航天炉粉煤加压气化装置阀门阀位检测故障原因分析与改造

顾 晨, 李西科

(安徽晋煤中能化工股份有限公司 安徽临泉 236400)

安徽晋煤中能化工股份有限公司(以下简称安徽晋煤中能公司)600 kt/a 合成氨节能技术改造项目设计有锅炉、空分、气化、净化、合成等单元,项目成功开车运行已有两年多时间。 其中气化单元采用航天炉粉煤加压气化技术,操作系统采用霍尼韦尔(Honeywell)公司的过程控制系统Experion PKS501,远优于集散控制系统,是新一代过程自动化系统。 自控阀门作为流量调节控制的主要设备,在控制高度自动化的粉煤气化生产装置中有着大量的应用,是化工生产控制系统中最为重要的环节之一,尤其是远程控制阀门的精确调节、阀门位置行程的正确反馈极为重要,阀门位置检测异常问题必须得到妥善处理和解决。

1 故障现象

工艺操作人员在对气化单元进行生产监控时发现,现场部分远程控制阀门位置反馈信号异常,表现为阀门开关动作后阀位反馈信号延时迟滞严重,阀位反馈信号无法稳定,即阀门开关状态频繁跳变,给工艺操作人员的正常操作带来了严重干扰,威胁气化装置的安全稳定运行。 通过对现场阀门逐一检查后发现,阀门动作正常、无卡顿,阀门全开全关正常到位,阀位检测信号在现场端能正常送出。 现场阀门位置检测开关是通过线缆与机柜内的安全栅连接,通过安全栅隔离转换后将阀位信号送入数字量输入卡件,最终被DCS 控制器采集。 在对机柜间进行检查时发现,操控阀门动作到位后,阀位信号对应通道的安全栅反馈指示灯无变化,通过测量确认安全栅输出信号异常,无状态变化。

2 原因分析

首先对DCS 系统机柜的屏蔽接地、信号传输线缆进行了全面排查,未发现异常情况,初步判断阀位反馈异常是阀位检测开关与安全栅匹配异常造成的。 气化装置现场岗位阀门阀位信号检测开关为VS10N001C2型微动开关,与之匹配的是德国KCD2-SR-Ex1.LB 型开关量输入安全栅。

2.1 微动开关

微动开关又名速动开关,因其开关触点间距小,受压促动后能快速转换开关状态而得名[1]。微动开关具有价格低廉、经济实惠、体积小且结构形式多样等特点,在通断状态需频繁进行切换的场所,如气化装置渣锁斗卸料、气化装置渣锁斗进口切断等处,得到较为普遍的应用。

VS10N001C2型微动开关结构示意见图1。阀位检测微动开关主要由动触头、静触头、作用弹簧、操作钮、接线端和胶木外壳等组成,内部为一常开一常闭式结构,接线端1 为信号输出公共接线端,接线端2 中一个为常开式接线点,另一个为常闭式接线点,设有弯片状弹簧的瞬动机构,具有较高的触头动作准确性。 未受力时,动触头处于静止状态,与其中一个静触头连通;在阀位检测时,当阀门到达检测位置后,操作钮受力作用在作用弹簧上,使其发生位移,当位移变化到达作用弹簧临界点时,作用弹簧连带动触头产生瞬时动作,让作用弹簧末端的动触头和与其连接的静触头迅速断开,完成输出信号的接通或分断,并通过输出信号线缆将信号送出,将阀门位置变换转换成机械开关信号被采集;当操作钮所受外力消除后,作用弹簧能量被释放并发生反向位移,动触头在作用弹簧的带动下自动复位[2]。 微动开关实际上是一种在机械受力作用下完成通断状态切换的干触点信号发生装置。

图1 VS10N001C2 型微动开关结构示意

2.2 安全栅

安全栅也称安全限能器,可以在安全区和危险区间进行电信号的双向传递,并可限制因故障引起的能量由危险区向安全区传送,是安全系统中的重要组成部分[3]。 安徽晋煤中能公司选用的KCD2-SR-Ex1.LB 型安全栅为单通道隔离栅,24 V 直流电源供电,干触点或NAMUR 信号输入,2 路继电器触点输出,开关频率≤10 Hz,可将现场NAMUR 传感器或干触点的数字量信号从现场危险区域传输至室内非危险区域,控制侧负载为机械触点控制式继电器输出触点或接近传感器。 此型号安全栅为常规继电器输出安全栅,在故障情况下其内部继电器处于断电状态。 通过查阅数据技术手册后发现,该型号安全栅电气寿命最大为105次开关周期,最大开关周期次数取决于控制侧电气负载情况。 数据技术手册给出的KCD2-SR-Ex1.LB 型安全栅电气寿命与电气负载关系见图2。

图2 KCD2-SR-Ex1.LB 型安全栅电气寿命与电气负载关系

2.3 原因分析

通过分析现场所采用的阀位检测微动开关的作用原理及与其配套使用的开关量输入安全栅的电气特性数据发现,所采用的常规继电器输出安全栅的机械开关周期和电气寿命都有次数限制。现场阀位检测异常的阀门都是需频繁进行通断状态切换的关断阀,如渣锁斗卸料阀、渣锁斗进口切断阀、渣锁斗循环泵回流切断阀、渣锁斗事故切断阀等,有着非常高频次的开关动作,平均每天开关20 次左右。 项目开车后,这些通断状态高频次切换的阀门即投入运行,与其阀门位置检测开关配套使用的安全栅随着开关次数的不断增加,当电气开关周期达到使用上限时,就会发生安全栅无输出信号或安全栅输出信号无法稳定等情况,并最终导致阀门阀位检测信号出现异常。

3 问题的解决与验证

分析阀位检测信号异常情况后,可以判定故障原因为所采用的安全栅电气开关周期无法满足实际生产中阀门开关次数的要求。 进行技术数据对比和参数分析后,考虑同时兼顾安装方式和规格型号等情况,安徽晋煤中能公司决定选用德国KCD2-SOT-Ex1.LB 型安全栅替代原有型号安全栅。 KCD2-SOT-Ex1.LB 型安全栅为单通道隔离栅,24 V 直流电源供电,干触点或NAMUR 信号输入,2 路无源晶体管输出,开关频率≤5 kHz,完全兼容原有安全栅的安装方式,可以方便地完成控制机柜内安全栅的更换。 KCD2-SOT-Ex1. LB型安全栅负载输入控制双路无源晶体管输出,电气寿命不受开关周期次数制约,与常规的继电器输出安全栅相比,晶体管输出安全栅能更好地适应输入侧开关动作信号频繁变化的使用场合。

更换阀位检测反馈异常点位对应通道的安全栅后,再操作阀门开关,阀门阀位检测信号能够正确返回。 对更换后的安全栅进行了半年的跟踪观察,发现此型号安全栅可长周期稳定地对阀位检测信号进行准确无误的反馈,能够满足安全生产的需求。 为此,统计所有需要频繁进行开关状态切换的阀门,将其对应通道机柜内的安全栅全部更换,彻底解决了气化单元阀门阀位检测信号异常的问题,保证了气化装置的安全稳定运行。

4 结语

综上所述,设备的选型和适配问题十分重要,实际生产中应结合不同的使用环境和实际生产需求作具体分析,正确选用合适型号的器件设备,以保证生产装置的长周期安全稳定运行。