调节阀的故障保位.pdf

第4 7 卷第2 期 2 0 1 1 年4 月 石油化工自动化 A U T O M A T I o NI NP E T R O C H E M I C A LI N D U S T R Y V 0 1 4 7 N O 2 A p r i l 2 0 1 I 调节阀的故障保位 王福珍 康泰斯 上海 工程公司设计院 上海2 0 1 2 0 3 摘要 为满足现代化生产装置对自控系统提出的安全控制 精细控制的高性能要求 结合工作实践中的工程实例 对特殊 控制要求的控制系统的执行机构调节阀的故障形式 断电 断气 断信号进行 三断 保位 以保障整个装置生产的稳定性和连 续性 减少不必要的停产和相应的经济损失 就化工生产中常见的气动调节阀门 分别从调节阀的断电 断气 断信号三个方面 阐述了各自保位的工作原理 相应的硬件配置及工作原理 并列举调节阀的故障保位方案进行佐证 关键词 故障保位 分散型控制系统 保位阀 闭锁阀 中图分类号 T P 2 1 4文献标志码 B文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 1 0 2 0 0 5 4 0 3 r I h eF a i l t o L o c ko fC o n t r o lV a l v e s W a n gF u z h e n T h eD e s i g nI n s t o fC h e m t e x S h a n g h a i E n g C o S h a n g h a i 2 0 1 2 0 3 C h i n a A b s t r a c t A u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e ms h o u l ds a t i s f yt h ec o m p l e xc o n t r o lr e q u i r e m e n t s a f ec o n t r o la n d p r e c i s ec o n t r o li nm o d e r np r o d u c t i o nu n i t s I np r a c t i c et h es a f em e a s u r eo ft h eF a i l t o L o c ko fc o n t r o l v a l v ea g a i n s t t h r e ef a u l t s p o w e rf a u l t a i rf a u l ta n ds i g n a lf a u l t w h i c hi st om e e tt h es a f ea n d a c c u r a c yr e q u i r e m e no ft h eh i g hd e m a n do ft h ec o m p l e xc o n t r o ls y s t e mf o r t h es t a b i l i z a t i o na n d c o n t i n u i t yo ft h ep r o d u c t i o n r e d u c et h ee c o n o m i cl O S S o fs h u t d o w n T h ep r i n c i p l e so ft h eF a i t o L o c ko f t h r e ef a u l t s o ft h ep n e u m a t i cc o n t r o lv a l v ei nc h e m i c a lp r o d u c t i o ni se x p a t i a t e d I ta l s oi n c l u d e st h e c o n f i g u r ea n dt h ew o r kp r i n c i p l e so ft h eh a r d w a r e S o m ee x a m p l e so ft h eF a i h o L o c ks c h e m eo fc o n t r o l v a l v ea r ep r e s e n t e d K e y w o r d s F a i t o L o c k D C S p o s i t i o nr e t a i n i n gv a l v e c l o s ed o w nv a l v e 1 控制阀保位的必要性 不同工艺系统的控制需求决定了执行机构不 同的失效安全工作模式 失效安全模式的选择原 则首先是安全生产 其次是连续性 在工程实践中 当遇到自控系统的气源 电源 及输出信号故障时 不同的场合对阀门的状态有不 同的要求 这些要求往往是出于安全和尽量减少故 障损失方面的考虑 另外在安全的情况下 尽量保 持装置生产的连续性也是需要考虑的一个重要方 面 这就要求自控系统采取一些必要的安全保护 措施 例如 在用蒸汽对罐内的物料进行加热时 如果遇到气 电故障 应将蒸汽的入口阀门关闭 切 断蒸汽 即故障关 F a i lt oc l o s e 以防罐内物料过 热结焦 再如在水冷却物料系统中 遇故障时 则希 望冷却水不要被切断 此时要求水入口调节阀故障 开 F a i lt oo p e n 而有些特殊的场合则希望故障 出现时 阀位保持在原来的位置不变 以保持流体 的稳定流量 如高温高分子中间聚合物的夹套管的 蒸汽温度控制阀 一旦故障 全开会导致主管道内 物料的结焦 全关则可能会导致熔体输送管线内的 高分子聚合物冷却凝结 堵塞管线 此种情况下故 障阀门需要保位 F a i lt Ol o c k 以确保物料输入的 稳定连续性 这就要求控制阀在设计中实现故障 时安全的 三断 断气 断电 断信号 保护措施 工程中常见的三种安全失效模式如图1 所示 宁宁牟 肉肉肉 F O 故障开 F C 故障关 F L 故障保位 图1工程中常见的三种控制阀安全失效模式 确切说 前两种情况下的调节阀已经失去调节 作用 只是在失效前采取了安全的失效模式 而对 收藕日期 2 0 1 0 1 2 3 0 作者简介 王福珍 1 9 7 4 一 女 1 9 9 6 年毕业于沈阳化工学院自 动化专业 毕业后于华锦集团乙烯公司仪表车间担任现场班长 负责 现场仪表及D C S 的维护 并负责加氢 聚苯装置的设计改造任务 现于 康泰斯 上海 工程公司设计院从事自控设计工作 任工程师 万方数据 第2 期 王福珍 调节阀的故障保位 于故障保位的失效模式来说 相对稳定的控制系 统 调节阀是在凭借 记忆 或 惯性 调控着介质的 流量 在一定的时间内确保生产的稳定连续性 给 出维护设备安全和仪表检修故障原因的时间 减少 因为偶然的小事故而导致的停车或安全事故的发 生 同时也减少由之而来的损失和危险 2 故障保位系统的实现方案 执行机构的类型和所需的失效安全工作模式 决定了附件的配置结构 常见的控制阀可分为电动阀和气动阀两大类 电动阀实现保位较为简单 它由电动执行机构进行 控制 当断电时 电机停止运转 电动执行机构停止 运动 阀门自然保持在故障时的位置 即实现了故 障保位功能 但是它只有故障保位功能而无故障 关 开的功能 气动调节阀实现故障开和故障关相 对来说比较容易些 但要实现故障保位则需要一系 列的附件来协助才能完成保位功能 气动调节阀在正常工作时 需要由系统提供气 源 电源 信号源 这些是调节阀正常工作的必要基 础保证 一般工厂的D C S 都会被设计为双路供 电 而且设有U P S 故而断电时故障保位相对考虑 得较少 除非是很关键部位的气动控制阀才会设有 三断 的故障保位 或者考虑其断气和断信号时的 保位功能 较常见的是只考虑断气保位功能 即常 说的工程上的保位 实现调节阀的故障保位就要求调节阀在设计 上设有故障时安全的 三断 保护措施 实际工程 中 调节阀的故障保位方案有多种 所需的附件亦 是多种多样 下面就单作用调节阀的 三断 保位 措施进行分析 2 1 断电保位措施 a 采用两通电磁阀 其连接如图2 所示 在 定位器的输出气源信号到控制阀膜头之间的线路 上加接一通电开的两位两通电磁阀F Y 一0 0 1 其电 源与控制阀的电源回路串接在一起 当控制阀的 电源出现故障时 失电或者电源低于限定值 该电 磁阀动作 定位器与膜头之间的气路被关断 电磁 阀后的气路成为封闭的气路 保持关断前的压力加 在调节阀的膜头上 从而使调节阀的开度维持在故 障前位置 实现失电保位的功能 b 采用智能定位器 有些阀内部具有电磁阀 的智能定位器 可以通过编程或者附加输入功能来 锁定阀位或者驱动阀门达到保位功能 目前智能 阀门定位器的应用还不是很普遍 而且各个厂家的 产品 智能 程度不一 在选用时需要注意内部是否 有气路切断电磁阀 头 图2 采用两通电磁阀的保护方案 2 2 断气保位措施 a 采用气动保位阀 对于气源故障的保位来 说 气动保位阀是首选附件 用于重要自动控制回 路中作为安全保护装置的气动单元组合辅助单元 气动保位阀 又叫气动锁止阀 本身是一种单弹簧 结构 单作用定位器可选用单通道气动保位阀 双 作用定位器可选用双通道气动保位阀 当控制系 统气源故障 失气 时 气动保位阀自动关闭 将定 位器的输出信号压力锁定在气动控制阀的膜室内 输出信号压力与控制阀弹簧产生的反力相平衡 气 动控制阀的阀位保持在故障位置 以保证工艺过程 正常进行 直至气源事故消除 正常供气后保位阀 自动打开恢复正常工作 气源保位阀应设定在略 低于气源的最小值时启动 聚酯项目现场的终聚釜入口的液位控制阀 L V 一1 1 6 0 2 为最终反应器R 一1 0 1 的进料液位控 制阀 反应器出口的高温熔体要求精确的黏度控制 以保障产品的质量 黏度控制的两个关键因素是温 度和压力稳定 要控制温度和压力稳定 进料液位 就必须连续 稳定 否则液位波动就会波及温度和 压力 温度控制精度要求0 1 否则就会产出色 泽较差的成品丝 除了在投产之初该阀关闭 一旦 打开生产运行之后 就必须持续稳定进料 保证产 品的质量 所以设计要求该调节阀气源故障保位 采用的保位措施就是利用T y p e1 6 7 D A 保位阀 其 连接原理如图3 所示 图3 采用气动保位阀的保护方案 万方数据 石油化工自动化 第4 7 卷 b 闭锁阀 也称气控换向阀 顾名思义 故障 时可转换气路流向的气控元件 它是气源故障保 位另一种方案中采用的重要附件 该方案由储气 罐 止回阀 闭锁阀 截止阀等组成 其工作原理如 图4 所示 图4 采用闭锁阀的保护方案 当气源故障 失气 时 止回阀关闭 闭锁阀信号 检测失气 闭锁阀的滑阀在弹簧的作用下复位 气路 换向 进口1 与信号出口断开 切断系统的气源管 路 储气罐管路进口2 与信号出口接通 由储气罐向 阀门供气 可以保证阀门有若干次动作 实现连续控 制的目的 由于储气罐的容量有限 且储气罐中的 气源压力会随着阀门动作不断下降 所以不可过长 时间地使用储气罐为阀门供气 该方案在气源故障 时 阀门动作的次数与储气罐的容量有关 2 3 断信号保位措施 对于常见的使用电一气转换器和气动阀门定位 器的控制阀来说 断信号保位措施如图5 所示 即 将来自控制室的4 2 0m A 信号同时引至电子开 关 失电检测器 再由电子开关控制一个接在定位 器输出到膜头的管路上的两位直通电磁阀 当控 制回路的信号缺失时 电子开关会使两位直通电磁 阀失电关闭 将定位器的输出信号压力锁定在气动 控制阀的膜室内 原理同2 2 中断气保位措施一 样 只是该措施的检测信号受控于来自控制室的信 号 由于此种故障时现场阀位的信号无法由原来 的通道反馈回总控室 因此需要添加位置反馈信号 给总控 信号由阀位信号返回器给出 对于比较普遍的使用电一气阀门定位器的控制阀 来说 采用两线制的接线方式 只需要采取 两断 断 气 断信号 的保护措施即可 系统调试稍麻烦一点 能够普遍适用于防爆要求严格的场合 需要指出的 是 保位阀在气路切断后 只能在短时间内维持气压 稳定 如果需要较长时间的阀位稳定 则必须采用配 置闭锁阀的方案来确保故障保位较长时间的实现 3 三断 保位综合分析 由以上分析得出 在一些需故障保位场合 如 果在断电不断气的情况下 可用通电开的二通电磁 阀实现保位功能 在断气不断电的情况下 可采用 保位阀或者闭锁阀实现该功能 对一些特别重要 的场合 为防止断电 断气带来的影响 可同时用二 通电磁阀和保位阀 为减少在现场安装时的不必 要麻烦 可由阀门生产厂家完成系统的成套安装工 作 从而提高系统的可靠性 用户只要在控制阀订 货时注明故障时保位 F a i lt ol o c k 即可 对于双 作用的调节阀的保位原理同上 只不过是在双作用 的控制气路管线上各自添加保位阀和电磁阀 确保 故障时将两个气室的压力锁定 图5 断信号的保拉措施 以上为硬件方面实现的故障保位 其实在 D C S 内部 还有一种故障 保位 就是在D C S 内部 信号的 软保位 所谓的 软保位 就是D C S 内 部检测到模拟输入信号为坏质量 B a d 或者D C S 部分输入卡件通道故障时 针对装置的关键仪表位 号的输出通道的电位信号 在软件内部设置的 信 号保持 功能 故障时可设置输出为0 1 0 0 或者 是H o l d 它可以在D C S 某些卡件故障时 不会引 起关键仪表输出的波动而影响生产过程的稳定 但是这种输出保位仅局限于输入无信号或者坏质 量时 输出信号后的执行机构能否真正地实现保位 无法保障 所以只能说是部分意义的故障保位 关于控制系统的 三断 保护措施 很多的阀门 厂家针对工程实例中的不同需求 已经研制开发了 多种不同的措施来确保控制系统的各种隐患所导 致的安全保位方案 虽然保位实现的方法各有特点 但保位的内容和 意义并未改变 相信随着科技的发展 自控技术将会 日趋完善 控制策略实现的方式也将日趋精细 参考文献 1 布莱恩 内比斯特 调节阀和驱动装置技术手册 M 张清 双 尹玉杰 李树勋 译 北京 化学工业出版社 2 0 1 0 2 陆德民 张振基 黄步余 石油化工自动控制设计手册 M 3 版 北京 化学工业出版社 2 0 0 0 下转第5 9 页 万方数据 第2 期何德颂 煤粉流量测量技术及应用 5 9 O 5 0 01 0 0 01 5 o2 0 0 02 5 0 03 0 0 0 3 5 0 04 1 04 5 o 图2系统流量测量修正曲线 修正后参数误差见表2 所列 分析数值可以 看到流量计误差和流速有关 同时取决于安装及物 料条件等因素 通过系统分析 对煤粉质量系统进 行了精确可靠的验证 也为随后煤气化装置的顺利 稳定投产所需的氧煤控制提供了可靠的保证 5 结束语 目前密度速度测量系统在S h e l l 粉煤气化炉 的密相输送中得到广泛应用 有非侵入 易于安装 牢固耐用和响应速度快等优点 与微波技术相比缺 点为需要核辐射源 需定期更换核源 购买核源手 续繁琐 要求用户配备专有维护操作人员 还要处 理核废料 用户维护成本高 微波测量技术主要以 德国S W R 公司技术为代表 但微波固体流量计必 须采用实际被测介质进行标定 较为麻烦 差压测 量技术虽然在理论及实验中取得较好的效果 但由 于瞬时流量受到颗粒摩擦系统 速度比及悬浮速度 等参数影响 目前未取得较好的应用 另外 还有 光学法 热力学法 核磁共振法等其他检测技术 具 体可根据实际工况加以分析选用 参考文献 1 徐苓安 相关流量测量技术 M 天津 科学技术出版 社 2 0 0 8 2 董群 气固两相流固体质量流量测量技术 J 测量与设 备 2 0 0 7 1 2 3 6 3 9 3 韩丽 归柯庭 施明恒 等 电容式气固两相流浓度传感器 的研究 J 热科学与技术 2 0 0 2 2 3 0 9 3 2 1 4 袁竹林 卢作基 用传热法测量燃煤锅炉气力输送中煤流量 的研究 J 燃烧科学与技术 1 9 9 9 5 1 5 2 5 6 5 蔡武昌 流量仪表应甩的发展若干动态 J 自动化仪表 2 0 0 6 2 7 7 1 7 6 蒋泰毅 气同两相流速度及质量流量的静电测量法研究 D 华中科技大学 2 0 0 5 7 黄志尧 李海青 气固两相流中基于神经网络的固相质量流 量检测方法的研究 J 仪器仪表学报 1 9 9 6 1 7 5 4 6 5 4 6 9 8 V A M V U K AD W O O D B U MET S E N I O R M o d e l i n go f a nE n t r a i n e dF l o wC o a lG a s i f i e r 1 D e v e l o p m e n to ft h e M o d e la n dG e n e r