气动控制阀典型附件控制原理与分析

在现代自动化生产过程中,控制系统对阀门提出各种各样的特殊要求,因此控制阀必须配置各种附属装置(简称附件)来满足生产过程的需要。例如,为了改善调节阀的静态特性和动态特性,要配用定位器;为了使工作动力气源保持干净和压力稳定,必须配带空气过滤减压阀;另外,为了实现如图1所示的“常见控制阀安全失效模式”等功能特性和要求,也需相应的控制附件来达到相应的控制目的;总之,附件的作用就在于使控制阀的功能完善、合理、操控安全便捷。

图1 工程中常见的3种控制阀安全失效模式

Fig.1 Types of control valves in Figure 1 project safe failure mode

鉴于控制阀附件配置功能要求多样化,以及现代自动化过程控制工艺要求,现在这里与业界同行共同探讨,针对不同生产工艺控制环节和要求,列举典型附件配置方案、进行逐一原理分析如下。

1.1 气(电)正常任意调节阀位,连锁及安全失效时阀均复位(FO或FC)

见图2,在定位器的输出到执行机构之间配一个两位三通电磁阀,气(电)正常时且配置中电磁阀带电即P←→A相通,供给(4~20Ma)信号则实现任意阀位。当控制阀的电源出现故障时(失电或电源低于最小限定值)或者控制需紧急连锁、以及电磁阀自身接触不良等安全失效时均可换向即A→R相通,执行机构膜头内的气源迅速通过其电磁阀的R口排空,此时无论定位器给定信号与否,该控制阀门均处于初始位置(此图配置是故障开)。从而保证相关工艺过程安全生产,也保证相关设备不被损坏。

图2 典型控制方案与原理分析1

Fig.2 Characteristic control method and principle analysis1

1.2 当气(电)源正常可独立调节、也可独立切断见配置

见图3,依据现场工艺生产要求,同一台在某个时段时需要既能独立实现调节操作也可独立实现切断操作。当气(电)源正常,系统送出4~20Ma信号给定位器,并通过气动加速器放大,途经气控阀R→A至单作用执行机构(此时的气控阀仅起一个通道的作用),即此过程实现阀门任意开度位置快速调节;当气(电)源正常且中断供给定位器信号,对电磁阀通电或断电操作,此时与之配置的两位三通气控阀实现往复换向动作,即满足P→A相通或R→A相通,则对应阀门位置全开或全关。

图3 典型控制方案与原理分析2

Fig.3 Typical control method and principle analysis2

1.3 可正常独立调节、也可独立切断且均具备故障保持(FL)的功能(以单作用执行机构为例)见图4

1)明确安全保护元件-信号比较器、气动保位阀(气锁阀)的功能及特性:

①信号比较器:主要检测当系统电信号大于设定时,则固态继电器接通负载(电磁阀),当检测系统电信号小于其设定时则切断负载(电磁阀)电源;

②气动保位阀(气锁阀):作为自动控制回路中重要的安全保护元件,当控制系统气源故障(失气)或低于该保位阀的设定值时,自动切断调节仪表与控制阀的通道,使控制阀的开度保证停留在故障前的位置,从而使工艺过程正常运行;气源故障消除后,又能自动恢复正常。

2)控制方案及控制原理阐述如下:

①当气(电)源均正常,系统送出4~20Ma信号、(电压AC或DC)分别给定位器和信号比较器。此时电磁阀B带电,此时的两位三通气控阀相当于一通道,给定控制信号后实现阀任意位置调节;

②当信号比较器检测到电信号或电源异常时则中断与之连接的电磁阀B控制电源,电磁阀B换向,此时保位阀气源进口(IN)压力小于自身弹簧设定值,故实现故障保位;

③当主气源断气或该气源压力低于保位阀自身弹簧设定值时,无论控制电源或电信号正常与否,该阀位均保持故障位置;

④当现场控制要求实现开关式操作时,则控制系统中断对定位器、信号比较器信号供给。系统通过另一电缆对电磁阀B通电,再对电磁阀A通电或断电操作,此时阀门将实现全开或全关位置动作。当出现②或③阐述异常之一时,阀均保持原位。

图4 典型控制方案与原理分析3

Fig.4 Typical control method and principle analysis3

1.4 可任意改变控制阀动作速度 (以单作用执行机构为例)见图5

若现场工艺生产过程需人为改变其控制阀开或阀关动作速度即改变(延迟)动作响应,并依据控制响应指标人为地预设单向节流阀1或单向节流阀2内置的截流面积,这两个单向节流阀应为反向连接。

图5 典型控制方案与原理分析4

Fig.5 Typical control method and principle analysis4

1.5 三段式(始点、预设位置x%、终点)切断阀(见图6、7、8)

三段式气动切断阀现在世面上基本是由三段式气动执行器和球阀或蝶阀组成。它是一种特殊的气动阀门,提供了阀初始位置、预设位置、终点位置的三段式操作方式,通过预设辅助活塞的运动位移,从而达到阀某位置开度的设定。(根据经验预设阀位x%范围一般为10%-60%)它依靠电磁阀来控制其阀的适宜位置,另外增配快速排气或节流元件,使三段式控制阀具有非常优良的开关特性。对开阀、关阀速度可以进行调整,以适应各种工艺、包括流速不稳定的单支或多支管路。防止喷溅式进液,使管道中流体变化平稳,不会因冲击产生水锤现象使易燃流体发生爆炸,亦不会因冲击而损坏系统中流量计及其他仪表,因而适用于石油、化工、轻工、国防等行业的流量控制系统,因此它广泛适用于介质仓贮、灌装、装车等系统。

①对于单作用三段式执行器,通过控制附件的配置组成它能实现(阀两步开、一步关)或根据要求也可实现(阀两步开、两步关)见图6及其动作时序。

②对于双作用三段式执行器,通过控制附件的配置组成它能实现(阀一步开、两步关)见图7及其动作时序;(阀两步开、两步关)见图8及其动作时序。

图6 三段式切断阀控制方案与原理分析1

Fig.6 3-section cut off valve control method and principle analysis1

图7 三段式切断阀控制方案与原理分析2

Fig.7 3-section cut off valve control method and principle analysis2

图8 三段式切断阀控制方案与原理分析3

Fig.8 3-section cut off valve control method and principle analysis 3

1.6 切断阀配双作用执行器,正常时切断、一旦断电、断气或气源低于最小值时阀门自动回到事故安全位置(全开或全关),见图9

原理概述如下:

①气源电源正常时,对电磁阀进行操作(通电或断电)则实现阀门全开或全关动作。

②当断电或断气以及气源压力低于最小值时,则储气罐内的气源通过与之相连的气控阀的常出口进气实现阀门全开或全关即事故安全位置。

      图9 切断阀控制方案与原理分析

Fig.9 Block valve control method and principle analysis

本文通过对典型附件配置方案的一一列举说明并提出了合理的解决方案,并对典型现代自动化生产过程装置控制方案进行了阐述以及工作原理的说明,对生产过程控制阀装置及其相关运用领域提供完整明确的解决思路。