氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥三斷保護(hù)的實(shí)現(xiàn)與分析
隨著電力、化工等行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)安全性能的要求也越來(lái)越高。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥在工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用廣泛。受距離、安裝、其它設(shè)備的影響，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的輸入源經(jīng)常會(huì)丟失，因此，研究氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥在信號(hào)源、電源、氣源丟失情況下的保護(hù)動(dòng)作，具有很實(shí)際的作用。該文介紹了兩種廣泛應(yīng)用的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥閥門(mén)定位器在斷信號(hào)、斷電、斷氣源時(shí)的自動(dòng)保護(hù)原理，以及實(shí)現(xiàn)其功能所需要的硬件。
通過(guò)兩種方案的比較分析，工程應(yīng)用時(shí)可根據(jù)工藝流程控制的需要更為合適的選擇氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥帶三斷保護(hù)功能的定位器。
0、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥三斷保護(hù)引言
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥應(yīng)用非常普遍，其作用也非常重要，關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際生產(chǎn)中，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥需要按照工藝系統(tǒng)的要求來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，使其滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的需要。尤其是在很多重要環(huán)節(jié)中，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥如果調(diào)節(jié)不當(dāng)就會(huì)破壞整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程并可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。一般而言，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥正常工作時(shí)需要提供電源、氣源、信號(hào)源，任何信號(hào)的喪失都會(huì)引起閥門(mén)的不當(dāng)動(dòng)作。因此，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，普遍采用三斷保護(hù)功能來(lái)保證氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)的可靠工作。
在工程實(shí)際中，斷電、斷氣、斷信號(hào)這三種故障中的一種或幾種情況發(fā)生時(shí)，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥基于工藝安全因素考慮而自動(dòng)地全開(kāi)閥門(mén)、全關(guān)閥門(mén)或者是保持閥門(mén)故障前的位置—三斷保護(hù)。其中，關(guān)閥和開(kāi)閥可以利用閥體中氣缸壓力和彈簧反力輕易實(shí)現(xiàn)。
三斷保護(hù)中的保位功能實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻比較復(fù)雜，因此，本文就兩種工程中廣泛應(yīng)用的三斷保護(hù)裝置中的保位功能方案進(jìn)行分析比較。
1 方案一
如圖1所示，本方案主要由氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、智能閥門(mén)定位器、氣鎖閥和空氣過(guò)濾減壓器等組成。
圖1 采用壓電閥的三斷保護(hù)原理圖
正常工作時(shí)，氣源壓力（即氣鎖閥的信號(hào)壓力）大于氣鎖閥的設(shè)定壓力，智能閥門(mén)定位器輸出的氣源管路和氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥上膜盒的氣源管路被連通，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥根據(jù)定位器的輸出指令進(jìn)行動(dòng)作。
斷氣源時(shí)，氣源壓力（即氣鎖閥的信號(hào)壓力）小于氣鎖閥的設(shè)定壓力，氣鎖閥上的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，智能閥門(mén)定位器輸出的氣源管路和氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥上膜盒的氣源管路自動(dòng)被切斷，即氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的膜盒內(nèi)的壓力信號(hào)被鎖死不受外界氣源影響，維持原有的壓力信號(hào)和氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥彈簧反力的平衡，從而實(shí)現(xiàn)在氣源故障時(shí)氣動(dòng)控制調(diào)閥的閥位保持在故障前的位置。
P/I轉(zhuǎn)換單元利用永久磁鋼、線(xiàn)圈、杠桿、噴嘴等部件將從控制系統(tǒng)輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成適用的氣壓信號(hào)，來(lái)推動(dòng)啟動(dòng)調(diào)節(jié)閥。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，P/I轉(zhuǎn)換單元分為噴嘴擋板式、壓電閥式和滑閥式三類(lèi)。目前，市場(chǎng)上主流智能閥門(mén)定位器中的I/P轉(zhuǎn)換單元主要采用噴嘴擋板式或者壓電閥式。斷氣源時(shí)，采用上述兩種結(jié)構(gòu)的智能閥門(mén)定位器的動(dòng)作原理相同，如上所述。現(xiàn)就斷信號(hào)和斷電時(shí)采用兩種不同結(jié)構(gòu)的智能閥門(mén)定位器的動(dòng)作原理分別進(jìn)行分析。
（1）對(duì)于采用壓電閥式結(jié)構(gòu)的智能閥門(mén)定位器：
斷信號(hào)時(shí)，定位器輸出被鎖定，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持在當(dāng)前位置。即無(wú)需增加任何附件，定位器本身能實(shí)現(xiàn)斷信號(hào)保位功能。
斷電源時(shí)，如圖1所示，此種保護(hù)方案無(wú)需電源，故不存在斷電源保護(hù)。有無(wú)電源均對(duì)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的位置無(wú)影響。
（2）對(duì)于采用噴嘴擋板式機(jī)構(gòu)的智能閥門(mén)定位器：
其電源是串接在閥門(mén)輸入信號(hào)回路里，斷信號(hào)/電時(shí)，定位器能自動(dòng)檢測(cè)出異常，輸出到氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥膜盒內(nèi)的壓力信號(hào)被鎖定，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥保持在故障時(shí)的位置。即無(wú)需增加任何附件，定位器本身能實(shí)現(xiàn)斷電、斷信號(hào)保位功能。
綜上分析，從結(jié)構(gòu)本身而言，采用壓電閥式結(jié)構(gòu)的智能閥門(mén)定位器的抗震性能要好。采用噴嘴擋板式機(jī)構(gòu)的智能閥門(mén)定位器斷信號(hào)時(shí)反應(yīng)更靈敏，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、附件少，在使用過(guò)程中發(fā)生故障的幾率也相對(duì)較少。
2 方案二
如圖2所示，在本方案中，保護(hù)裝置主要由信號(hào)比較器、智能閥門(mén)定位器、單電控電磁換向閥、氣鎖閥等部件組成。我們能很直觀(guān)地看出，圖2所示的保護(hù)方案比圖1所示的保護(hù)方案更復(fù)雜。
圖2 采用信號(hào)比較器的三斷保護(hù)原理圖
斷氣源時(shí)，氣鎖閥動(dòng)作，將定位器輸出的氣動(dòng)信號(hào)管路和氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的膜盒進(jìn)氣管路連通，相當(dāng)于繼續(xù)維持故障前的控制壓力信號(hào)和控制閥彈簧反力的平衡。故氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥在斷氣源時(shí)無(wú)動(dòng)作，繼續(xù)保持在故障前的位置。
從圖2可以看出，輸入信號(hào)及電源均接到信號(hào)比較器，當(dāng)斷電源、斷信號(hào)發(fā)生時(shí)，信號(hào)比較器檢測(cè)到電源/信號(hào)消失時(shí)，信號(hào)比較器動(dòng)作，使得單電控電磁換向閥失電動(dòng)作，切斷氣鎖閥的氣源供應(yīng)，即后續(xù)的保護(hù)動(dòng)作和斷氣源時(shí)相同。
上面只是就單作用氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的三斷保護(hù)功能進(jìn)行分析。對(duì)于雙作用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的三斷保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，只需將圖2中單通道氣鎖閥換成雙通道氣鎖閥，兩個(gè)通道分別連接氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的上下膜室，即可實(shí)現(xiàn)雙作用控制調(diào)閥三斷時(shí)的保位功能。而對(duì)于三斷時(shí)，需要閥門(mén)回到安全位置的應(yīng)用場(chǎng)合，則需要在上述氣動(dòng)管路圖中增加儲(chǔ)氣罐、二位三通電磁閥等附件即可實(shí)現(xiàn)。電磁閥失電后，向上膜盒供氣，則閥門(mén)關(guān)閉。電磁閥失電后，向下膜盒供氣，則閥門(mén)打開(kāi)。
智能閥門(mén)定位器主要是由電路部分和氣路部分組成。而根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，閥門(mén)故障多發(fā)生在氣路部分，定位器中的I/P轉(zhuǎn)換單元為損耗單元。I/P轉(zhuǎn)換單元中的一些膜片、密封環(huán)等橡膠制品，在高溫、油、水、蒸汽的環(huán)境中容易老化，并且在工程實(shí)際中，調(diào)節(jié)閥門(mén)一般都處于上述的惡劣環(huán)境中再加之頻換的調(diào)節(jié)動(dòng)作，更是加速了這些部件的老化，這些實(shí)際工況使得I/P轉(zhuǎn)換單元成為調(diào)節(jié)閥易出故障的部件。
3 結(jié)論
綜上兩種方案的比較分析，方案一中的三斷保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配用附件少，安裝維修方便，相應(yīng)的工程應(yīng)用中故障點(diǎn)也少，并且也無(wú)需單獨(dú)供電。在重要的調(diào)節(jié)回路中，建議在實(shí)際工程中優(yōu)先選用方案一中的智能閥門(mén)定位器。
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