航天爐粉煤加壓氣化裝置閥門閥位檢測故障原因分析與改造

顧 晨, 李西科

(安徽晉煤中能化工股份有限公司 安徽臨泉 236400)

安徽晉煤中能化工股份有限公司(以下簡稱安徽晉煤中能公司)600 kt/a 合成氨節能技術改造項目設計有鍋爐、空分、氣化、凈化、合成等單元,項目成功開車運行已有兩年多時間。 其中氣化單元采用航天爐粉煤加壓氣化技術,操作系統采用霍尼韋爾(Honeywell)公司的過程控制系統Experion PKS501,遠優于集散控制系統,是新一代過程自動化系統。 自控閥門作為流量調節控制的主要設備,在控制高度自動化的粉煤氣化生產裝置中有著大量的應用,是化工生產控制系統中最為重要的環節之一,尤其是遠程控制閥門的精確調節、閥門位置行程的正確反饋極為重要,閥門位置檢測異常問題必須得到妥善處理和解決。

1 故障現象

工藝操作人員在對氣化單元進行生產監控時發現,現場部分遠程控制閥門位置反饋信號異常,表現為閥門開關動作后閥位反饋信號延時遲滯嚴重,閥位反饋信號無法穩定,即閥門開關狀態頻繁跳變,給工藝操作人員的正常操作帶來了嚴重干擾,威脅氣化裝置的安全穩定運行。 通過對現場閥門逐一檢查后發現,閥門動作正常、無卡頓,閥門全開全關正常到位,閥位檢測信號在現場端能正常送出。 現場閥門位置檢測開關是通過線纜與機柜內的安全柵連接,通過安全柵隔離轉換后將閥位信號送入數字量輸入卡件,最終被DCS 控制器采集。 在對機柜間進行檢查時發現,操控閥門動作到位后,閥位信號對應通道的安全柵反饋指示燈無變化,通過測量確認安全柵輸出信號異常,無狀態變化。

2 原因分析

首先對DCS 系統機柜的屏蔽接地、信號傳輸線纜進行了全面排查,未發現異常情況,初步判斷閥位反饋異常是閥位檢測開關與安全柵匹配異常造成的。 氣化裝置現場崗位閥門閥位信號檢測開關為VS10N001C2型微動開關,與之匹配的是德國KCD2-SR-Ex1.LB 型開關量輸入安全柵。

2.1 微動開關

微動開關又名速動開關,因其開關觸點間距小,受壓促動后能快速轉換開關狀態而得名[1]。微動開關具有價格低廉、經濟實惠、體積小且結構形式多樣等特點,在通斷狀態需頻繁進行切換的場所,如氣化裝置渣鎖斗卸料、氣化裝置渣鎖斗進口切斷等處,得到較為普遍的應用。

VS10N001C2型微動開關結構示意見圖1。閥位檢測微動開關主要由動觸頭、靜觸頭、作用彈簧、操作鈕、接線端和膠木外殼等組成,內部為一常開一常閉式結構,接線端1 為信號輸出公共接線端,接線端2 中一個為常開式接線點,另一個為常閉式接線點,設有彎片狀彈簧的瞬動機構,具有較高的觸頭動作準確性。 未受力時,動觸頭處于靜止狀態,與其中一個靜觸頭連通;在閥位檢測時,當閥門到達檢測位置后,操作鈕受力作用在作用彈簧上,使其發生位移,當位移變化到達作用彈簧臨界點時,作用彈簧連帶動觸頭產生瞬時動作,讓作用彈簧末端的動觸頭和與其連接的靜觸頭迅速斷開,完成輸出信號的接通或分斷,并通過輸出信號線纜將信號送出,將閥門位置變換轉換成機械開關信號被采集;當操作鈕所受外力消除后,作用彈簧能量被釋放并發生反向位移,動觸頭在作用彈簧的帶動下自動復位[2]。 微動開關實際上是一種在機械受力作用下完成通斷狀態切換的干觸點信號發生裝置。

圖1 VS10N001C2 型微動開關結構示意

2.2 安全柵

安全柵也稱安全限能器,可以在安全區和危險區間進行電信號的雙向傳遞,并可限制因故障引起的能量由危險區向安全區傳送,是安全系統中的重要組成部分[3]。 安徽晉煤中能公司選用的KCD2-SR-Ex1.LB 型安全柵為單通道隔離柵,24 V 直流電源供電,干觸點或NAMUR 信號輸入,2 路繼電器觸點輸出,開關頻率≤10 Hz,可將現場NAMUR 傳感器或干觸點的數字量信號從現場危險區域傳輸至室內非危險區域,控制側負載為機械觸點控制式繼電器輸出觸點或接近傳感器。 此型號安全柵為常規繼電器輸出安全柵,在故障情況下其內部繼電器處于斷電狀態。 通過查閱數據技術手冊后發現,該型號安全柵電氣壽命最大為105次開關周期,最大開關周期次數取決于控制側電氣負載情況。 數據技術手冊給出的KCD2-SR-Ex1.LB 型安全柵電氣壽命與電氣負載關系見圖2。

圖2 KCD2-SR-Ex1.LB 型安全柵電氣壽命與電氣負載關系

2.3 原因分析

通過分析現場所采用的閥位檢測微動開關的作用原理及與其配套使用的開關量輸入安全柵的電氣特性數據發現,所采用的常規繼電器輸出安全柵的機械開關周期和電氣壽命都有次數限制。現場閥位檢測異常的閥門都是需頻繁進行通斷狀態切換的關斷閥,如渣鎖斗卸料閥、渣鎖斗進口切斷閥、渣鎖斗循環泵回流切斷閥、渣鎖斗事故切斷閥等,有著非常高頻次的開關動作,平均每天開關20 次左右。 項目開車后,這些通斷狀態高頻次切換的閥門即投入運行,與其閥門位置檢測開關配套使用的安全柵隨著開關次數的不斷增加,當電氣開關周期達到使用上限時,就會發生安全柵無輸出信號或安全柵輸出信號無法穩定等情況,并最終導致閥門閥位檢測信號出現異常。

3 問題的解決與驗證

分析閥位檢測信號異常情況后,可以判定故障原因為所采用的安全柵電氣開關周期無法滿足實際生產中閥門開關次數的要求。 進行技術數據對比和參數分析后,考慮同時兼顧安裝方式和規格型號等情況,安徽晉煤中能公司決定選用德國KCD2-SOT-Ex1.LB 型安全柵替代原有型號安全柵。 KCD2-SOT-Ex1.LB 型安全柵為單通道隔離柵,24 V 直流電源供電,干觸點或NAMUR 信號輸入,2 路無源晶體管輸出,開關頻率≤5 kHz,完全兼容原有安全柵的安裝方式,可以方便地完成控制機柜內安全柵的更換。 KCD2-SOT-Ex1. LB型安全柵負載輸入控制雙路無源晶體管輸出,電氣壽命不受開關周期次數制約,與常規的繼電器輸出安全柵相比,晶體管輸出安全柵能更好地適應輸入側開關動作信號頻繁變化的使用場合。

更換閥位檢測反饋異常點位對應通道的安全柵后,再操作閥門開關,閥門閥位檢測信號能夠正確返回。 對更換后的安全柵進行了半年的跟蹤觀察,發現此型號安全柵可長周期穩定地對閥位檢測信號進行準確無誤的反饋,能夠滿足安全生產的需求。 為此,統計所有需要頻繁進行開關狀態切換的閥門,將其對應通道機柜內的安全柵全部更換,徹底解決了氣化單元閥門閥位檢測信號異常的問題,保證了氣化裝置的安全穩定運行。

4 結語

綜上所述,設備的選型和適配問題十分重要,實際生產中應結合不同的使用環境和實際生產需求作具體分析,正確選用合適型號的器件設備,以保證生產裝置的長周期安全穩定運行。