鎖渣閥動作超時的氣路改進方案

徐強

(中石化齊魯分公司 第二化肥廠，山東 淄博 255400)

1 問題提出

中石化齊魯分公司第二化肥廠水煤漿氣化裝置鎖斗排渣系統的閥門采用高壓硬密封球閥，工藝過程要求閥門的開/關行程時間不應超過15s，否則將引起鎖斗排渣系統停車，鎖斗排渣系統停運時間過長將會導致相應的氣化爐停車。閥門均為成套引進的開關球閥，裝置開車前，在空載狀態下對每臺閥進行了開/關行程時間測試，測試的動作時間為1.9～6.6s，能夠滿足工藝過程的要求。但是，裝置運行后部分閥門動作非常緩慢，嚴重時閥門拒動，多次因超時導致鎖斗排渣系統停車和氣化爐停車，影響了整個氣化裝置的穩定運行。

2 氣路分析

出現動作超時的閥門共有12臺，閥門均配置雙作用氣動活塞執行機構，氣路如圖1所示。圖中IN是輸入端，OUT(包括OUT1，OUT2)是輸出端，EXP是排氣端。來自儲氣罐的儀表風通過過濾減壓閥后在A點分為3路，分別連接到氣控閥輸入端和控制端以及傳輸閥輸入端；氣控閥的輸出通過電磁閥最后接到傳輸閥的控制端；傳輸閥的2路輸出分別接到氣缸的開動作(OPEN)和關動作(CLOSE)氣源接口。

圖1 鎖渣閥改造前氣路結構示意

氣路中主要部件有電磁閥、氣控閥和傳輸閥。電磁閥由DCS遠程控制，通過電磁閥的得電/失電來控制傳輸閥控制端的氣源壓力，進而驅動傳輸閥氣路切換，實現閥門的開/關控制；氣控閥起鎖位閥的作用，按控制端設定壓力(0.4MPa)動作，完成氣路切換，作用是當外界氣源壓力低時通過儲氣罐氣源使閥門處于故障安全(關閉)位置；傳輸閥是1個兩位四通閥，起到快速排氣(進氣)的作用。傳輸閥的CV值較大，目的是加快閥門的動作時間和提高執行機構的推力，功能類似于調節閥的氣動繼動器。具體工作原理如圖2所示。

圖2 氣控閥和傳輸閥工作原理示意

圖2中C端均為控制端，本例壓力均設為0.4MPa。C端大于設定壓力時，氣控閥1,2端口導通；傳輸閥1，2端口導通，3，4端口導通。當C端低于設定壓力時，氣控閥2，3端口導通；傳輸閥1，3端口導通，2，4端口導通。

正常情況下，氣控閥控制端壓力等于氣源壓力且高于設定壓力，氣控閥輸入端和輸出端導通，氣源壓力作用到電磁閥輸入端。當電磁閥帶電時，電磁閥輸入端和輸出端導通，氣源壓力作用到傳輸閥控制端，進而驅動傳輸閥氣路切換，輸入端(氣源壓力)與輸出1(OUT1)導通，向氣缸打開閥門側進氣，同時氣缸另一側通過傳輸閥排氣端放空，使閥門快速打開。當電磁閥失電時，電磁閥的輸入端截止，輸出端和排氣端導通，作用到傳輸閥控制端的氣源壓力通過電磁閥的輸出端和排氣端排氣，這樣傳輸閥的氣路切換為輸入端(氣源壓力)與輸出2(OUT2)導通，向氣缸關閉閥門側進氣，同時氣缸另一側通過傳輸閥排氣端放空，使閥門快速關閉。

按照以上分析，氣路設計應該沒有問題，閥門的正常開關動作由電磁閥控制，而且當氣源壓力低于設計壓力時，氣控閥動作，能夠保證閥門回到故障安全(關閉)位置。但裝置運行時，閥門沒有按照設計要求正常動作，經常動作緩慢，甚至不動作。

3 故障原因

根據閥門的實際動作情況，可能是氣動組件故障導致閥門動作異常，經過逐一排查，各氣動組件工作正常。然后又核實了執行機構的推力，按照設計要求閥門的正/反向關閉壓差均為7.25MPa，即在關閉(正/反向)壓差下，閥門都應正常地開啟或關閉。通過查閱閥門隨機資料和執行機構推力計算書，確認執行機構扭矩完全滿足關閉壓差的要求。執行機構的選型是基于最低氣源工作壓力0.4MPa，而現場儲氣罐壓力為0.6～0.7MPa，因而氣源壓力也能夠滿足閥門動作需求。

通過現場觀察，發現電磁閥得電時，傳輸閥并沒有只向氣缸進氣，而是間歇式地交替進氣和排氣，即發生“喘氣”現象，同時儲氣罐的壓力急劇下降。當壓力降到接近0.4MPa時，傳輸閥停止切換，此時閥門不再動作。檢查氣路配管時發現，過濾減壓閥后面直接配置四通接頭，連接傳輸閥輸入端、氣控閥信號端和控制端，結構緊湊。四通接頭處的氣容很小，而過濾減壓閥氣阻較大，和傳輸閥相比節流作用明顯。這樣當電磁閥得電動作時，由于過濾減壓閥的節流，不能及時補充儀表空氣，造成四通接頭處A點(圖1中氣控閥控制端)壓力下降很快。當壓力低于設定值(0.4MPa)時，氣控閥的輸出端和排氣端導通，將傳輸閥控制端的壓力泄掉，此時傳輸閥不再進氣開閥，而是反向進氣，使閥門關閉。

為了進一步驗證分析結果，通過在四通接頭處加裝壓力表實際檢測此處壓力變化情況，見表1所列。

表1 閥門動作時儲氣罐和A點處的壓力對比

實驗結果表明，閥門不動作時，A點壓力和儲氣罐一樣，相差很小；當控制信號發出，電磁閥得電時，閥門打開，A點壓力急劇下降，大約1～2s后A點壓力恢復正常；電磁閥失電時，閥門關閉， A點壓力又出現急劇下降，隨后A點壓力恢復正常；如此反復，隨著控制信號打開/關閉閥門，A點出現周期性的壓力下降、恢復過程。

當儲氣罐壓力在0.68MPa以上時，A點壓力最低值在0.4MPa以上，此時鎖斗閥動作正常；當儲氣罐壓力降到0.65MPa左右時，A點壓力降到0.4MPa臨界值，此時鎖斗閥再動作時會有“喘氣”現象，并使儲氣罐壓力急劇下降。原因：當閥門動作時氣控閥控制端壓力下降過快，低于氣控閥的設定壓力0.4MPa時，氣控閥的動作將造成傳輸閥控制端失氣，來自儲氣罐的氣源通過傳輸閥給氣缸反向供氣，閥門向關閉方向動作；當通過減壓閥補充過來的氣源壓力高于0.4MPa時，氣控閥再次導通，氣源通過傳輸閥給氣缸正向供氣，閥門向打開方向動作；如此反復開關閥門，持續到儲氣罐壓力降到0.4MPa以下，閥門不再動作，直到儲氣罐氣源壓力恢復。

另外，從表1可知單獨調試時閥門動作正常而開車時閥門動作異常。這是由于開車前，大部分閥門沒有投用，氣源壓力較高，氣控閥端的最低壓力尚能保持在0.4MPa以上，所以閥門動作正常；開車后，儀表空氣用量大幅增加，氣源壓力降到0.65MPa左右，當閥門動作時氣控閥控制端的最低壓力甚至低于0.4MPa，這時傳輸閥在氣控閥的控制下出現“喘氣”現象，直到儲氣罐壓力低于0.4MPa，閥門完全不再動作。

4 改進措施

通過以上分析，確認問題主要是由氣控閥的控制端取壓不合理引起的，原本正常的閥門開關動作影響了氣控閥控制端壓力，造成氣控閥和傳輸閥誤動作，使得閥門動作時間延長或拒動。為此做了以下改進，如圖3所示。

圖3 鎖渣閥改造后氣路結構示意

從氣源主管重新敷設1根氣源管(DN15)，接到氣控閥的控制端和輸入端，使氣控閥的控制端和傳輸閥的控制端都不受減壓閥后壓力波動的影響。改進后的控制氣路沒有改變閥門的控制功能，當氣源主管壓力降到0.4MPa以下時，氣控閥動作，通往電磁閥的氣源被放空；若此時電磁閥仍然帶電導通，則傳輸閥控制端氣源通過電磁閥后，再經氣控閥的排氣端放空；若電磁閥失電，傳輸閥控制端氣源直接通過電磁閥排氣端放空。總之，無論電磁閥是否帶電，傳輸閥控制端氣源都會放空，傳輸閥氣路切換，使氣缸開閥側排氣，關閥側的氣缸進氣，保證閥門回到故障安全(關閉)位置。而當氣源管網壓力大于設定壓力0.4MPa時，氣控閥導通，來自氣源管網的壓力始終作用在電磁閥輸入端，這樣傳輸閥控制端只受電磁閥控制。電磁閥帶電，傳輸閥控制端得氣，閥門打開；失電，傳輸閥控制端排氣，閥門關閉，保證閥門的正常開關動作準確可靠。

5 改進效果

鎖渣閥的控制氣路按照圖3所示增加1路控制端氣源后，閥門動作快速、可靠。開/關行程時間在3.2s以內，完全滿足工藝要求。即使氣源壓力降到0.5MPa，閥門動作依舊正常。將儲氣罐入口氣源閥門關閉，儲氣罐初始壓力為0.65MPa，閥門能夠開關動作4次，確保了閥門在事故狀態下能夠回到故障安全位置。

6 結束語

閥門的控制氣路是為了滿足閥門的開關動作要求而設計的，如響應的快速性、故障狀態的可靠性、安全性等。因此，閥門控制氣路的流路設計和氣路組件的選用必須認真對待，應該充分理解各種氣路組件的工作原理。筆者通過一個具體案例從理論分析和現場檢測兩方面剖析了故障原因，提出了簡便易行的解決方案。

參考文獻：

[1]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京：化學工業出版社，2000.

[2]樂嘉謙.儀表工手冊[M].北京：化學工業出版社，1998.

[3]厲玉鳴.化工儀表與自動化[M].北京：化學工業出版社，2001.

[4]HUTCHISON J W.美國儀表學會調節閥手冊[M].林秋鴻，譯.2版.北京：化學工業出版社，1984.

[5]吳國熙.調節閥使用與維修[M].北京：化學工業出版社，1999.

[6]周夏，張克鋒，劉長輝.鎖渣閥在水煤漿加壓氣化裝置上的應用[J].閥門，2008(01)：30-32.

[7]孫得浩，鄒杰，張彥，等.水煤漿氣化渣水系統國產化閥門運行分析[J]，煤化工，2012(06)：50-53.

[8]劉志偉.煤氣化工況自控閥門選型探討[J].石油化工自動化，2013，49(02)：55-57.

[9]王秀娟，陸弋.電磁閥氣動符號及工程應用淺析[J].醫藥工程設計，2009(03)：47-50.

[10]袁自偉.水煤漿氣化工藝過程中的特殊閥門[J].石油化工自動化，2009，45(03)：33-36.