王福珍

(康泰斯(上海)工程公司設(shè)計院,上海 201203)

1 控制閥保位的必要性

不同工藝系統(tǒng)的控制需求決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同的失效安全工作模式。失效安全模式的選擇原則首先是安全生產(chǎn),其次是連續(xù)性。

在工程實踐中,當(dāng)遇到自控系統(tǒng)的氣源、電源及輸出信號故障時,不同的場合對閥門的狀態(tài)有不同的要求,這些要求往往是出于安全和盡量減少故障損失方面的考慮,另外在安全的情況下,盡量保持裝置生產(chǎn)的連續(xù)性也是需要考慮的一個重要方面。這就要求自控系統(tǒng)采取一些必要的安全保護(hù)措施。例如:在用蒸汽對罐內(nèi)的物料進(jìn)行加熱時,如果遇到氣、電故障,應(yīng)將蒸汽的入口閥門關(guān)閉,切斷蒸汽,即故障關(guān)(Fail to close),以防罐內(nèi)物料過熱結(jié)焦;再如在水冷卻物料系統(tǒng)中,遇故障時,則希望冷卻水不要被切斷,此時要求水入口調(diào)節(jié)閥故障開(Fail to open);而有些特殊的場合則希望故障出現(xiàn)時,閥位保持在原來的位置不變,以保持流體的穩(wěn)定流量,如高溫高分子中間聚合物的夾套管的蒸汽溫度控制閥,一旦故障,全開會導(dǎo)致主管道內(nèi)物料的結(jié)焦,全關(guān)則可能會導(dǎo)致熔體輸送管線內(nèi)的高分子聚合物冷卻凝結(jié),堵塞管線,此種情況下故障閥門需要保位(Fail to lock),以確保物料輸入的穩(wěn)定連續(xù)性。這就要求控制閥在設(shè)計中實現(xiàn)故障時安全的“三斷”(斷氣、斷電、斷信號)保護(hù)措施。工程中常見的三種安全失效模式如圖1所示。

圖1 工程中常見的三種控制閥安全失效模式

確切說,前兩種情況下的調(diào)節(jié)閥已經(jīng)失去調(diào)節(jié)作用,只是在失效前采取了安全的失效模式,而對于故障保位的失效模式來說,相對穩(wěn)定的控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)閥是在憑借“記憶”或“慣性”調(diào)控著介質(zhì)的流量,在一定的時間內(nèi)確保生產(chǎn)的穩(wěn)定連續(xù)性,給出維護(hù)設(shè)備安全和儀表檢修故障原因的時間,減少因為偶然的小事故而導(dǎo)致的停車或安全事故的發(fā)生,同時也減少由之而來的損失和危險。

2 故障保位系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型和所需的失效安全工作模式?jīng)Q定了附件的配置結(jié)構(gòu)。

常見的控制閥可分為電動閥和氣動閥兩大類。電動閥實現(xiàn)保位較為簡單,它由電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,當(dāng)斷電時,電機(jī)停止運轉(zhuǎn),電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止運動,閥門自然保持在故障時的位置,即實現(xiàn)了故障保位功能,但是它只有故障保位功能而無故障關(guān)、開的功能。氣動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)故障開和故障關(guān)相對來說比較容易些,但要實現(xiàn)故障保位則需要一系列的附件來協(xié)助才能完成保位功能。

氣動調(diào)節(jié)閥在正常工作時,需要由系統(tǒng)提供氣源、電源、信號源,這些是調(diào)節(jié)閥正常工作的必要基礎(chǔ)保證。一般工廠的DCS都會被設(shè)計為雙路供電,而且設(shè)有UPS,故而斷電時故障保位相對考慮得較少,除非是很關(guān)鍵部位的氣動控制閥才會設(shè)有“三斷”的故障保位,或者考慮其斷氣和斷信號時的保位功能,較常見的是只考慮斷氣保位功能,即常說的工程上的保位。

實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的故障保位就要求調(diào)節(jié)閥在設(shè)計上設(shè)有故障時安全的“三斷”保護(hù)措施。實際工程中,調(diào)節(jié)閥的故障保位方案有多種,所需的附件亦是多種多樣。下面就單作用調(diào)節(jié)閥的“三斷”保位措施進(jìn)行分析。

2.1 斷電保位措施

a)采用兩通電磁閥,其連接如圖2所示。在定位器的輸出氣源信號到控制閥膜頭之間的線路上加接一通電開的兩位兩通電磁閥FY-001,其電源與控制閥的電源回路串接在一起。當(dāng)控制閥的電源出現(xiàn)故障時(失電或者電源低于限定值),該電磁閥動作,定位器與膜頭之間的氣路被關(guān)斷,電磁閥后的氣路成為封閉的氣路,保持關(guān)斷前的壓力加在調(diào)節(jié)閥的膜頭上,從而使調(diào)節(jié)閥的開度維持在故障前位置,實現(xiàn)失電保位的功能。

b)采用智能定位器。有些閥內(nèi)部具有電磁閥的智能定位器,可以通過編程或者附加輸入功能來鎖定閥位或者驅(qū)動閥門達(dá)到保位功能。目前智能閥門定位器的應(yīng)用還不是很普遍,而且各個廠家的產(chǎn)品“智能”程度不一,在選用時需要注意內(nèi)部是否有氣路切斷電磁閥。

圖2 采用兩通電磁閥的保護(hù)方案

2.2 斷氣保位措施

a)采用氣動保位閥。對于氣源故障的保位來說,氣動保位閥是首選附件,用于重要自動控制回路中作為安全保護(hù)裝置的氣動單元組合輔助單元。氣動保位閥(又叫氣動鎖止閥)本身是一種單彈簧結(jié)構(gòu)。單作用定位器可選用單通道氣動保位閥,雙作用定位器可選用雙通道氣動保位閥。當(dāng)控制系統(tǒng)氣源故障(失氣)時,氣動保位閥自動關(guān)閉,將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內(nèi),輸出信號壓力與控制閥彈簧產(chǎn)生的反力相平衡,氣動控制閥的閥位保持在故障位置,以保證工藝過程正常進(jìn)行,直至氣源事故消除,正常供氣后保位閥自動打開恢復(fù)正常工作。氣源保位閥應(yīng)設(shè)定在略低于氣源的最小值時啟動。

聚酯項目現(xiàn)場的終聚釜入口的液位控制閥LV-11602,為最終反應(yīng)器R-101的進(jìn)料液位控制閥,反應(yīng)器出口的高溫熔體要求精確的黏度控制以保障產(chǎn)品的質(zhì)量,黏度控制的兩個關(guān)鍵因素是溫度和壓力穩(wěn)定;要控制溫度和壓力穩(wěn)定,進(jìn)料液位就必須連續(xù)、穩(wěn)定,否則液位波動就會波及溫度和壓力,溫度控制精度要求0.1%,否則就會產(chǎn)出色澤較差的成品絲。除了在投產(chǎn)之初該閥關(guān)閉,一旦打開生產(chǎn)運行之后,就必須持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)料,保證產(chǎn)品的質(zhì)量;所以設(shè)計要求該調(diào)節(jié)閥氣源故障保位。采用的保位措施就是利用Type 167DA保位閥,其連接原理如圖3所示。

圖3 采用氣動保位閥的保護(hù)方案

b)閉鎖閥,也稱氣控?fù)Q向閥。顧名思義,故障時可轉(zhuǎn)換氣路流向的氣控元件。它是氣源故障保位另一種方案中采用的重要附件。該方案由儲氣罐、止回閥、閉鎖閥、截止閥等組成。其工作原理如圖4所示。

圖4 采用閉鎖閥的保護(hù)方案

當(dāng)氣源故障(失氣)時,止回閥關(guān)閉,閉鎖閥信號檢測失氣,閉鎖閥的滑閥在彈簧的作用下復(fù)位,氣路換向,進(jìn)口1與信號出口斷開,切斷系統(tǒng)的氣源管路,儲氣罐管路進(jìn)口2與信號出口接通,由儲氣罐向閥門供氣,可以保證閥門有若干次動作,實現(xiàn)連續(xù)控制的目的。由于儲氣罐的容量有限,且儲氣罐中的氣源壓力會隨著閥門動作不斷下降,所以不可過長時間地使用儲氣罐為閥門供氣。該方案在氣源故障時,閥門動作的次數(shù)與儲氣罐的容量有關(guān)。

2.3 斷信號保位措施

對于常見的使用電-氣轉(zhuǎn)換器和氣動閥門定位器的控制閥來說,斷信號保位措施如圖5所示。即將來自控制室的4～20 mA信號同時引至電子開關(guān)(失電檢測器),再由電子開關(guān)控制一個接在定位器輸出到膜頭的管路上的兩位直通電磁閥。當(dāng)控制回路的信號缺失時,電子開關(guān)會使兩位直通電磁閥失電關(guān)閉,將定位器的輸出信號壓力鎖定在氣動控制閥的膜室內(nèi),原理同2.2中斷氣保位措施一樣,只是該措施的檢測信號受控于來自控制室的信號。由于此種故障時現(xiàn)場閥位的信號無法由原來的通道反饋回總控室,因此需要添加位置反饋信號給總控,信號由閥位信號返回器給出。

對于比較普遍的使用電-氣閥門定位器的控制閥來說,采用兩線制的接線方式,只需要采取“兩斷”(斷氣、斷信號)的保護(hù)措施即可,系統(tǒng)調(diào)試稍麻煩一點,能夠普遍適用于防爆要求嚴(yán)格的場合。需要指出的是,保位閥在氣路切斷后,只能在短時間內(nèi)維持氣壓穩(wěn)定,如果需要較長時間的閥位穩(wěn)定,則必須采用配置閉鎖閥的方案來確保故障保位較長時間的實現(xiàn)。

3 “三斷”保位綜合分析

由以上分析得出:在一些需故障保位場合,如果在斷電不斷氣的情況下,可用通電開的二通電磁閥實現(xiàn)保位功能,在斷氣不斷電的情況下,可采用保位閥或者閉鎖閥實現(xiàn)該功能。對一些特別重要的場合,為防止斷電、斷氣帶來的影響,可同時用二通電磁閥和保位閥。為減少在現(xiàn)場安裝時的不必要麻煩,可由閥門生產(chǎn)廠家完成系統(tǒng)的成套安裝工作,從而提高系統(tǒng)的可靠性。用戶只要在控制閥訂貨時注明故障時保位(Fail to lock)即可。對于雙作用的調(diào)節(jié)閥的保位原理同上,只不過是在雙作用的控制氣路管線上各自添加保位閥和電磁閥,確保故障時將兩個氣室的壓力鎖定。

圖5 斷信號的保拉措施

以上為硬件方面實現(xiàn)的故障保位。其實在DCS內(nèi)部,還有一種故障“保位”,就是在DCS內(nèi)部信號的“軟保位”。所謂的“軟保位”,就是DCS內(nèi)部檢測到模擬輸入信號為壞質(zhì)量(Bad)或者DCS部分輸入卡件通道故障時,針對裝置的關(guān)鍵儀表位號的輸出通道的電位信號,在軟件內(nèi)部設(shè)置的“信號保持”功能,故障時可設(shè)置輸出為0,100%或者是Hold。它可以在DCS某些卡件故障時,不會引起關(guān)鍵儀表輸出的波動而影響生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。但是這種輸出保位僅局限于輸入無信號或者壞質(zhì)量時,輸出信號后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能否真正地實現(xiàn)保位無法保障,所以只能說是部分意義的故障保位。

關(guān)于控制系統(tǒng)的“三斷”保護(hù)措施,很多的閥門廠家針對工程實例中的不同需求,已經(jīng)研制開發(fā)了多種不同的措施來確保控制系統(tǒng)的各種隱患所導(dǎo)致的安全保位方案。

雖然保位實現(xiàn)的方法各有特點,但保位的內(nèi)容和意義并未改變。相信隨著科技的發(fā)展,自控技術(shù)將會日趨完善,控制策略實現(xiàn)的方式也將日趨精細(xì)。

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