智能阀门定位器在己内酰胺装置中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油化工股份有限公司 作者:张娟

  介绍了智能阀门定位器及常规电气阀门定位器的工作原理。从使用、维护和经济三个方面对比分析了智能定位器和传统定位器的优缺点,发现智能阀门定位器具有性能稳定、调校方便、维修简单、成本低廉等优点。阐述了当前化工企业中广泛使用智能阀门定位器面临的挑战。

  阀门定位器是普遍用于石油化工生产过程中的一种调节阀的附件,作为调节阀的辅助工具,对调节阀的性能起着决定性作用。阀门定位器具有使调节阀提高响应速度、定位精度、增大执行机构输出力等的作用。阀门定位器质量的好坏直接影响调节阀的使用,从而影响到工艺的生产操作。常见的阀门定位器根据其结构形式和工作原理的不同分为气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能电气阀门定位器(简称智能定位器)。目前,阀门定位器技术逐渐向智能化、小型化发展,智能定位器具有高度自动化、安装简单、免维护等优点,普遍应用于各种大型石油化工生产装置的自动化控制中。

1、智能阀门定位器工作原理

  智能阀门定位器的工作原理如图1所示。模拟量4~20mA信号传给微处理器,与阀位传感器的反馈信号进行比较,微处理器根据偏差的大小和方向进行控制计算,向压电阀发出电控指令使其进行开、闭动作。压电阀依据控制指令脉冲的宽度对应于气动放大器输出压力进行增量控制,同时气动放大器的输出又被反馈给内控制回路,再次与微处理器的运算结果进行比较运算,通过两级控制后输出信号到执行机构,执行机构内仪表空气压力的变化控制着阀门行程。当控制偏差很大时,压电阀发出宽幅脉冲信号,使定位器输出一个连续信号压力,大幅度改变到执行机构的信号压力以驱动阀门快速动作;随着阀门接近要求的位置与测得实际位置的差值变小,压电阀输出一个较小脉宽的脉冲信号,断续、小幅度的改变至执行机构的信号压力,使执行机构接近命令位置的动作平缓。当阀门到达要求的位置(进入死区)时,压电阀无脉冲输出,定位器输出保持为零,使阀门稳定在某一位置不动。

智能电-气阀门定位器结构示意图

图1 智能电-气阀门定位器结构示意图

1-二线制输入信号接线;2-控制板(有LCD显示和功能按键); 3-压电式阀组件(单作用定位器);4-附加压电式阀组件(双作用定位器); 5-功能模块;6-单作用执行机构(弹簧返回);7—双作用执行机构

2、智能定位器的应用优势

  2.1、性能优势

  从阀门定位器的工作原理可以看出,智能定位器可以实时进行信息控制、提高安全性和减少硬件开支。智能定位器的控制是一个变量控制,在给定信号时,定位器输出流量曲线如图2所示。在变量大的时候,定位器的输出是快速大流量,而在变量小的时候,定位器的输出流量是逐渐减小直到为零,当阀位稳定在要求开度而没有新的命令信号时,定位器的输出流量几乎为零。而常规定位器的控制是平衡比较控制,主要通过调节定位器的增益控制定位器、放大器的反应速度。在反应速度一定的条件下,定位器的输出流量和输出压力是不断变化的,如当阀位高于给定值时,定位器输出压力增加,阀位向下动作,由于反应速度固定,在定位器放大器的输出流量是一定的。所以在阀位向下动作的时候,喷嘴挡板的动作时间延缓,致使阀位动作过多,此时阀位会低于给定值,定位器输出压力又会减小,如此反复。

定位器输出曲线图

图2 定位器输出曲线图

  因此,在给定一个阀位时,经过一个调节过程后,智能定位器的输出流量会保持为零;节省空气消耗,减少能耗,其空气消耗只是传统定位器20%。智能定位器的定位快速、精确,常规定位器因其输出流量是不断变化的,故其定位速度、精度是不能和智能定位器相比的。

  2.2、维护优势

  1)定位器作为调节阀的附件,当调节阀检修后一般都需要通过定位器对其进行调校。目前常规定位器的调校均采用手动调整零位、量程来满足调节阀的性能要求。调校时需要使用专用设备、必须隔离控制回路,同时零点和行程的调整互相影响,须反复调整,线性偏离严重时,则更难调整。这种调校方法费时、耗力,而且精度等级低,调校结果受检修调校人员的水平影响较大。而对于智能定位器,由于它的调校不需要对定位器本身作太多的调整,可以在线更换,连续性生产装置重要阀门一般没有复线,一旦损坏,严重影响生产,但是智能定位器通过PC机保存组态数据和初试化数据,故障时更换智能定位器,只需将组态数据和初试化数据下载到定位器中就可以使用,精度达到1%。在线诊断,通过诊断信息分析可以缩短仪表维护人员的故障处理时间,特别是西门子SIPARTSP2系列智能定位器,它的调校完全不需要人为调整定位器内部零件。因其内部可调整的零件很少,其调校过程是定位器内部运算放大器运算、整定的过程,在整定后出现偏差时,才需要通过人为的微量修定来矫正,在大多数的情况下是不需要维护人员去调整的。

  2)常规定位器多为机械式力平衡原理,常采用喷嘴挡板机构。由于喷嘴本身的特性,执行器在稳定状态时也要大量消耗压缩空气,若使用执行器数量较多,能耗较大,而且喷嘴本身是一个潜在故障源,易被灰尘或污物颗粒堵住,使定位器不能正常工作,特别在仪表空气不够干净的情况下更容易出现故障,这种情况在定位器日常维护过程中经常出现。另外定位器内部可动件较多,容易受温度波动、外界振动等干扰因素的影响,环境适应性差。比如定位器力反馈弹簧在恶劣环境、长期受力等条件下,弹性系数会发生改变,造成调节阀线性偏离,导致控制质量下降;而外界振动传递到力平衡机构,则容易造成可动部件磨损、零点和行程漂移,使定位器难以工作。智能定位器没有太多的可动部件,其工作环境要求比常规定位器低,特别是抗振动性尤其突出。己内酰胺装置的空气压缩机入口阀和出口阀所用的定位器是西门子智能定位器,性能稳定,在强振动环境工作运行近一年时间没有出现过任何问题。

  3)就定位器的安装而言,常规的定位器对于安装位置要求较高,特别是在阀位反馈的安装上,要将反馈安装在规定的位置,可调整的量不大。而智能定位器的安装就没有那么严格,从目前使用的几种智能定位器来看,安装位置要求基本上都是有两点:一是调节阀在50%开度时,定位器的反馈也基本在其有效转角的中间位置;二是调节阀全开全关动作时,定位器反馈的转角要在限制的范围内。只要满足这两个条件,定位器就可以达到性能要求。

  在调校定位器的时,不可避免的会产生误差。常规的定位器特别是气动定位器,由于其整个控制回路中元件数量比电气定位器和智能定位器都多了一个电气转换器,在回路联调时,累积误差要大一些,对比结果见表1。作为常规定位器,不论是气动定位器还是电气定位器,其调校都是以人为的调整零位、量程、增益来满足性能要求的。在调校过程中,调校精度是不可控的或是不稳定的,受调校人员的水平、定位器性能、装配精度的限制比较明显,误差也比较大。而智能定位器不受调校人员的影响,定位器内部可动部件少,本身精度高,因此它的误差也就很小。

  所以,无论是安装、调试,还是维护,智能定位器都比常规定位器有优势。

  2.3、经济优势

  目前,化工企业都在尽力降低生产成本,追求更高的利润,而设备的检修、更新所需要的资金在产品成本中占有较大的比例,减少设备的检修、更新频率可以在一定程度上降低产品成本。以电气定位器和智能定位器比较,初期投资额基本相当,但从上文的分析中发现:常规电气定位器在稳定状态时仍然需要消耗大量的仪表空气,智能定位器在稳定后几乎不消耗仪表空气。而且常规定位器内部可动件较多,易损件也多,而智能定位器内部可动件少,相对的易损件少;智能定位器基本上不存在维护成本,常规定位器则需要经常更换放大器、波纹管等部件,所以常规定位器的维护成本比智能定位器高。各种定位器的性能及维护成本对比见表1。

表1 智能定位器和常规定位器对比分析表

智能定位器和常规定位器对比分析表

3、存在的问题

  对于化工生产装置,生产稳定连续是我们的期望值之一。从目前的智能定位器的性能看,有一个重要的制约因素———定位器的在线更换,这使我们在选用定位器时依然需要考虑常规定位器。由于智能定位器在初次使用时,需要进行输入、运算、贮存数据,因而就必须要有一个初始化和自整定过程,这个自整定过程会导致调节阀产生全开全关动作。而在某些场合,工艺运行是不允许调节阀出现开或关的动作的,例如装置中的一些三通阀、工艺管线上没有设计副线、不能旁路操作等时,就不允许在定位器调试过程中出现导致调节阀全开全关的动作。因此对于在线更换,常规定位器仍然有它不可比拟的优势,而智能定位器的这个问题,需要我们在今后的工作中去研究解决。

4、结束语

  从近几年己内酰胺实际生产过程中定位器的使用效果来看,智能阀门定位器具有性能稳定、调校方便、具备自诊断功能、维修简单等优点,且既能与DCS直接通讯,又可移植到现场总线控制系统中,在当今仪表技术行业具有广阔的发展应用空间。

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