石油石化行业控制阀的技术现况和发展趋势

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石化仪征化纤股份有限公司 作者:李宝华

  智能化的要求使石油石化企业加大了自动化控制设备的投入,生产过程控制需要大量控制阀及其预测性维护,以实现过程强化、功能安全和能效管理。控制阀作为控制回路的终端执行元件凸显重要,同时也是技术比较薄弱的短板。近年来,控制阀制造业随过程控制的快速发展而发展,体现在标准化、模块化、网络化,高集成、高性能、高智能,低成本等方面,以全面满足石油石化过程控制需求。

  国内石油石化企业朝着大型化、一体化、智能化和清洁化等方向发展的同时,要求控制系统从工厂生产操作、管理、维护的角度出发,具有开放性、高可靠性、互操作性和易维护性。智能化的要求使石油石化企业加大了自动化控制设备的投入,生产过程控制需要大量控制阀及其预测性维护,以实现过程强化、功能安全和能效管理。

  控制阀(亦称调节阀)作为控制回路的终端执行元件凸显重要,同时也是长期以来技术比较薄弱的短板。存在的主要问题:品种多、规格多、参数多,不便于选型、安装、维护、管理;维持性能差、可靠性差、耐用性差,不适应过程控制要求;技术研发缓慢,难以应对苛刻工况应用以及特种需求;体积大、噪声大、耗能大,不符合环保和能源战略等。

  近年来,国内石油石化工业高速发展,总体规模不断扩大,进一步优化产业布局,提高“长三角”、“珠三角”、环渤海地区和中西部城市群的产业聚集度,已形成了多个石化集聚产业区和上海漕泾、南京扬子、广东惠州等具有国际水平的大型石化基地。“十二五”期间,还将建成更多世界级规模的炼油—乙烯—芳烃上下游一体化的产业基地。同时,新型煤化工适度发展,合理布局建设大型的二甲醚、煤制油、甲醇制烯烃、煤制天然气、煤制乙二醇等装置。因此,控制阀需求量大幅增长,每套千万吨级炼油装置需1500多台、每套百万吨级乙烯装置需5 300多台,其中苛刻工况应用约占25%,包括大口径、高压力等级、特殊结构的控制阀。

  需求牵引,技术推动。控制阀制造业随过程控制的快速发展而发展,也使控制阀市场整体业务得以保持稳定和高速增长趋势,同时国际、国内竞争加剧,控制阀生产商纷纷组合品牌、整合技术优势,为满足石油石化工业不断增长的应用需求,引入先进制造技术,研发应用于高温、高压差、多相流、颗粒冲刷和磨损等苛刻工况以及大口径的控制阀产品和大推力、大扭矩的执行机构,旨在推出具有控制阀预测性维护的数字解决方案,完善从设计选型定制到调试检维修的全过程技术服务。控制阀国际知名品牌大量进入中国,如Emerson-Fisher,GE Enregy-Masoneilan,KOSO,Samson,Abzil,Flowserve,Tyco,Metso,CCI,ARCA等。这些全球控制阀主要生产商在中国牢牢占据着高端市场并收揽了大部分中间层次,不断建立独资或合资工厂,实施本土战略。同时,这些国外品牌带来了先进的控制阀技术和多样化的产品以及技术比较、借鉴的机会。国内现有300多家控制阀生产商,大多数从事仿制基型产品和简单加工,在石油石化行业的控制阀低端市场进行低价格无序竞争。相比之下,吴忠仪表、上仪七厂、重庆川仪调节阀有限公司、无锡智能、大连亨利、重庆南坪、苏州纽威、中核苏阀等厂商能够引进先进技术与创新,在竞争中也有逐年向上的良好表现,技术层面实现了部分突破,推出应用于石油石化和煤化工的大口径、高压差、耐冲刷磨蚀的控制阀产品。在新建的大型石油石化装置中应用国产控制阀的比例显著提升,在2012年10月投产的仪征化纤股份有限公司新建聚酯装置上的控制阀都选用了国产的无锡智能控制阀,包括主流程中关键的带热夹套的熔体特种控制阀。

1、控制阀标准化

  工业发展历程证明:发展产业,必须要有相应的标准化作为支撑条件。标准先行,控制阀制造业亦不例外。标准用来衡量产品质量、实现不同厂商间协调和信息交换,在确定技术体制、促进技术融合、加强科学管理、提高产品质量等方面发挥重要作用,并日趋国际化。

  国际上的控制阀标准化工作由IEC组织第65技术委员会(TC65)负责,名为“工业过程测量和控制”,任务是制定工业过程测量和控制系统与系统元件的国际标准,协调影响测量和控制系统匹配的有关标准化工作。TC65下属的SC65B小组“系统的元件”中的第9工作组(WG9)负责工业过程控制阀的标准制定工作,任务是为工业过程控制用的各种控制阀阀体组件、执行机构和定位器制定基本要求、端面距和相关尺寸、额定压力、泄漏和其他性能要求、尺寸计算方法和评定方法方面的标准。

  1997年IEC将所有标准改为60000系列,工业过程控制阀的标准序号为IEC60534,该族现行标准已有9个部分17个标准,其中第9部分是适应控制阀制造的最新发展,专用于多级降压、级间压力恢复的多级阀芯类型的噪声预估;2010年以后更新了其中2-1流量计算、8-2和8-3噪声预估标准。国际上的控制阀生产商都已接受上述IEC标准,在设计、制造、计算中采用基本统一的流量公式、阻塞流公式以及噪声预估方法,控制阀公称通径、公称压力、泄漏等级、端间距等均按IEC标准执行,阀门定位器等附件与控制阀的连接基本上符合标准,可实现通用性、互换性。模拟型和智能型阀门定位器分别有IEC61514和IEC61514-2标准。中国石油石化行业的标准化工作开展比较早,但在控制阀设计上习惯采用美国ANSI/ISA标准及API标准,而实际上美标的控制阀流量计算、阻塞流公式、泄漏等级和试验都已符合或等效IEC相关控制阀标准。

  中国于2001年开始全面采用国际标准,对于工业过程控制阀标准先是等效采用了IEC 60534的1,5,7,8-1,共计4个标准,标准号是GB/T17213。后来又等同采用了IEC60534的13个标准,使GB/T17213现行标准达到17个,其中有的版本有待更新或撤销。另用于阀门定位器的等同IEC61514和IEC61514-2的GB/T22137.1—2008和GB/T22137.2—2008,还有GB/T4213—2008《气动调节阀》。中国石化行业标准SH3005—1999《石油化工自动化仪表选型设计规范》也对控制阀的设计做了规范要求。另一方面,国内控制阀制造厂商在生产中采纳标准的很有限,因而符合控制阀标准的产品不多。尽管如此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为近年来中国工业过程控制阀的标准化工作还是有了实质性的进展,进步很大,等同和等效IEC 60534标准有利于中国控制阀的产品研发、提高技术含量和市场拓展。

2、控制阀先进制造技术

  控制阀制造涉及产品设计、材料选择、生产计划、生产过程、质量保证、市场营销和技术服务的一系列工作。控制阀历史可追溯到1880年,相当长时间内的制造技术和装备器具很落后,蹒跚在机械加工与装配过程的狭义制造中。近年来,随着工业技术大环境改变,先进制造技术迫切希望进入控制阀制造领域。多数厂商都在运用先进制造工艺,投用生产执行系统和数控机床实现加工自动化,采用压铸、全模等高效精密成型技术、高精度磨床的高效高精度加工工艺、表面改性和涂层的特种加工及材料改性技术,生产出精良、可用、可靠的高质量产品———从微小流量控制阀到超大通径控制阀;从传统单座阀型到偏心旋转阀型、V型球阀、轴流阀;从防喘振、抗空化气蚀、耐磨蚀控制阀到高温高压特种控制阀、专用控制阀;从大推力的气动执行机构到快速响应的电动执行机构;从保证过程安全的紧密关闭到保证环境的超低泄漏等。控制阀与石油石化过程控制的发展同步进行,形成了全过程、大范围、高参数的产品,基本满足了石油石化生产的控制要求。

  在先进设计技术方面,计算机辅助数字化设计和快速设计技术改变了控制阀设计落后的局面。模块化设计及产品已由Emerson-Fisher(GX型),Samson(240/250/290系列),ARCA(08C系列)等领军厂商推出多年。面对产品整体,这些模块化设计的控制阀体现在产品系统的标准化、组合化,结构合理,部件优化。以控制阀两大组成部分(执行机构和阀)及附件为出发点进行功能分析,划分出功能模块,并使有限多的模块实现功能最优化、通用化。

  控制阀绿色设计也初步展开,通过金属波纹管或膜片密封实现阀杆环径零泄漏或设计特殊结构填料以满足环保要求,或从产品自身全生命周期的绿色考虑以满足要求。

3、智能控制阀应用

  控制阀是控制回路的终端执行元件,接受控制指令并由阀门定位器自身闭合回路实现阀位的反馈控制。阀门定位器作为控制阀的重要附件,长期采用机械式的模拟技术,结构复杂、功能单一且故障率高,也使控制阀整体性能降低,通常不能实现有效控制。

  石油石化装置在控制系统及测量仪表领域率先实现数字化、智能化后,控制阀成为控制回路中的薄弱环节,严重制约了过程控制的发展。近年来,以智能电气阀门定位器为核心的控制阀数字解决方案,极大地提高了控制阀的使用性能,使之发生了质的飞跃,进而成为工业现场的智能控制阀设备。

  智能阀门定位器是新一代高性能的电气阀门定位器,采用在板微处理器、应用软件和功能模块,可实现定位功能的自校准、自适应、阀位控制和控制阀的在线自诊断及离线测试,本机显示或附加更多功能,数字通信和集成到控制系统/资产管理系统,还具有免维护运行特征。

  控制阀制造厂商在研发智能电气阀门定位器时,主要是为该公司的控制阀产品配套,也考虑到遵从相关的阀门定位器与控制阀连接的IEC60534-6-1/60534-6-2标准或行业标准,使不同厂商的阀门定位器与控制阀/执行机构之间组合连接成为可能;而在设计上都是基于定位功能的自校准、自适应、阀位控制和执行机构性能的自诊断功能及免维护运行,并支持HART通信/无线通信和Profibus-PA,FF和集成各种工程工具软件,且不断融入新的功能。

  石油石化装置过程控制中选用的智能电气阀门定位器绝大多数出自少数国外知名品牌:Emerson-Fisher的DVC6000,DVC6200,DVC2000系列;Siemens的SIPART PS2系列;Samson的3730/3731系列;GEEnregy-Masoneilan的SVIII/SVIIIAP;ABB(H&B)的TZID-C;Abzil(Yamatake)的SVP3000;Metso-Neles的ND9000等。国内相关产品刚刚起步,吴忠、温州、南京、重庆等地已有相应产品推出,但技术差距较大,尤其是在电气转换及气动部件上。

4、控制阀预测性维护

  预测性维护注重动态管理和监测以及设备良好运行的可持续性。发展控制阀预测性维护,实现执行机构自校准、自适应、状态监测、在线动态特性分析和设备故障诊断,在控制阀还没有产生故障前通过计算机辅助故障识别和诊断技术以及广义专家系统对状态参数预测可能出现的情况和预期的时间,通过预测控制阀设备的功能安全和时间依存性来进行维护。

  石油石化超大装置的管控一体化及资产管理系统促进了控制阀预测性维护的技术发展。随着智能电气阀门定位器的深入研发,所需的状态监测和诊断功能逐渐转移到控制阀本机设备上的诊断体系。利用智能电气阀门定位器自带阀位(行程)、输出、气源等参量传感器直接进行状态监测,以故障识别、逻辑思维推理、鲁棒性的广义专家系统进行在线预测性维护,提升并维持了性能,减少了运行故障和提高了使用寿命,对石油石化装置有显著的经济效益。

  全球控制阀主要生产商也是推行控制阀预测性维护的先行者,不断升级智能电气阀门定位器及完善预测性维护诊断软件。Emerson-Fisher有DVC6000/6200/2000系列和AMSValveLink诊断软件,Samson有3730/3731系列和EXPERTPlus诊断软件,GEEnregy-Masoneilan有SVIII/SVIIIAP和Valvue诊断软件,Foxboro有SRD960/991和VALcareTM诊断软件,Azbil有SVP3000alphaplus和Valstaff诊断软件等。

5、控制阀空化及损害的评估与预防

  控制阀苛刻工况应用是石油石化过程控制重点关注的技术问题,控制阀液体流体应用时发生的空化会对阀内件和阀体及阀后管件造成很大破坏,严重影响控制阀的工作性能和使用寿命,会加剧噪声、振动,构成安全隐患。空化及损害的评估长期止步不前,抗空化气蚀方案多限于计算复杂、加工难度大、应用局限大的迷宫式阀内件。

  基于经验指数的西格玛方法难以指导普遍性问题。近年来,在对控制阀液体流体应用时发生的空化及损害的评估和防治上有了技术突破。根据实时测试阀门空化气蚀程度的方法研究,通过声压级测试和材料测试建立相关性,获得更精确的信息,取得了开拓性进展。IEC组织据此发布了IEC60534-8-4:2005年第2版,在液体流体噪声预估中提出XF压差比方法,可由理论公式计算出接近实测值的初始空化特性压力比XFZ、微喷射流参数以及空化噪声功率等。2007年发布了具有抗空化气蚀功效的多级降压级间压力恢复控制阀的IEC60534-9标准,2010年以后又更新了IEC60534-8-2和IEC 60534-8-3噪声预估标准,能够指导控制阀厂家有效评估控制阀的空化及损害,进而基本掌握各种阀型不同通径、不同流量系数下的初始空化和初始空化损害的相关数据,结合阻塞流计算与测试、噪声预估与测试,保证控制阀适用于苛刻工况。GEEnregy-Masoneilan,CCI和Emerson-Fisher及Samson继续在控制阀苛刻工况应用、抗控制阀空化及损害、超高压差工况应用、多级阀设计计算和制造方面居行业领先地位。

6、石油石化控制阀技术发展趋势

  石油石化自动化控制在信息数字化、控制智能化、通信网络化、系统集成化技术支持下,趋于实现高可靠性、高性能和高适用性,在应用上呈现满足不同对象的个性化总体解决方案,结合企业经营管理的管控一体化系统,提高经济效益的能效管理。在此基础上对石油石化控制阀市场产生大的需求以及技术拉动,使控制阀制造业跟随发展,在标准化、模块化、网络化,高集成、高性能、高智能方面,低成本地全面满足石油石化过程控制需求。

  6.1、标准化、模块化及网络化

  寻求、完善和执行统一的控制阀标准,使不同厂商生产的控制阀能够实现互换性、互操作性和高适用性。整合计算选型程序,采用标准化软件,从分散的不通用的各自计算状态发展到根据过程数据和指定功能、性能和成本就能够正确计算选型,确定所需的阀型、流路、流量系数、通径和管路配合、适合的阀体阀内件型式和材质、针对性的密封型式等。建立标准化的软件平台,使用标准化的计算机辅助故障识别和专家诊断软件,使不同制造商的控制阀可进行性能监测和故障诊断。标准化实现了控制阀的低成本和可维修性。

  从产品的集中设计到模块化分散设计是一种创新,模块化设计遵守从系统结构入手,将整个控制阀系列产品按照功能切分成有限多的通用模块(不变部分)和专用模块(变化部分),分散的相对独立的模块遵守共同的明确规则,以保证这些模块能够组合成一个完整的系统,并能够随时加入新的模块增加系统功能。各模块独立开发并要求具有更多更好的性能,优化设计并尽可能多地在不同口径的阀门中采用相同的零部件,基于大部分部件确定使用通用模块、少部分按用户技术条件选择专用模块,缩短了产品生产周期,能够快速响应市场,组合成满足需求的控制阀产品。模块化设计的控制阀将以其开放式架构、全新的系统结构、优化的模块部件、简便的计算与选型、高安全性和可靠性以及产品紧凑坚固、号型齐全多样、部件通用可换、易于维护检修,带来控制阀整体功能和性能的明显提升,也使其在应用、生产、维修、管理方面大为简化。

  网络技术推动了传统工业结构的变革,将现场总线、以太网、多种工业控制网络互联、嵌入式技术和无线通信技术融合,在保证系统原有的稳定性、实时性等要求的同时,增强了系统的开放性和互操作性,提高了系统对不同环境的适应性。网络化支持控制阀技术,建立虚拟制造和虚拟设备(仪表),形成快速反应和高效集成,产生整体经济效益。数字化的控制阀成为现场智能设备,支持现场总线协议并融入管控一体化网络,在网络化下更好地协同工作、有效控制、在线诊断和便捷维护,实现了全局信息和全生命周期信息的整合。

  6.2、高集成、高性能及高智能

  高集成基于信息化,包括企业资源的集成化研发管理和产品制造、开放性技术和标准化的产品。利用先进制造技术进行控制阀产品集成化,运用制造执行系统(MES)和企业资源计划系统(ERP)。注重信息集成、有效利用与整合、提升制造智能、优化系统和控制阀产品,使控制阀生产商有效管理全生命周期和提供优质有效、低成本、绿色产品。控制阀本身的高集成也使产品功能多样化、复杂化,单台控制阀就具有应对石油石化生产多种控制要求的能力。

  开发控制阀的高性能处理能力、苛刻工况应用能力,加强基型产品的技术开发创新,彻底摆脱产品单一技术特征,在控制流体量的简单执行功能和工作可靠的同时,具备本机显示、组态、检测、控制、运算、诊断、通信以及安全、绿色等功能和兼容性,实现按需求控制、个性化解决方案。要重视对石油石化装置工艺参数和过程特征的了解,从功能安全和适用角度注重产品设计细节、制造质量和配套能力,开发高性能的石油石化特种控制阀。

  控制阀利用人工智能技术、计算机技术、嵌入式数字解决方案实现智能化,更多表现在控制阀自适应、自校准、自诊断和远程通信上,更好体现在实现强化性能和分散风险,提高可用性和可靠性上。综合神经网络、模糊逻辑、广义专家系统的计算机故障识别与性能诊断,是推动控制阀智能化的主要因素,智能电气阀门定位器应用到控制阀和电动执行机构智能一体化设计以及智能控制阀预测性维护是未来发展主流。

7、结束语

  控制阀实现过程强化、功能安全和能效管理的技术要求,推动了控制阀行业按照高可靠性、高性能和高适用性进行研发创新,满足了石油石化工业日益需求的过程控制。控制阀制造从“以产品为导向”转向“以市场为导向”,提供了响应用户的个性化总体解决方案和控制阀产品全生命周期的技术服务。

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