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气动调节阀三断保护的实现与分析
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随着电力、化工等行业的飞速发展,对过程控制系统安全性能的要求也越来越高。调节阀在工业过程控制中应用广泛。受距离、安装、其它设备的影响,调节阀的输入源经常会丢失,因此,研究气动调节阀在信号源、电源、气源丢失情况下的保护动作,具有很实际的作用。该文介绍了两种广泛应用的阀门定位器在断信号、断电、断气源时的自动保护原理,以及实现其功能所需要的硬件。通过两种方案的比较分析,工程应用时可根据工艺流程控制的需要选择更为合适的带三断保护功能的定位器。

0 引言

在现代工业生产过程中,气动调节阀应用非常普遍,其作用也非常重要,关系到工业生产的安全性和经济性。在实际生产中,气动调节阀需要按照工艺系统的要求来调节各个参数,使其满足工业生产的需要。尤其是在很多重要环节中,气动调节阀如果调节不当就会破坏整个生产过程并可能造成巨大的经济损失。一般而言,气动调节阀正常工作时需要提供电源、气源、信号源,任何信号的丧失都会引起阀门的不当动作。因此,在实际工业生产过程中,普遍采用三断保护功能来保证气动调节阀门的可靠工作。

在工程实际中,断电、断气、断信号这三种故障中的一种或几种情况发生时,气动调节阀基于工艺安全因素考虑而自动地全开阀门、全关阀门或者是保持阀门故障前的位置—三断保护。其中,关阀和开阀可以利用阀体中气缸压力和弹簧反力轻易实现。三断保护中的保位功能实现起来却比较复杂,因此,本文就两种工程中广泛应用的三断保护装置中的保位功能方案进行分析比较。

1 方案一

如图1所示,本方案主要由气动控制阀、智能阀门定位器、气锁阀和空气过滤减压器等组成。

图1 采用压电阀的三断保护原理图

正常工作时,气源压力(即气锁阀的信号压力)大于气锁阀的设定压力,智能阀门定位器输出的气源管路和气动控制调阀上膜盒的气源管路被连通,调节阀根据定位器的输出指令进行动作。

断气源时,气源压力(即气锁阀的信号压力)小于气锁阀的设定压力,气锁阀上的气动执行机构动作,智能阀门定位器输出的气源管路和气动控制调阀上膜盒的气源管路自动被切断,即气动控制调阀的膜盒内的压力信号被锁死不受外界气源影响,维持原有的压力信号和控制阀弹簧反力的平衡,从而实现在气源故障时气动控制调阀的阀位保持在故障前的位置。

P/I转换单元利用永久磁钢、线圈、杠杆、喷嘴等部件将从控制系统输出的电信号转换成适用的气压信号,来推动启动调节阀。根据结构形式,P/I转换单元分为喷嘴挡板式、压电阀式和滑阀式三类。目前,市场上主流智能阀门定位器中的I/P转换单元主要采用喷嘴挡板式或者压电阀式。断气源时,采用上述两种结构的智能阀门定位器的动作原理相同,如上所述。现就断信号和断电时采用两种不同结构的智能阀门定位器的动作原理分别进行分析。

(1)对于采用压电阀式结构的智能阀门定位器:

断信号时,定位器输出被锁定,气动执行机构保持在当前位置。即无需增加任何附件,定位器本身能实现断信号保位功能。

断电源时,如图1所示,此种保护方案无需电源,故不存在断电源保护。有无电源均对气动调节阀的位置无影响。

(2)对于采用喷嘴挡板式机构的智能阀门定位器:

其电源是串接在阀门输入信号回路里,断信号/电时,定位器能自动检测出异常,输出到气动控制调阀膜盒内的压力信号被锁定,气动调阀保持在故障时的位置。即无需增加任何附件,定位器本身能实现断电、断信号保位功能。

综上分析,从结构本身而言,采用压电阀式结构的智能阀门定位器的抗震性能要好。采用喷嘴挡板式机构的智能阀门定位器断信号时反应更灵敏,并且结构简单、附件少,在使用过程中发生故障的几率也相对较少。

2 方案二

如图2所示,在本方案中,保护装置主要由信号比较器、智能阀门定位器、单电控电磁换向阀、气锁阀等部件组成。我们能很直观地看出,图2所示的保护方案比图1所示的保护方案更复杂。

图2 采用信号比较器的三断保护原理图

断气源时,气锁阀动作,将定位器输出的气动信号管路和气动控制调阀的膜盒进气管路连通,相当于继续维持故障前的控制压力信号和控制阀弹簧反力的平衡。故气动控制调阀在断气源时无动作,继续保持在故障前的位置。

从图2可以看出,输入信号及电源均接到信号比较器,当断电源、断信号发生时,信号比较器检测到电源/信号消失时,信号比较器动作,使得单电控电磁换向阀失电动作,切断气锁阀的气源供应,即后续的保护动作和断气源时相同。

上面只是就单作用气动控制调阀的三断保护功能进行分析。对于双作用控制调阀的三断保护功能的实现,只需将图2中单通道气锁阀换成双通道气锁阀,两个通道分别连接控制调阀的上下膜室,即可实现双作用控制调阀三断时的保位功能。而对于三断时,需要阀门回到安全位置的应用场合,则需要在上述气动管路图中增加储气罐、二位三通电磁阀等附件即可实现。电磁阀失电后,向上膜盒供气,则阀门关闭。电磁阀失电后,向下膜盒供气,则阀门打开。

智能阀门定位器主要是由电路部分和气路部分组成。而根据工程实际经验,阀门故障多发生在气路部分,定位器中的I/P转换单元为损耗单元。I/P转换单元中的一些膜片、密封环等橡胶制品,在高温、油、水、蒸汽的环境中容易老化,并且在工程实际中,调节阀门一般都处于上述的恶劣环境中再加之频换的调节动作,更是加速了这些部件的老化,这些实际工况使得I/P转换单元成为调节阀易出故障的部件。

3 结论

综上两种方案的比较分析,方案一中的三断保护装置结构简单,配用附件少,安装维修方便,相应的工程应用中故障点也少,并且也无需单独供电。在重要的调节回路中,建议在实际工程中优先选用方案一中的智能阀门定位器。

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