化工生产中偏心旋转调节阀的应用改进

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)昆明冶研新材料股份有限公司 作者:陶定华

  针对联锁控制回路中偏心旋转调节阀响应速度慢、基本误差大的问题,根据电磁阀、定位器的原理,通过调整其结构布局,改变气体路线,使定位器输出的气压信号更直接作用于执行机构。经优化后,调节阀的响应速度和基本误差两项指标得到了很大的改善,达到了预期效果。应用实践表明,改进后的回路能满足高精度、高灵敏度的生产场合,证明了该改造的有效性和工程实用价值。

  目前,国内许多化工生产过程中,产出氯化氢、氢气等物质,这些都是易燃易爆、有毒有害的物质,一旦发生泄漏或遇明火均会产生严重后果。这就要求工艺管道上所使用的调节阀具有响应速度快、基本误差小的特点,并且在发生危险的情况下,以联锁的方式通过附加的电磁阀切断调节阀气源,迅速完成调节阀的启闭动作。为保证安全生产,保护企业财产,实现自动化控制,在重要的工艺管道上,选用品质好的调节阀控制工艺介质流量、温度、压力和液位等参数。此调节阀集成偏心旋转阀、先导式二位三通电磁阀、智能控制定位器。

1、偏心旋转气动调节阀的原理和特点

  偏心旋转调节阀的工作原理就是阀座上坐落有一个偏心转动的扇形球阀,利用偏心球冠与阀座的相对位置来控制工艺管道中的介质。当打开时,偏心球冠相对于阀座转过一定角度,球芯脱离阀座,工艺介质通过偏心球冠与阀座之间的空隙,空隙的大小由调节阀气缸的气源信号来控制;同理当关闭时,气缸内的气源信号使偏心球冠逐步靠近阀座,直至使偏心球冠对阀座相切产生一定压紧力而关紧调节阀。

  偏心旋转阀的特点如下。

  (1)球面压紧阀座 , 容易把结晶结巴物破坏,适用于易结晶、结巴等存在介质的场合中。

  (2)流路简单,kV值大,自洁性能好。

  (3)体积小,重量轻。

  该调节阀采用SVI-Ⅱ单作用智能定位器,它的电/气转换器将接收的4~20mA标准电流信号转换为20~100 kPa的标准气压信号p去推动阀门,阀门的位移负反馈到定位器(输入端),和输入信号进行比较调节,使调节阀能按输入信号精确的确定开度[ 2] 。阀门定位器原理如(图1)所示。

阀门定位器负反馈系统原理图

图1 阀门定位器负反馈系统原理图

2、先导式电磁阀特点

  先导式二位三通电磁阀主要由导阀和主阀组成,其特点是大通径,大流量,能用于控制大型机构,快速关闭大型控制阀,弹性体阀座,密闭性好。功率消耗低、通径较大,而结构简单、安装方向任意,但只能用于电磁阀两端有一定压差的场合。通电时,电磁力把先导孔打开,上腔室压力迅速下降,在关闭件周围形成上低下高的压差,流体压力推动关闭件向上移动,阀门打开;断电时,弹簧力把先导孔关闭,入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差,流体压力推动关闭件向下移动,关闭阀门。

  特点:流体压力范围上限较高,可任意安装(需定制)但必须满足流体压差条件(图2)。

电磁阀结构图

1.副弹簧 2.线圈 3.衔铁 4.主弹簧 5.阀芯活塞 6.导流口 7密封面 8先导口 9电磁阀阀芯

P-进气口 B-常开腔 A-常闭腔

图2 电磁阀结构图

3、调节阀改造前

  改造前,35-35121调节阀的控制回路如下:控制调节阀动作的气源经过过滤减压阀给定位器供气,气源压力设定在0.3MPa,定位器为单输出、正作用的定位器,当定位器的输入信号增加时,输出气源压力增加,再经过电磁阀后进入偏心旋转调节阀的右气缸,右气缸的压力增加推动活塞向左移动使阀门开度增大。相反地,当定位器输入电流信号减小时,输出的气源压力减小,经电磁阀后进入偏心旋转调节阀右气缸的压力亦减小,弹簧作用下,活塞向右移动使阀门开度变小。调节阀气源通路如(图3)所示。

改进前调节阀气源通路图

图3 改进前调节阀气源通路图

  在这种情况下,此偏心旋转调节阀在运行过程中暴露了一些缺点,主要体现以下几点。

  缺点一:阀响应速度慢,特别是调节开度从大到小时表现最为明显。例如:当正作用阀门处于全开状态时,给一个全关信号,阀门关至40%~30%的开度后,约30s才继续缓慢关至10%~0。

  缺点二:误差较大。当阀门处于全关状态时,输入信号为20mA信号,阀门理论开度为100%,而实际开度只有68%。

  缺点三:阀门内漏严重。这对存在易燃易爆、有毒有害的氢气、

  氯化氢等介质,生产工艺复杂的化工行业中,要求阀门动作灵敏、控制准确的特性相背离,从而给化工装置的安全生产带来严重的安全隐患。

4、原因分析

  该阀门的气缸,一侧采用单输出阀门定位器驱动,另一侧靠弹簧来实现平衡。阀门定位器输出的气压信号需经过电磁阀,才能作用在执行机构上。调节阀、定位器均为正作用。由于先导式电磁阀只能用于电磁阀两端有一定压差的场合,见(图2),在调节阀从大开度到小开度过程中,根据定位器计算结果,定位器到气缸的压力变小,即P口压力变小,先导控制口8压力相应变小,则活塞向上的受力减小,在弹簧作用下,活塞向下运动带动电磁阀阀芯向下,A口、P口开度变小,气体流动变慢,随着压力下降,电磁阀阀芯不断向下,通气速度不断下降,这样,就需要长时间的调节才到达定位器设定的压力。所以,当开度关至40%~30%的开度后,排气困难,需要约30s才继续排气使阀门缓慢关至10%~0。

  当阀门在从小开度到大开度过程中,根据定位器计算结果,气信号经过电磁阀被削弱,气体被迫缩径后径,扰乱了定位器的固有计算方式,造成阀门动作误差大。当输入信号为4mA时,阀门实际不能全关,导致工艺管道仍有物料经过,所以内漏严重。

5、调节阀优化方案

  由于阀门的动作由定位器进行调节控制,在改进过程中,缩短定位器与执行机构的距离,将定位器改装在先导式电磁阀之后。此时电磁阀的驱动气由气源直接供给,压力不再受定位器的影响。正常情况下,电磁阀得电,处于打开状态,给定位器4~20mA的信号时,定位器将电信号转化为气压信号直接作用在偏心旋转阀,此时气体不需要再经过电磁阀,即不需要经过电磁阀阀芯快速的进入气缸,推动活塞带动连接杆,驱动阀芯运动。位移负反馈至定位器,精确计算,和输入信号进行比较调节,使调节阀能按输入信号精确地确定开度。

  当工艺发生异常情况时,联锁回路中的流量/温度/压力变送器测量值超过正常值范围时,电磁阀失电,立刻关闭,通过定位器立刻关闭调节阀,达到了连锁控制要求,保障了安全生产。调节阀优化方案图如(图4)所示。

改进后调节阀气源通路图

图4 改进后调节阀气源通路图

  该调节阀优化后,调节阀的行程时间(全开行程时间和全关行程时间)、基本误差、回差、连锁开关时间。改进前后指标如(表1)所示。

表1 调节阀优化前后指标

调节阀优化前后指标

  运行结果表明,偏心旋转阀的性能与原先相比具有精度高,响应速度快,而且输出功率更大,维护也更方便,在供气压力相同时,驱动阀门的气压更大,气量更多。优化后,阀门不能全关的现象得到解决。由于定位器输出力的增加,阀门内漏情况明显好转。

6、结论

  经过改进的偏心旋转阀,控制精度高,响应速度快,联锁动作快,大大减少了维护工作量,更符合化工生产的对阀门控制品质的要求,值得推广。

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