量的精确稳定调节。

3 气动调节阀在海水淡化的应用效果分析

3.1 气动调节阀在海水淡化减温减压站自动控制中的作用

下面以海水淡化减温减压站控制系统为例说明气动调节阀在生产工艺流程的安装位置和自动控制系统中的作用。海水淡化主体生产对蒸汽的压力和温度参数有着严格要求，进主体的蒸发器的蒸汽压力温度必须稳定控制在0.3 MPa和150 ℃才能确保海淡主体蒸发器高效运行，而该钢厂的管网蒸汽压力温度为0.6～1.0 MPa 和260 ℃左右，因此必须通过蒸汽减温减压站对其控制和调节。

海水淡化减温减压站控制系统流程图和控制原理框图如图3 所示。在该系统中，蒸汽主路旁路和减温水调节阀均选用的是薄膜气动调节阀，用于实现对二次蒸汽压力和温度的自动调节。控制框图中的执行机构对应的是工艺流程中的气动调节阀。例如对于控制对象二次蒸汽压力来说，其对应的执行机构为蒸汽调节阀（在实际生产中，主蒸汽调节阀起粗调作用，一般处于手动运行状态，旁路调节阀起细调作用，一般处于自动运行状态），测量元件为压力传感器和变送器；压力的目标设定值sp(n)与压力的实际测量反馈值pv(n)经运算后得到偏差信号ev(n)，偏差信号ev(n)再经PID 控制器[3]分析运算处理后得到控制信号mv(n)，控制信号mv(n)经D/A转换后形成4～20mA的模拟量控制信号传送给执行机构蒸汽气动调节阀，通过压力调节阀阀位的控制来实现二次蒸汽压力的稳定并与压力设定目标值一致。

图3 海水淡化减温减压站控制系统流程图和控制原理框图

3.2 气动调节阀在海水淡化的应用效果

一个设计科学合理的自动控制系统的有效投入和运行离不开性能良好的执行器，而经过海水淡化的生产实践证明，气动调节阀在海水淡化生产过程自动控制中取得了良好的控制效果，像在生产过程中海水淡化主体蒸发器浓盐水液位、减温减压站二次蒸汽的压力和温度等工艺参数都是非常关键的控制对象，在控制系统中这些参数的目标值和仪表测量反馈值的对比偏差经过PLC 控制系统的控制器程序计算分析后发出控制命令给气动调节阀，气动调节阀都能够快速准确调节介质的流量，从而使浓盐水液位、减温减压站二次蒸汽压力和温度自动稳定在目标值范围内，如图4，从图4 中可以看到这些关键工艺参数都取得了良好的控制效果。

图4 海水淡化浓盐水液位和二次蒸汽压力温度趋势图

4 气动调节阀的周期管理与预防检修机制

4.1 一起海水淡化气动调节阀的典型故障分析

（1）故障经过

自动化专业人员通过对阀门进行反复研究分析，认为阀门定位器存在问题，10 月15 日对阀门定位器进行更换，阀门恢复自动运行。

（2）故障分析

调节阀出现故障后，阀门定位器既不进气也不泄气，阀门不动作，由此判定定位器内部气路存在异常。将故障阀门定位器进行解体分析，发现内部气路的硅胶密封垫经长期运行后出现破损；由此可以确定阀门定位器的故障点就是内部气路的硅胶密封垫破损。

由这起典型故障问题可以看出，气动调节阀只要选型合适，控制策略设计合理，其在工业自动化生产过程中扮演了非常重要的角色，而且工作性能稳定，自动控制调节效果良好。但是如果不注重调节阀各个部件的周期管理和检修，经过长时间运行后很可能某个部件会出现故障，尤其是关键位置的调节阀如果出现故障很可能会对生产造成较大影响，给其他设备的安全稳定运行带来隐患。所以做好调节阀的周期管理维护和检修非常重要。

4.2 气动调节阀周期管理维护和检修

（1）气动调节阀执行器的气缸要做好周期检测和维修工作，对于薄膜式执行机构每年都要定期拆卸检查修理，重点检查测试弹簧性能是否完好，薄膜作为易损件要重点检查有无破损和腐蚀，一旦有破损或腐蚀必须更换；对于齿轮齿条式执行机构每年要对传动部位进行润滑油添加补充，同时也要对气缸进行检查，检查内部有无磨损，以便及时发现修复处理。

（2）阀体一般每年只需检查有无变形和腐蚀即可，尤其对于套筒式阀体要检查内部套筒有无异物堵塞，及时清理异物，阀芯还要定期研磨，确保阀体动作灵活不卡涩。

（3）过滤减压阀主要对压缩空气起到调节和过滤作用，确保进入定位器及气缸内部的压缩空气品质良好符合要求，为调节阀气动执行器长周期安全稳定运行提供保证；因此需要对其做好日常维护检查，每2年对其滤芯进行更换，避免滤芯破损确保压缩风质量符合要求。

（4）阀门定位器每年都要结合调节阀检修进行初始化标定调试，重点记录初始化调试过程所需时间，阀位给定、信号反馈与实际阀位是否一致，确保定位器完好；但是由上述海水淡化故障可以看出，阀门定位器也要结合现场使用环境、调节频率等因素合理确定更换周期，做好预防性周期更换。比如海水淡化减温减压站是高温高湿环境，通过实践经验可以确定该部位的定位器更换周期为2年最经济合理，浓盐水调节阀调节动作频率高且处于露天环境，也是按2年周期进行更换，其他位置可根据检修调试数据记录情况进行检查更换，如每年检修调试正常，一般更换周期定为5年是最经济合理的，这样在检修周期内可以避免非计划停机事故的发生，以最低的备件费用支出确保海水淡化系统高效连续稳定运行。

（5）平时还要做好日常设备点检工作，重点检查气源管路接头位置和气缸气密性是否良好，阀门定位器阀位反馈连接件安装是否牢固等。

通过设备周期管理和预防检修机制的建立，不仅可以增加调节阀的使用寿命，避免非计划停机事故发生，也对生产稳定、提高经济效益具有重要意义。

5 总结

通过研究分析某钢厂海水淡化气动调节阀的选型和应用效果，明确了不同类型的调节阀在工业自动化生产过程中的重要作用和优势。通过一起调节阀的典型故障分析，说明了调节阀的周期管理和预防检修机制的重要性。该钢厂海水淡化生产过程中充分做好了设备周期管理和预防检修机制，自2014年以来没有再出现过非计划停机事故，保证了海水淡化的达产达效，为该钢厂的除盐水用水安全提供了保证。