緊急切斷閥的一種行程測試方法

高延榮

（中石化南京工程有限公司，南京 211000）

0 引言

緊急切斷閥是一種快關式閥門，根據驅動方式不同可分為：電磁式、液壓式、機械式和氣動式[1]。氣動式緊急切斷閥在化工生產裝置中最為常見，可以用于緊急排放和緊急切斷等操作要求，適用于生產過程和生產設備的安全保護系統和一般的兩位控制和開關操作要求的場合。緊急切斷閥的工作狀態與整個生產裝置的安全運行息息相關。

圖1 改進前切斷閥附件示意圖Fig.1 Schematic diagram of accessories of cut-off valve before improvement

圖2 改進后切斷閥附件示意圖Fig.2 Schematic diagram of improved cut-off valve accessories

圖3 智能數字閥門定位器Fig.3 Intelligent digital valve positioner

以天然氣制氫裝置為例，天然氣制氫裝置中的原料氣入口切斷閥是氣動緊急切斷閥，當遇到突發情況時，可以在現場和一定距離之外借助執行機構實現閥門的快速關斷。當環境溫度由于火災等原因升高至特定的溫度時，可以借助易熔裝置來切斷氣路，使閥門回到安全位置。此閥門在裝置穩定運行后一直處于打開狀態，只有在裝置聯鎖停車或緊急情況才會關閉，在生產過程中閥門動作頻率極低。對于這種動作頻率較低的緊急切斷閥，如何在日常維護過程中判斷閥門是否處于正常狀態非常重要。本文結合項目實際情況，通過增加智能數字式閥門定位器和就地操作按鈕的方法，可以在裝置正常運行情況下對原料氣入口切斷閥進行測試。在裝置停車檢修期間，也可通過就地操作按鈕對閥門進行全開和全關的全行程測試，操作簡單實用。

1 緊急切斷閥的應用

本文以原料氣入口氣動緊急切斷閥61-XBV-6701 為例進行分析。改進前切斷閥附件示意圖如圖1 所示，改進后切斷閥附件示意圖如圖2 所示。

圖2 中，XY-6701 為電磁閥，ZSL-6701 為關位限位開關，ZSH-6701 為開位限位開關，ZLL-6701A 為現場關位指示燈，ZLH-6701A 為現場開位指示燈，HS-6701DO 為DCS系統中的開閥按鈕，HS-6701DC 為DCS 系統中的關閥按鈕，ZLH-6701D 為DCS 系統中的閥門開位指示燈，ZLL-6701D為DCS 系統中的閥門關位指示燈，HS-6701A 為就地緊急關閉按鈕，XY-6701C 為智能數字閥門定位器，LCP 為閥門就地操作盤。

通過圖1、圖2 的對比可以發現，改進后的切斷閥增加了智能數字閥門定位器和就地操作盤。

1.1 智能閥門定位器

智能數字式閥門定位器如圖3 所示，是一種基于微處理器的電流信號到氣動信號轉換的原件。數字式閥門定位器把調節器來的模擬信號4mA ～20mA DC 變成氣動信號，再來推動氣動執行器，定位器中的微處理器可以把閥門的位移信號通過HART 協議傳到控制系統或個人計算機中進行雙向通訊[2]。

圖4 閥門就地操作盤Fig.4 Valve local operation panel

圖5 智能閥門定位器與就地操作盤接線圖Fig.5 Wiring diagram of intelligent valve positioner and local operation panel

安裝在緊急切斷閥上的數字式閥門定位器有3 個基本功能：

1）根據邏輯計算器的要求調節氣動輸出。

2）可以定期對閥門組件進行測試。

3）監控閥門的健康狀況并根據監測結果發出警報。

1.2 閥門就地控制盤

閥門就地控制盤（LCP）一般與智能數字閥門定位器結合使用，用來對氣動緊急切斷閥進行關閉、打開，也可對閥門進行行程測試和復位。現場控制盤如圖4 所示。

就地控制盤右側從上到下分別為開閥、關閥和閥門測試按鈕。左側從上到下分別為綠色閥開指示、紅色閥關指示和黃色閥門準備好復位指示燈。一般情況下，閥門的就地控制盤安裝在靠近閥門的位置，以便在現場進行操作時可以直觀地觀察閥門的動作狀態。

1.3 智能閥門定位器與就地控制盤的連接

閥門定位器與就地操作盤的連接方式有很多種，本文結合現場實際情況，選用最為簡單實用的點對點的接線方式，既可以實現相應的控制功能，又可以節約電纜。閥門定位器與LCP 接線圖如圖5 所示。

如圖5 所示，閥門就地操作盤與定位器只需一根3 芯電纜連接，定位器與ESD 系統只需一根2 芯電纜連接。就地操作盤內部左上角是供電方式選擇開關，可以選擇是24VDC 供電還是回路供電。當選擇左側回路供電開關時，閥門定位器通過ESD 系統的AO 回路供電，閥門定位器給就地操作盤供電。ESD 系統AO 信號的+/-分別與閥門定位器接線端子中的Loop +/-相接；閥門定位器接線端子中的Loop +/-與就地操作盤中的Loop +/-相接，定位器接線端子中的AUX +與就地操作盤中的AUX +相接。由于就地操作盤回路大約消耗4mA，故為了保證操作盤能夠正常工作，ESD 系統輸出電流最低應為8mA。

1.4 閥門行程測試

閥門行程測試分局部行程測試（PST）和全行程測試（FST）兩種。

所謂閥門局部行程測試（PST）即是讓閥門從正常工作狀態按照一定的斜坡速率移至預先設定的目標位置，然后再以一定的速率返回正常工作狀態的過程。在測試的過程中采集數據，通過分析這些數據來評估閥門組件的狀態。局部行程測試只可在裝置運行正常的情況下進行。

1）局部行程測試（PST）步驟

◇ 按下LCP 上最下部的“閥門測試”按鈕3s 以上（最長不要超過10s）。

◇ 閥門由正常開度以特定的速度開始向PST 目標開度轉動，當閥門轉動時LCP 上的綠色開位指示燈開始閃爍。

◇ 閥門開到PST 設定的開度。

◇ 閥門從PST 設定的開度返回至正常開度，LCP 上的綠色開位指示燈不再閃爍，變為常亮。

2）人工干預下的局部行程測試（PST）步驟

◇ 按下LCP 上最下部的“閥門測試”按鈕3s 以上（最長不要超過10s）。

◇ 閥門由正常開度以特定的速度開始向PST 目標開度轉動，當閥門轉動時LCP 上的綠色開位指示燈開始閃爍。

◇ 在閥門達到PST 設定的目標開度前，再次按下LCP下部的“閥門測試”按鈕。

◇ 閥門立刻又以特定的速度返回至正常開度，LCP 上的綠色開位指示燈不再閃爍，變為常亮。

閥門局部行程測試時緊急切斷閥的開度與供氣壓力關系示意圖如圖6 所示。

圖6 閥門行程與供氣壓力關系示意圖Fig.6 Diagram of the relationship between valve travel and air supply pressure

由圖6 可見，當閥門局部行程測試開始后，閥門供氣壓力逐漸降低，當達到局部行程測試可觸發的壓力設定值后，閥門將以特定的斜坡速率向預先設定的目標位置移動，當達到設定的目標開始后又以特定的斜坡速率返回至正常開度。其中，閥門動作的斜坡速率、PST 目標開度等參數都可在初始化時通過475 手操器進行設定。為了保證局部行程測試時不影響裝置的正常運行，設定的閥門PST 目標開度與閥門正常工況開度變化最大不應超過裝置安全、平穩運行所允許的閥門最大開度。閥門設定的PST 斜坡速率和PST 目標開度由工藝專業最終確定。

所謂閥門全行程測試（FST）即是在停車工況下對閥門進行全行程（全開到全關或全關到全開）測試的過程。在測試的過程中采集數據，通過分析這些數據來評估閥門組件的狀態。全行程測試可進一步發現局部行程測試未能發現的問題。全行程測試只可在裝置停車期間進行。

a）系統指令全行程（FST）測試

◇ 減小智能數字閥門定位器的供電電流至4mA（適用于故障/斷電關的閥門）。

◇ 閥門轉向故障安全的位置（關位）。

◇ LCP 上的關位指示燈（紅色）常亮，開位指示燈（綠色）和復位指示燈（黃色）不亮。

◇ 按下LCP 上部的開閥按鈕，閥門保持故障安全位置（關位）不動。

◇ 增加智能數字閥門定位器供電電流至20mA，閥門繼續保持在故障安全位置（關位）不動。

◇ 此時LCP 上的紅色關位指示燈繼續保持常亮，黃色指示燈變為常亮（準備好復位）。

◇ 按下LCP 下部的“閥門測試”按鈕（復位）。

◇ LCP 上的關位紅色指示燈熄滅，閥門轉動至正常工作位置（開位），LCP 上的開位綠色指示燈常亮。

b）LCP 指令（FST）測試

◇ 按下LCP 上的“關閉”按鈕。

◇ 閥門轉向故障安全的位置（關位）。

◇ 此時LCP 上的關位指示燈（紅色）變為常亮，黃色指示燈變為常亮（準備好復位）。

◇ 按下LCP 上的“打開”按鈕。

◇ LCP 上的關位紅色指示燈熄滅，閥門轉動至正常工作位置（開位），LCP 上的開位綠色指示燈常亮。

在測試過程中，定位器可以自動搜集診斷的數據用于閥門故障排除。對診斷結果，也給出了建議的解決方法。智能數字閥門定位器可以識別的故障如下：

①切斷閥卡死。

②電磁閥故障。

③閥門供氣不足。

④氣源污濁。

⑤外部氣源泄漏（執行結構膜片或Tube 管）。

⑥活塞執行機構O 型圈故障。

⑦單作用執行機構彈簧損壞等。

2 應用情況

天然氣制氫裝置原料氣入口緊急切斷閥加裝智能數字閥門定位器、就地操作盤后，經現場測試，運行良好，極大程度上保證了裝置的安全、平穩運行，可以有效縮短閥門檢修的周期，降本增效效果明顯，運行效果令人滿意。

3 結語

化工裝置中的緊急切斷閥通常只有電磁閥和閥位開關，這種組合雖然可以通過系統進行部分閥門測試，但僅靠電磁閥動作以及閥位開關的反饋信號來監測閥門的動作，沒有其他的信息來判斷閥門的狀況。隨著診斷技術的發展，數字化解決方案是普遍共識[3]。石油化工生產裝置復雜，裝置布置相對集中，工藝介質多有易燃易爆等性質，危險性較高，緊急切斷閥是裝置安全穩定運行的一個重要環節，定期對閥門進行診斷測試可在很大程度上保障裝置的穩定運行；而在線行程測試和診斷，減少了裝置的非計劃停車，節能減排、降本增效效果明顯，符合國家可持續發展戰略的要求。