曹美杰，苗勇虎，孫 靜，康 雄

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

引言

隨著工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)備的合理選型顯得尤為重要。調(diào)節(jié)閥作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，直接參與對工業(yè)生產(chǎn)過程中的壓力、液位、溫度等重要參數(shù)的調(diào)節(jié)，必須對其分類結(jié)構(gòu)組成及其特點(diǎn)充分了解掌握后才能做出正確選型，從而設(shè)計(jì)調(diào)試出理想的控制系統(tǒng)，為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

1 氣動調(diào)節(jié)閥的分類及結(jié)構(gòu)組成

1.1 氣動調(diào)節(jié)閥的分類

氣動執(zhí)行器是氣動調(diào)節(jié)閥的核心控制部分，氣動調(diào)節(jié)閥按照氣動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的不同主要可分為薄膜式、活塞式、和齒輪齒條式三種。薄膜式調(diào)節(jié)閥主要用于直行程調(diào)節(jié)閥，所需的氣源壓力較低，動作速度和精確度高，控制調(diào)節(jié)性能好；活塞式調(diào)節(jié)閥主要適用于角行程的球閥、蝶閥閥體，行程長，所需氣源壓力較大，而且執(zhí)行器體積大，占用空間大，但是輸出力或力矩也大；齒輪齒條式氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡單，動作平穩(wěn)可靠，并且安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)電廠、化工，煉油等對安全要求較高的生產(chǎn)過程中有廣泛的應(yīng)用。

氣動調(diào)節(jié)閥按照執(zhí)行器工作原理的不同又分為單作用和雙作用兩類[1]。單作用氣動執(zhí)行器內(nèi)部帶有彈簧單元，在失去氣源時(shí)，閥門將會處于全開或全關(guān)狀態(tài)，其中氣動薄膜式執(zhí)行器均為單作用模式；雙作用氣動執(zhí)行器多見于活塞式氣缸，在失去氣源時(shí)，閥門可保持在原狀態(tài)不動。必須根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場工藝的實(shí)際情況和要求來做出正確的選型。

1.2 氣動調(diào)節(jié)閥的組成及功能

氣動調(diào)節(jié)閥的動作原理就是其閥門定位器根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)給出的4～20 mA 指令信號控制進(jìn)入氣動執(zhí)行器壓縮風(fēng)的量進(jìn)而定位控制調(diào)節(jié)閥閥門開度的，使被調(diào)工藝參數(shù)維持在所要求的范圍內(nèi)。氣動調(diào)節(jié)閥由氣動執(zhí)行器和閥體兩部分組成，氣動執(zhí)行器機(jī)構(gòu)主要由氣缸、閥位標(biāo)尺、支架、電氣閥門定位器、空氣過濾減壓閥、快速排氣閥、鎖定保位閥等組成。

空氣過濾減壓閥功能是完成對進(jìn)入氣缸壓縮空氣的過濾和減壓功能，一般可向定位器提供0.3～1.0 MPa 的潔凈氣源；閥門定位器是執(zhí)行器的主要附件，它將閥桿位移信號作為輸入的反饋測量信號，與控制器的指令信號進(jìn)行比較，當(dāng)兩者有偏差時(shí)改變其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，建立了閥桿位移與控制器輸出信號之間的一一對應(yīng)關(guān)系，它對提高調(diào)節(jié)閥的精確定位和調(diào)節(jié)具有重要作用；快速排氣閥主要用于大執(zhí)行器的快速復(fù)位，對確保生產(chǎn)設(shè)備安全具有重要作用，可以用小尺寸的電磁閥實(shí)現(xiàn)；當(dāng)控制回路失氣或失電時(shí)，鎖定保位閥可以將閥位保持原位不動，對保證生產(chǎn)穩(wěn)定爭取故障處理時(shí)間具有重要作用；其中電氣閥門定位器和過濾減壓閥是控制功能的核心部件，必須有這些核心控制部件氣動調(diào)節(jié)閥才能具備遠(yuǎn)程自動控制調(diào)節(jié)功能。

2 氣動調(diào)節(jié)閥在海水淡化系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 海水淡化工藝流程

國內(nèi)某鋼廠熱法低溫多效海水淡化生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。低溫多效蒸餾海水淡化基本工作原理為：海水淡化的基本過程是海水在真空下的蒸餾（低溫蒸發(fā)），蒸發(fā)器內(nèi)換熱管束水平布置，蒸汽在管內(nèi)冷凝放熱，進(jìn)料海水噴淋至管束頂部，呈膜狀向下流動并吸熱部分蒸發(fā)生成蒸餾水，因此裝置稱為水平管降膜式低溫多效蒸發(fā)器[2]。由圖1 可以看出，生產(chǎn)過程中涉及到的介質(zhì)有蒸汽、濃鹽水、冷凝水、蒸餾水等介質(zhì)，生產(chǎn)過程的主要控制參數(shù)有三種水介質(zhì)的液位、濃鹽水的第一效溫度,由減溫減壓站進(jìn)入海水淡化蒸發(fā)器的蒸汽溫度、壓力等參數(shù)。

海水淡化生產(chǎn)過程自動化程度高，所有介質(zhì)的溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)都必須按照目標(biāo)設(shè)定值自動調(diào)節(jié)，生產(chǎn)介質(zhì)的參數(shù)要想準(zhǔn)確穩(wěn)定自動控制在目標(biāo)值范圍內(nèi)，必須有可靠的調(diào)節(jié)閥對介質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)。

圖1 海水淡化工藝流程

2.2 氣動調(diào)節(jié)閥在海水淡化系統(tǒng)的應(yīng)用

由以上工藝生產(chǎn)流程可以看出，介質(zhì)的參數(shù)自動調(diào)節(jié)要求快速精確，確保整個(gè)海水淡化生產(chǎn)過程自動化穩(wěn)定可靠。海水淡化主體蒸發(fā)器和蒸汽減溫減壓站選用的是氣動調(diào)節(jié)閥。

（1）海水淡化濃鹽水、冷凝水、蒸餾水液位的自動調(diào)節(jié)是生產(chǎn)的重中之重，

此外，為了保障農(nóng)田水利能夠進(jìn)行大面積的噴射，應(yīng)在噴灌機(jī)的上面安裝噴頭，確保噴灌機(jī)能夠大面積的噴灌，克服局限性的影響。在設(shè)計(jì)農(nóng)田灌溉路線的過程中，可對其自由設(shè)計(jì)，如自動的移動噴灌機(jī)，通過不斷移動噴灌機(jī)使農(nóng)田水利的各個(gè)方位和方向達(dá)到灌溉的效果。

在生產(chǎn)過程中，這些介質(zhì)的液位調(diào)節(jié)閥需要實(shí)時(shí)做出頻繁的調(diào)整動作才能確保液位穩(wěn)定在目標(biāo)值范圍內(nèi)，因此調(diào)節(jié)閥動作不僅要快速精確，而且還能經(jīng)受住小范圍內(nèi)的頻繁動作調(diào)整，這都對調(diào)節(jié)閥的氣動執(zhí)行器提出了很高要求。鑒于以上要求，海水淡化蒸發(fā)器主體的濃鹽水、海水、冷凝水和蒸餾水介質(zhì)8 套氣動調(diào)節(jié)閥全部選用的是意大利Servovalve品牌的氣動調(diào)節(jié)閥。

其中，為了確保失電或失氣情況下海水淡化主體管道設(shè)備安全，海水排放調(diào)節(jié)閥選用的是單作用氣關(guān)式，其他的位置選用的是單作用氣開式。該型號系列的調(diào)節(jié)閥采用了全新的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用機(jī)械運(yùn)動學(xué)曲柄系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的撥叉式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可確保非常精確的響應(yīng)速度和精度，從而獲得最佳的閥門定位控制，保證了恒定的性能和長期可靠的運(yùn)行，而且選配了手動裝置，一旦無法遠(yuǎn)程控制，也可實(shí)現(xiàn)就地緊急手動操作。為該調(diào)節(jié)閥選用的是西門子SIPART PS2 系列閥門定位器。該閥門定位器安裝簡單，可對氣動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動初始化標(biāo)定調(diào)試，在穩(wěn)定狀態(tài)下耗氣量低，且該定位器在直行程和角行程調(diào)節(jié)閥可通用，抗振動干擾強(qiáng)，在高溫潮濕環(huán)境下均可長時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行。該系列智能電氣閥門定位器功能原理圖如圖2 所示，它采用微處理器對給定值和位置反饋?zhàn)鞅容^，如果微處理器檢測到偏差，就用一個(gè)五步開關(guān)程序來控制氣路的壓電閥，壓電閥進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣流量，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥閥位的精確控制和調(diào)節(jié)。

圖2 西門子SIPART PS2智能電氣閥門定位器功能原理圖

（2）海水淡化減溫減壓站選用的是正作用薄膜式氣動調(diào)節(jié)閥。薄膜式氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，而且價(jià)格相對較低，性價(jià)比高，很適用于減溫減壓站的潮濕環(huán)境中，而且維護(hù)檢修方便。該調(diào)節(jié)閥包括閥門定位器、過濾減壓閥、減速裝置、推力結(jié)構(gòu)、機(jī)械限位和閥位反饋組件等，其中控制核心部件閥門定位器用的是西門子SIPART PS2 智能電氣閥門定位器，和海水淡化主體選型相同；調(diào)節(jié)閥閥體為套筒型，有利于蒸汽壓力和流量的精確穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

3 氣動調(diào)節(jié)閥在海水淡化的應(yīng)用效果分析

3.1 氣動調(diào)節(jié)閥在海水淡化減溫減壓站自動控制中的作用

下面以海水淡化減溫減壓站控制系統(tǒng)為例說明氣動調(diào)節(jié)閥在生產(chǎn)工藝流程的安裝位置和自動控制系統(tǒng)中的作用。海水淡化主體生產(chǎn)對蒸汽的壓力和溫度參數(shù)有著嚴(yán)格要求，進(jìn)主體的蒸發(fā)器的蒸汽壓力溫度必須穩(wěn)定控制在0.3 MPa和150 ℃才能確保海淡主體蒸發(fā)器高效運(yùn)行，而該鋼廠的管網(wǎng)蒸汽壓力溫度為0.6～1.0 MPa 和260 ℃左右，因此必須通過蒸汽減溫減壓站對其控制和調(diào)節(jié)。

海水淡化減溫減壓站控制系統(tǒng)流程圖和控制原理框圖如圖3 所示。在該系統(tǒng)中，蒸汽主路旁路和減溫水調(diào)節(jié)閥均選用的是薄膜氣動調(diào)節(jié)閥，用于實(shí)現(xiàn)對二次蒸汽壓力和溫度的自動調(diào)節(jié)。控制框圖中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對應(yīng)的是工藝流程中的氣動調(diào)節(jié)閥。例如對于控制對象二次蒸汽壓力來說，其對應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為蒸汽調(diào)節(jié)閥（在實(shí)際生產(chǎn)中，主蒸汽調(diào)節(jié)閥起粗調(diào)作用，一般處于手動運(yùn)行狀態(tài)，旁路調(diào)節(jié)閥起細(xì)調(diào)作用，一般處于自動運(yùn)行狀態(tài)），測量元件為壓力傳感器和變送器；壓力的目標(biāo)設(shè)定值sp(n)與壓力的實(shí)際測量反饋值pv(n)經(jīng)運(yùn)算后得到偏差信號ev(n)，偏差信號ev(n)再經(jīng)PID 控制器[3]分析運(yùn)算處理后得到控制信號mv(n)，控制信號mv(n)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后形成4～20mA的模擬量控制信號傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)蒸汽氣動調(diào)節(jié)閥，通過壓力調(diào)節(jié)閥閥位的控制來實(shí)現(xiàn)二次蒸汽壓力的穩(wěn)定并與壓力設(shè)定目標(biāo)值一致。

圖3 海水淡化減溫減壓站控制系統(tǒng)流程圖和控制原理框圖

3.2 氣動調(diào)節(jié)閥在海水淡化的應(yīng)用效果

一個(gè)設(shè)計(jì)科學(xué)合理的自動控制系統(tǒng)的有效投入和運(yùn)行離不開性能良好的執(zhí)行器，而經(jīng)過海水淡化的生產(chǎn)實(shí)踐證明，氣動調(diào)節(jié)閥在海水淡化生產(chǎn)過程自動控制中取得了良好的控制效果，像在生產(chǎn)過程中海水淡化主體蒸發(fā)器濃鹽水液位、減溫減壓站二次蒸汽的壓力和溫度等工藝參數(shù)都是非常關(guān)鍵的控制對象，在控制系統(tǒng)中這些參數(shù)的目標(biāo)值和儀表測量反饋值的對比偏差經(jīng)過PLC 控制系統(tǒng)的控制器程序計(jì)算分析后發(fā)出控制命令給氣動調(diào)節(jié)閥，氣動調(diào)節(jié)閥都能夠快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量，從而使?jié)恹}水液位、減溫減壓站二次蒸汽壓力和溫度自動穩(wěn)定在目標(biāo)值范圍內(nèi)，如圖4，從圖4 中可以看到這些關(guān)鍵工藝參數(shù)都取得了良好的控制效果。

圖4 海水淡化濃鹽水液位和二次蒸汽壓力溫度趨勢圖

4 氣動調(diào)節(jié)閥的周期管理與預(yù)防檢修機(jī)制

4.1 一起海水淡化氣動調(diào)節(jié)閥的典型故障分析

（1）故障經(jīng)過

自動化專業(yè)人員通過對閥門進(jìn)行反復(fù)研究分析，認(rèn)為閥門定位器存在問題，10 月15 日對閥門定位器進(jìn)行更換，閥門恢復(fù)自動運(yùn)行。

（2）故障分析

調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障后，閥門定位器既不進(jìn)氣也不泄氣，閥門不動作，由此判定定位器內(nèi)部氣路存在異常。將故障閥門定位器進(jìn)行解體分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部氣路的硅膠密封墊經(jīng)長期運(yùn)行后出現(xiàn)破損；由此可以確定閥門定位器的故障點(diǎn)就是內(nèi)部氣路的硅膠密封墊破損。

由這起典型故障問題可以看出，氣動調(diào)節(jié)閥只要選型合適，控制策略設(shè)計(jì)合理，其在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中扮演了非常重要的角色，而且工作性能穩(wěn)定，自動控制調(diào)節(jié)效果良好。但是如果不注重調(diào)節(jié)閥各個(gè)部件的周期管理和檢修，經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行后很可能某個(gè)部件會出現(xiàn)故障，尤其是關(guān)鍵位置的調(diào)節(jié)閥如果出現(xiàn)故障很可能會對生產(chǎn)造成較大影響，給其他設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。所以做好調(diào)節(jié)閥的周期管理維護(hù)和檢修非常重要。

4.2 氣動調(diào)節(jié)閥周期管理維護(hù)和檢修

（1）氣動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的氣缸要做好周期檢測和維修工作，對于薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)每年都要定期拆卸檢查修理，重點(diǎn)檢查測試彈簧性能是否完好，薄膜作為易損件要重點(diǎn)檢查有無破損和腐蝕，一旦有破損或腐蝕必須更換；對于齒輪齒條式執(zhí)行機(jī)構(gòu)每年要對傳動部位進(jìn)行潤滑油添加補(bǔ)充，同時(shí)也要對氣缸進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)部有無磨損，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)修復(fù)處理。

（2）閥體一般每年只需檢查有無變形和腐蝕即可，尤其對于套筒式閥體要檢查內(nèi)部套筒有無異物堵塞，及時(shí)清理異物，閥芯還要定期研磨，確保閥體動作靈活不卡澀。

（3）過濾減壓閥主要對壓縮空氣起到調(diào)節(jié)和過濾作用，確保進(jìn)入定位器及氣缸內(nèi)部的壓縮空氣品質(zhì)良好符合要求，為調(diào)節(jié)閥氣動執(zhí)行器長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保證；因此需要對其做好日常維護(hù)檢查，每2年對其濾芯進(jìn)行更換，避免濾芯破損確保壓縮風(fēng)質(zhì)量符合要求。

（4）閥門定位器每年都要結(jié)合調(diào)節(jié)閥檢修進(jìn)行初始化標(biāo)定調(diào)試，重點(diǎn)記錄初始化調(diào)試過程所需時(shí)間，閥位給定、信號反饋與實(shí)際閥位是否一致，確保定位器完好；但是由上述海水淡化故障可以看出，閥門定位器也要結(jié)合現(xiàn)場使用環(huán)境、調(diào)節(jié)頻率等因素合理確定更換周期，做好預(yù)防性周期更換。比如海水淡化減溫減壓站是高溫高濕環(huán)境，通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以確定該部位的定位器更換周期為2年最經(jīng)濟(jì)合理，濃鹽水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)動作頻率高且處于露天環(huán)境，也是按2年周期進(jìn)行更換，其他位置可根據(jù)檢修調(diào)試數(shù)據(jù)記錄情況進(jìn)行檢查更換，如每年檢修調(diào)試正常，一般更換周期定為5年是最經(jīng)濟(jì)合理的，這樣在檢修周期內(nèi)可以避免非計(jì)劃停機(jī)事故的發(fā)生，以最低的備件費(fèi)用支出確保海水淡化系統(tǒng)高效連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）平時(shí)還要做好日常設(shè)備點(diǎn)檢工作，重點(diǎn)檢查氣源管路接頭位置和氣缸氣密性是否良好，閥門定位器閥位反饋連接件安裝是否牢固等。

通過設(shè)備周期管理和預(yù)防檢修機(jī)制的建立，不僅可以增加調(diào)節(jié)閥的使用壽命，避免非計(jì)劃停機(jī)事故發(fā)生，也對生產(chǎn)穩(wěn)定、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

5 總結(jié)

通過研究分析某鋼廠海水淡化氣動調(diào)節(jié)閥的選型和應(yīng)用效果，明確了不同類型的調(diào)節(jié)閥在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中的重要作用和優(yōu)勢。通過一起調(diào)節(jié)閥的典型故障分析，說明了調(diào)節(jié)閥的周期管理和預(yù)防檢修機(jī)制的重要性。該鋼廠海水淡化生產(chǎn)過程中充分做好了設(shè)備周期管理和預(yù)防檢修機(jī)制，自2014年以來沒有再出現(xiàn)過非計(jì)劃停機(jī)事故，保證了海水淡化的達(dá)產(chǎn)達(dá)效，為該鋼廠的除鹽水用水安全提供了保證。