氣動(dòng)閥門定位器節(jié)能技術(shù)開發(fā)應(yīng)用

寶鋼股份特殊鋼事業(yè)部條鋼廠 蔡 新

1 前言

氣動(dòng)閥門定位器是一種將電氣信號轉(zhuǎn)換成壓力信號的轉(zhuǎn)換裝置，以壓縮空氣或氮?dú)鉃楣ぷ鳉庠磥砜刂乒I(yè)爐調(diào)節(jié)閥的開度大小，普遍用于工業(yè)爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中對氣動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連續(xù)控制。在特殊鋼條鋼廠的各條產(chǎn)線中，氣動(dòng)閥門定位器得到了較為廣泛的使用。然而，有部分投產(chǎn)時(shí)間較早的產(chǎn)線存在相當(dāng)數(shù)量的舊制式氣動(dòng)閥門定位器，它們都是采用上世紀(jì)八十年代的落后技術(shù)生產(chǎn)出來的，故障率高，耗氣量大。它們的運(yùn)行，造成壓縮空氣使用狀況偏緊張，部分區(qū)域氮?dú)夂牧烤痈卟幌隆?/p>

條鋼廠精整分廠熱處理爐投產(chǎn)于上世紀(jì)九十年代，在空/燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥所使用的閥門定位器采用的都是ZPD系列閥門定位器，該系列閥門定位器耗氣量相當(dāng)大，并且故障率高，引起該區(qū)域氮?dú)夂牧烤痈卟幌拢瑖?yán)重影響了該區(qū)域工序能耗指標(biāo)的完成。同時(shí)，定位器故障對熱處理爐的溫度控制帶來了較大的負(fù)面影響，引起空燃比無法達(dá)到最佳狀態(tài)，使噸鋼天然氣消耗上升。

由于精整分廠熱處理爐使用ZPD系列閥門定位器的數(shù)量較多，經(jīng)多次論證，若簡單地以當(dāng)前市場上先進(jìn)的閥門定位器替換，對企業(yè)來說是一個(gè)難以承受的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，為此，條鋼廠協(xié)同能環(huán)部成立了一個(gè)課題小組，鉆研以廉價(jià)的費(fèi)用實(shí)現(xiàn)閥門定位器耗氣量的顯著降低，同時(shí)克服其高故障率。

課題小組經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，研制出一種新型閥門定位器。該定位器采用了當(dāng)前較為先進(jìn)的“先導(dǎo)閥”節(jié)能技術(shù)，其內(nèi)置調(diào)壓器可充分消除因氣路壓力變化對定位器動(dòng)作的影響，再輔以微處理器智能控制等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分程控制，從而使閥門定位器具有較好的線性度、靈敏度和滯后度，同時(shí)將工作耗氣量壓低到最低限度，比ZPD系列閥門定位器要低一半以上，而價(jià)格卻比同類產(chǎn)品低了將近一半左右。該閥門定位器是一種性價(jià)比較高的產(chǎn)品，為降低棒一產(chǎn)線氮?dú)獾氖褂孟木哂休^大的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

2 新型節(jié)能閥門定位器的研制

2.1 氣動(dòng)閥門定位器的工作原理

氣動(dòng)閥門定位器是按力平衡原理工作的，實(shí)現(xiàn)由輸入的4～20mA電流信號控制氣動(dòng)閥門由0～100%的開啟度。其工作原理如下（見圖1）。

當(dāng)需要增加閥門開啟度，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸出電流信號就會(huì)上升，力矩馬達(dá)①產(chǎn)生電磁場，擋板②受電磁場力遠(yuǎn)離噴嘴③。噴嘴③和擋板②間距變大，排出放大器④內(nèi)部的線軸⑤上方氣壓。受其影響線軸⑤向右邊移動(dòng)，推動(dòng)擋住底座⑦的閥芯⑧，氣壓通過底座⑦輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)⑩。隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室11○內(nèi)部壓力增加，執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿12○下降，通過反饋桿13○把執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿12○的位移變化傳達(dá)到滑板14○。這個(gè)位移變化又傳達(dá)到量程15○反饋桿，拉動(dòng)量程彈簧16。當(dāng)量程彈簧16和力矩馬達(dá)①的力保持平衡時(shí)，擋板②回到原位，減小與噴嘴③間距。隨著通過噴嘴③排出空氣量的減小，線軸⑤上方氣壓增加。線軸⑤回到原位，閥芯⑧重新堵住底座⑦，停止氣壓輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)⑩。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)⑩的運(yùn)動(dòng)停止時(shí)，定位器保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 節(jié)能技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)——先導(dǎo)閥技術(shù)的使用

通過對閥門定位器工作原理的研究，課題小組認(rèn)為要解決耗氣量大的問題關(guān)鍵在于放大器的排氣。經(jīng)過技術(shù)調(diào)研和多次論證，最終選擇以先導(dǎo)式電磁閥替代放大器。

先導(dǎo)式電磁閥（見圖2）是由電磁鐵首先控制氣路，產(chǎn)生先導(dǎo)壓力，再由先導(dǎo)壓力去推動(dòng)主閥閥芯，使其動(dòng)作。

如圖②所示：先導(dǎo)閥是由濕式閥用電磁鐵、閥芯、傳動(dòng)柱塞、閥套、頂針桿、鋼球、鋼球座、復(fù)位彈簧等組成。閥芯與閥體為螺紋聯(lián)接。傳動(dòng)柱塞一端連接電磁鐵銜鐵，另一端頂住鋼球。因此無論是上端電磁鐵的推力還是下端彈簧的作用力都使兩鋼球與頂針桿成連動(dòng)關(guān)系。頂針桿兩端與閥芯之間各有一段環(huán)形控制容腔，并分別與閥芯上的徑向孔道連通。當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，從P腔進(jìn)入的壓力氣直接作用在先導(dǎo)閥的球座上，而復(fù)位彈簧的彈性力也同向作用在球座上，使先導(dǎo)閥下閥口關(guān)閉，上閥口打開，因而使壓力氣路與控制氣路A阻斷，控制氣路與回氣路T開通。在這種情況下，控制氣路處于卸荷狀態(tài);當(dāng)電磁鐵得電時(shí)，傳動(dòng)柱塞推動(dòng)上鋼球向下移動(dòng)，上閥口關(guān)閉，下閥口打開,因而阻斷了控制氣路與回氣路的通道。與此同時(shí)壓力氣路與控制氣路開通。壓力氣經(jīng)先導(dǎo)閥的控制容腔進(jìn)入閥體的斜向孔道使控制氣路處于工作狀態(tài)。

先導(dǎo)閥技術(shù)的使用在很大程度上減少了工作氣源的使用量。當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，壓力氣路與控制氣路阻斷，控制氣路與回氣路開通；當(dāng)電磁鐵得電時(shí)，控制氣路與回氣路的通道被阻斷，與此同時(shí)壓力氣路與控制氣路開通?？刂茪怏w始終保持在先導(dǎo)閥的氣腔中，而沒有被排出來，從而節(jié)約了工作用氣,實(shí)現(xiàn)節(jié)能；而舊的閥門定位器沒有先導(dǎo)閥，它是通過放大器內(nèi)部的一個(gè)氣路分配器來引導(dǎo)和分配壓力氣路，未被分配到控制氣路的多余壓力氣就被直接向外釋放，工作氣體連續(xù)地外泄，直接對空排放，導(dǎo)致了工作氣源的大量浪費(fèi)。

3 新型閥門定位器的現(xiàn)場耗氣測定

為了檢驗(yàn)新型閥門定位器的節(jié)能耗氣指標(biāo)，條鋼廠在新型閥門定位器的工作氣路上和鄰近一個(gè)舊定位器的工作氣路上分別安裝了一個(gè)流量計(jì)，對新舊閥門定位器的耗氣量進(jìn)行現(xiàn)場測量，測量情況如下：

新型閥門定位器的耗氣量為0.30m3/h。

舊閥門定位器的耗氣量為2.25m3/h。

4 總結(jié)

新研制的閥門定位器在條鋼廠棒一精整1#退火爐現(xiàn)場進(jìn)行安裝調(diào)試，一次成功，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的全部功能，到目前為止運(yùn)行良好無故障。經(jīng)現(xiàn)場安裝的流量計(jì)測定，原來使用閥門定位器的氮?dú)夂牧繛?.25m3/h左右，而新型閥門定位器的氮?dú)夂牧績H0.30m3/h左右（現(xiàn)場實(shí)測），比原來的閥門定位器節(jié)約用氣達(dá)86.7%，新研制的閥門定位器一個(gè)就要節(jié)約氮?dú)庀?.95m3/h，一年下來可以節(jié)約氮?dú)庀倪_(dá)1.7萬立方米，折合標(biāo)煤6.04噸，具有較為可觀的節(jié)能效益，而其制作成本僅為當(dāng)今國外進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格的一半左右。

新型閥門定位器的研制成功是特殊鋼事業(yè)部節(jié)能科研項(xiàng)目的一項(xiàng)重要成果，節(jié)能效果和實(shí)用效果都是顯而易見的，具有較大的推廣價(jià)值。如果在特殊鋼事業(yè)部各主要生產(chǎn)分廠推廣使用，將為特殊鋼事業(yè)部有效遏制噸鋼工序能耗、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)提供強(qiáng)有力的支撐作用。

1、《流體力學(xué)和熱工理論基礎(chǔ)》（機(jī)械工業(yè)出版社）

2、《過程控制系統(tǒng)》（機(jī)械工業(yè)出版社）