【氣動(dòng)閥門(mén)定位器】智能閥門(mén)定位器在己內酰胺裝置中的應用
閥門(mén)定位器是普遍用于石油化工生產(chǎn)過(guò)程中的一種調節閥的附件,作為調節閥的輔助工具,對調節閥的性能起著(zhù)決定性作用。閥門(mén)定位器具有使調節閥提高響應速度、定位精度、增大執行機構輸出力等的作用。閥門(mén)定位器質(zhì)量的好壞直接影響調節閥的使用,從而影響到工藝的生產(chǎn)操作。常見(jiàn)的閥門(mén)定位器根據其結構形式和工作原理的不同分為氣動(dòng)閥門(mén)定位器、電氣閥門(mén)定位器和智能電氣閥門(mén)定位器(簡(jiǎn)稱(chēng)智能定位器)。目前,閥門(mén)定位器技術(shù)逐漸向智能化、小型化發(fā)展,智能定位器具有高度自動(dòng)化、安裝簡(jiǎn)單、免維護等優(yōu)點(diǎn),普遍應用于各種大型石油化工生產(chǎn)裝置的自動(dòng)化控制中。
1 智能閥門(mén)定位器工作原理
智能閥門(mén)定位器的工作原理如圖1所示。模擬量4~20mA信號傳給微處理器,與閥位傳感器的反饋信號進(jìn)行比較,微處理器根據偏差的大小和方向進(jìn)行控制計算,向壓電閥發(fā)出電控指令使其進(jìn)行開(kāi)、閉動(dòng)作。壓電閥依據控制指令脈沖的寬度對應于氣動(dòng)放大器輸出壓力進(jìn)行增量控制,同時(shí)氣動(dòng)放大器的輸出又被反饋給內控制回路,再次與微處理器的運算結果進(jìn)行比較運算,通過(guò)兩級控制后輸出信號到執行機構,執行機構內儀表空氣壓力的變化控制著(zhù)閥門(mén)行程。當控制偏差很大時(shí),壓電閥發(fā)出寬幅脈沖信號,使定位器輸出一個(gè)連續信號壓力,大幅度改變到執行機構的信號壓力以驅動(dòng)閥門(mén)快速動(dòng)作;隨著(zhù)閥門(mén)接近要求的位置與測得實(shí)際位置的差值變小,壓電閥輸出一個(gè)較小脈寬的脈沖信號,斷續、小幅度的改變至執行機構的信號壓力,使執行機構接近命令位置的動(dòng)作平緩。當閥門(mén)到達要求的位置(進(jìn)入死區)時(shí),壓電閥無(wú)脈沖輸出,定位器輸出保持為零,使閥門(mén)穩定在某一位置不動(dòng)。
1-二線(xiàn)制輸入信號接線(xiàn);2-控制板(有LCD顯示和功能按鍵);
3-壓電式閥組件(單作用定位器);4-附加壓電式閥組件(雙作用定位器);
5-功能模塊;6-單作用執行機構(彈簧返回);7—雙作用執行機構
2 智能定位器的應用優(yōu)勢
2.1 性能優(yōu)勢
從閥門(mén)定位器的工作原理可以看出,智能定位器可以實(shí)時(shí)進(jìn)行信息控制、提高安全性和減少硬件開(kāi)支。智能定位器的控制是一個(gè)變量控制,在給定信號時(shí),定位器輸出流量曲線(xiàn)如圖2所示。在變量大的時(shí)候,定位器的輸出是快速大流量,而在變量小的時(shí)候,定位器的輸出流量是逐漸減小直到為零,當閥位穩定在要求開(kāi)度而沒(méi)有新的命令信號時(shí),定位器的輸出流量幾乎為零。而常規定位器的控制是平衡比較控制,主要通過(guò)調節定位器的增益控制定位器、放大器的反應速度。在反應速度一定的條件下,定位器的輸出流量和輸出壓力是不斷變化的,如當閥位高于給定值時(shí),定位器輸出壓力增加,閥位向下動(dòng)作,由于反應速度固定,在定位器放大器的輸出流量是一定的。所以在閥位向下動(dòng)作的時(shí)候,噴嘴擋板的動(dòng)作時(shí)間延緩,致使閥位動(dòng)作過(guò)多,此時(shí)閥位會(huì )低于給定值,定位器輸出壓力又會(huì )減小,如此反復。
因此,在給定一個(gè)閥位時(shí),經(jīng)過(guò)一個(gè)調節過(guò)程后,智能定位器的輸出流量會(huì )保持為零;節省空氣消耗,減少能耗,其空氣消耗只是傳統定位器20%。智能定位器的定位快速、精確,常規定位器因其輸出流量是不斷變化的,故其定位速度、精度是不能和智能定位器相比的。
2.2 維護優(yōu)勢
1)定位器作為調節閥的附件,當調節閥檢修后一般都需要通過(guò)定位器對其進(jìn)行調校。目前常規定位器的調校均采用手動(dòng)調整零位、量程來(lái)滿(mǎn)足調節閥的性能要求。調校時(shí)需要使用專(zhuān)用設備、必須隔離控制回路,同時(shí)零點(diǎn)和行程的調整互相影響,須反復調整,線(xiàn)性偏離嚴重時(shí),則更難調整。這種調校方法費時(shí)、耗力,而且精度等級低,調校結果受檢修調校人員的水平影響較大。而對于智能定位器,由于它的調校不需要對定位器本身作太多的調整,可以在線(xiàn)更換,連續性生產(chǎn)裝置重要閥門(mén)一般沒(méi)有復線(xiàn),一旦損壞,嚴重影響生產(chǎn),但是智能定位器通過(guò)PC機保存組態(tài)數據和初試化數據,故障時(shí)更換智能定位器,只需將組態(tài)數據和初試化數據下載到定位器中就可以使用,精度達到1%。在線(xiàn)診斷,通過(guò)診斷信息分析可以縮短儀表維護人員的故障處理時(shí)間,特別是西門(mén)子SIPARTSP2系列智能定位器,它的調校完全不需要人為調整定位器內部零件。因其內部可調整的零件很少,其調校過(guò)程是定位器內部運算放大器運算、整定的過(guò)程,在整定后出現偏差時(shí),才需要通過(guò)人為的微量修定來(lái)矯正,在大多數的情況下是不需要維護人員去調整的。
2)常規定位器多為機械式力平衡原理,常采用噴嘴擋板機構。由于噴嘴本身的特性,執行器在穩定狀態(tài)時(shí)也要大量消耗壓縮空氣,若使用執行器數量較多,能耗較大,而且噴嘴本身是一個(gè)潛在故障源,易被灰塵或污物顆粒堵住,使定位器不能正常工作,特別在儀表空氣不夠干凈的情況下更容易出現故障,這種情況在定位器日常維護過(guò)程中經(jīng)常出現。另外定位器內部可動(dòng)件較多,容易受溫度波動(dòng)、外界振動(dòng)等干擾因素的影響,環(huán)境適應性差。比如定位器力反饋彈簧在惡劣環(huán)境、長(cháng)期受力等條件下,彈性系數會(huì )發(fā)生改變,造成調節閥線(xiàn)性偏離,導致控制質(zhì)量下降;而外界振動(dòng)傳遞到力平衡機構,則容易造成可動(dòng)部件磨損、零點(diǎn)和行程漂移,使定位器難以工作。智能定位器沒(méi)有太多的可動(dòng)部件,其工作環(huán)境要求比常規定位器低,特別是抗振動(dòng)性尤其突出。己內酰胺裝置的空氣壓縮機入口閥和出口閥所用的定位器是西門(mén)子智能定位器,性能穩定,在強振動(dòng)環(huán)境工作運行近一年時(shí)間沒(méi)有出現過(guò)任何問(wèn)題。
3)就定位器的安裝而言,常規的定位器對于安裝位置要求較高,特別是在閥位反饋的安裝上,要將反饋安裝在規定的位置,可調整的量不大。而智能定位器的安裝就沒(méi)有那么嚴格,從目前使用的幾種智能定位器來(lái)看,安裝位置要求基本上都是有兩點(diǎn):一是調節閥在50%開(kāi)度時(shí),定位器的反饋也基本在其有效轉角的中間位置;二是調節閥全開(kāi)全關(guān)動(dòng)作時(shí),定位器反饋的轉角要在限制的范圍內。只要滿(mǎn)足這兩個(gè)條件,定位器就可以達到性能要求。
在調校定位器的時(shí),不可避免的會(huì )產(chǎn)生誤差。常規的定位器特別是氣動(dòng)定位器,由于其整個(gè)控制回路中元件數量比電氣定位器和智能定位器都多了一個(gè)電氣轉換器,在回路聯(lián)調時(shí),累積誤差要大一些,對比結果見(jiàn)表1。作為常規定位器,不論是氣動(dòng)定位器還是電氣定位器,其調校都是以人為的調整零位、量程、增益來(lái)滿(mǎn)足性能要求的。在調校過(guò)程中,調校精度是不可控的或是不穩定的,受調校人員的水平、定位器性能、裝配精度的限制比較明顯,誤差也比較大。而智能定位器不受調校人員的影響,定位器內部可動(dòng)部件少,本身精度高,因此它的誤差也就很小。
所以,無(wú)論是安裝、調試,還是維護,智能定位器都比常規定位器有優(yōu)勢。
2.3 經(jīng)濟優(yōu)勢
目前,化工企業(yè)都在盡力降低生產(chǎn)成本,追求更高的利潤,而設備的檢修、更新所需要的資金在產(chǎn)品成本中占有較大的比例,減少設備的檢修、更新頻率可以在一定程度上降低產(chǎn)品成本。以電氣定位器和智能定位器比較,初期投資額基本相當,但從上文的分析中發(fā)現:常規電氣定位器在穩定狀態(tài)時(shí)仍然需要消耗大量的儀表空氣,智能定位器在穩定后幾乎不消耗儀表空氣。而且常規定位器內部可動(dòng)件較多,易損件也多,而智能定位器內部可動(dòng)件少,相對的易損件少;智能定位器基本上不存在維護成本,常規定位器則需要經(jīng)常更換放大器、波紋管等部件,所以常規定位器的維護成本比智能定位器高。
3 存在的問(wèn)題
對于化工生產(chǎn)裝置,生產(chǎn)穩定連續是我們的期望值之一。從目前的智能定位器的性能看,有一個(gè)重要的制約因素———定位器的在線(xiàn)更換,這使我們在選用定位器時(shí)依然需要考慮常規定位器。由于智能定位器在初次使用時(shí),需要進(jìn)行輸入、運算、貯存數據,因而就必須要有一個(gè)初始化和自整定過(guò)程,這個(gè)自整定過(guò)程會(huì )導致調節閥產(chǎn)生全開(kāi)全關(guān)動(dòng)作。而在某些場(chǎng)合,工藝運行是不允許調節閥出現開(kāi)或關(guān)的動(dòng)作的,例如裝置中的一些三通閥、工藝管線(xiàn)上沒(méi)有設計副線(xiàn)、不能旁路操作等時(shí),就不允許在定位器調試過(guò)程中出現導致調節閥全開(kāi)全關(guān)的動(dòng)作。因此對于在線(xiàn)更換,常規定位器仍然有它不可比擬的優(yōu)勢,而智能定位器的這個(gè)問(wèn)題,需要我們在今后的工作中去研究解決。