MOKVELD軸流式控制閥在天津輸油處SCADA系統(tǒng)上的應(yīng)用
為了適應(yīng)原油管道各種水力工況的變化，天津輸油處采用了由HMI上位機(jī)、QuantumPLC、MOKVELD軸流式控制閥和智能定位器組成的管道SCADA系統(tǒng)，通過標(biāo)準(zhǔn)4～20mA信號(hào)+HART通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)MOKVELD軸流式控制閥的控制及閥位反饋的采集，主要介紹MOKVELD軸流式控制閥在SCADA系統(tǒng)中的兩種調(diào)節(jié)方式和FISHER-DVC6010智能定位器在輸油管道中優(yōu)越的應(yīng)用特性。
能夠引起管道水力工況變化的情況主要有：其他站閥門誤關(guān)引起的水擊現(xiàn)象;事故性干線閥門緊急關(guān)閉引起的水擊現(xiàn)象;通過啟、停泵計(jì)劃性提量或減量;設(shè)備發(fā)生故障，保護(hù)裝置動(dòng)作引起的停機(jī);計(jì)劃性壓力越站、熱力越站或全越站引起的水力工況變化;事故性某站突然停電引起的水擊現(xiàn)象。
為了使天津輸油處(以下簡稱天津處)管道輸油工藝系統(tǒng)能適應(yīng)上述水力工況的變化，保證輸油過程平穩(wěn)進(jìn)行，保護(hù)管道和所屬設(shè)備，就必須實(shí)現(xiàn)管道壓力的自動(dòng)化調(diào)節(jié)。因此，需要在管道上安裝能夠?qū)崿F(xiàn)壓力、流量自動(dòng)調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)閥。
1、調(diào)節(jié)閥壓力控制系統(tǒng)
天津處共22處采用了MOKVELD軸流式控制閥，按照功能分為3類：調(diào)壓進(jìn)罐閥、原油混比調(diào)節(jié)閥和出站調(diào)節(jié)閥。從SCADA系統(tǒng)的控制方式來講，三者的共同之處是均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)給定開度;不同之處就是參與PID自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)算的參數(shù)不同，調(diào)壓進(jìn)罐閥僅需采集進(jìn)站壓力，原油混比調(diào)節(jié)閥需采集閥前瞬時(shí)流量，出站調(diào)節(jié)閥最為復(fù)雜，要采集原油入口匯管壓力、出站壓力和出站流量3個(gè)參數(shù)，筆者主要介紹出站調(diào)節(jié)閥的壓力控制系統(tǒng)。
出站壓力調(diào)節(jié)閥位于輸油泵機(jī)組的下游側(cè)，是實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)輸油的重要自動(dòng)化調(diào)節(jié)和保護(hù)設(shè)備，主要有兩種調(diào)節(jié)方式。
1.1、出站調(diào)節(jié)閥PID自動(dòng)調(diào)節(jié)
由圖1調(diào)節(jié)閥在SCADA系統(tǒng)中的控制原理可知，原油入口匯管壓力、出站壓力和出站流量分別與各自設(shè)定值比較，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算，選取PID調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)高選(三選一)，此種調(diào)節(jié)方式簡單方便，生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)安全，尤其當(dāng)通過PID調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)高選使調(diào)節(jié)閥關(guān)小時(shí)，流量下降，其結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)反向水擊波來抵消上游站或下游站產(chǎn)生的正向水擊波，防止水擊對(duì)管線的破壞。
1.2、出站調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程手動(dòng)給定開度
調(diào)度人員在HMI上位機(jī)上將調(diào)節(jié)閥的手/自動(dòng)調(diào)節(jié)變?yōu)槭謩?dòng)調(diào)節(jié)，然后可以直接手動(dòng)輸入閥門開度對(duì)閥門進(jìn)行操作。這種調(diào)節(jié)功能對(duì)調(diào)度人員的經(jīng)驗(yàn)要求比較高，要密切關(guān)注壓力曲線平穩(wěn)性，一般開度設(shè)定值的增加或減小量不要超過10%。出站調(diào)節(jié)閥壓力控制系統(tǒng)應(yīng)用中的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)為：
a.在進(jìn)行調(diào)節(jié)閥操作之前，必須保證供氣系統(tǒng)的壓力足夠(一般0.6MPa);
b.出站調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)P、I、D調(diào)節(jié)因子的設(shè)定需由工藝部門專門確定;
c.所有調(diào)節(jié)閥全關(guān)均需設(shè)定機(jī)械限位和軟限位，其中機(jī)械限位由工藝部門確定，調(diào)節(jié)閥廠家調(diào)校，軟限位一般稍大于機(jī)械限位，需儀表自控部門確認(rèn)。
圖1 調(diào)節(jié)閥在SCADA系統(tǒng)中的控制原理
2、MOKVELD控制閥
2.1、MOKVELD控制閥結(jié)構(gòu)
MOKVELD控制閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，MOKVELD控制閥由閥外體、閥內(nèi)體、閥桿、活塞、籠套和活塞桿6部分組成。
圖2 MOKVELD控制閥結(jié)構(gòu)圖
1———閥外體;2———閥內(nèi)體;3———閥桿;4———活塞;5———籠套;6———活塞桿
2.2、MOKVELD控制閥特點(diǎn)
2.2.1、軸流式設(shè)計(jì)
由于采用軸向?qū)ΨQ流道，局部高速流被消除，流向突變被減小，因此最大限度地提高了單位直徑上的流通能力，大大降低了噪音和紊流的形成，并有效減少了對(duì)閥體和部件的沖蝕，使活塞和閥芯受力平衡。
2.2.2、壓緊式密封
密封系統(tǒng)采用自緊式壓力設(shè)計(jì)，閥門的密封由兩個(gè)密封環(huán)組成，并由一根彈簧預(yù)緊，這種特殊的設(shè)計(jì)可以使閥門在關(guān)閉時(shí)密封圈在上游流體壓力下被壓緊，從而達(dá)到非常好的密封效果。
2.2.3、完全的壓力平衡
活塞的端面上均勻分布有孔洞，以使活塞內(nèi)外壓力平衡，左右運(yùn)動(dòng)時(shí)與閥門兩端的壓力無關(guān)，使用扭矩較小的執(zhí)行結(jié)構(gòu)就能達(dá)到快速運(yùn)動(dòng)的目的。
2.2.4、45°角正交式嚙合
活塞上的活塞桿有45°角的嚙齒，活塞桿由有相同嚙齒的閥桿操作。閥桿和活塞垂直正交，當(dāng)閥桿向上移動(dòng)，閥門開啟;反之，閥門關(guān)閉。
2.3、MOKVELD控制閥的控制原理
MOKVELD控制閥由活塞式氣動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力源為工業(yè)儀表風(fēng)(即經(jīng)過過濾、除水和干燥后符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的壓縮空氣)。SCADA系統(tǒng)HMI上位機(jī)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA控制信號(hào)，定位器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)信號(hào)，氣動(dòng)信號(hào)經(jīng)過氣動(dòng)信號(hào)放大器后進(jìn)入氣缸，活塞在氣壓推動(dòng)下上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)閥內(nèi)的活塞前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)控制。
液壓單元由氣壓控制，可以鎖定氣動(dòng)執(zhí)行器活塞的移動(dòng)。氣路閉鎖閥在無氣壓時(shí)閉鎖，可鎖定氣動(dòng)執(zhí)行器活塞的移動(dòng)。電磁閥由低信號(hào)保護(hù)模塊所控制的24V電壓控制，可以接通或關(guān)閉通向液壓單元和氣路閉鎖閥的氣壓信號(hào)，鎖定氣動(dòng)執(zhí)行器活塞的移動(dòng)。閥位反饋模塊將閥門的行程HART信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA信號(hào)，傳送給SCADA系統(tǒng)，并在HMI上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示開度數(shù)值。
3、FISHER-DVC6010智能定位器
3.1、FISHER-DVC6010智能定位器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
FISHER-DVC6010智能定位器是一種支持HART協(xié)議、可通過375手操器或者PC機(jī)與AMSValveLink軟件配置參數(shù)的定位器，由行程傳感器、電子模塊、I/P轉(zhuǎn)換器和微小氣動(dòng)放大器組成，輸入信號(hào)為兩線制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)增壓或減壓的調(diào)整是連續(xù)的，因此可以達(dá)到極好的控制效果。定位器有一個(gè)氣源連接口，兩個(gè)輸出連接口，可用萬用表的“mV檔”直接測量接線端子TEST+、TEST-，測量的電壓值即為回路電流值，這樣可以方便地檢測調(diào)節(jié)閥的實(shí)際閥位，天津處應(yīng)用的是安裝于氣動(dòng)直行程機(jī)構(gòu)上的定位器。
3.2、FISHER-DVC6010智能定位器工作原理
控制信號(hào)經(jīng)端子盒進(jìn)入電子模塊，在這里被微處理器處理后轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)傳遞給I/P轉(zhuǎn)換器，當(dāng)信號(hào)改變時(shí)I/P轉(zhuǎn)換器的線圈和銜鐵間的磁吸引力改變，并因此改變了噴嘴擋板間的距離進(jìn)而改變了噴嘴背壓，該背壓經(jīng)放大器放大后送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變閥桿位置。閥行程傳感器通過反饋桿感知桿位置并將此信號(hào)反饋給電子模塊參與計(jì)算。當(dāng)閥桿達(dá)到正確位置，閥桿位置信號(hào)反饋到電子模塊組建，經(jīng)過處理后使I/P驅(qū)動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定下來，則噴嘴背壓也穩(wěn)定下來，直到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出也穩(wěn)定下來，閥桿位置不再發(fā)生變化。
3.3、液壓單元
對(duì)調(diào)節(jié)閥的SCADA系統(tǒng)測試內(nèi)容中有一項(xiàng)“三斷保位”功能測試，具體步驟為：
a.斷氣源。當(dāng)控制系統(tǒng)氣源故障(失氣)時(shí)，氣動(dòng)保位閥自動(dòng)關(guān)閉，將定位器的輸出信號(hào)壓力鎖定在氣動(dòng)控制閥的膜室內(nèi)，輸出信號(hào)壓力與控制閥產(chǎn)生的反力相平衡，氣動(dòng)控制閥的閥位保持在故障位置。
b.斷電源。當(dāng)控制系統(tǒng)電源故障(失電)時(shí)，失電(信號(hào))比較器控制單電控電磁閥的輸出電壓消失，電磁閥換向?qū)鈩?dòng)保位閥的膜室壓力排空，氣動(dòng)保位閥關(guān)閉，重復(fù)步驟a。
c.斷信號(hào)。當(dāng)控制系統(tǒng)信號(hào)故障(失信號(hào))時(shí)，低信號(hào)保護(hù)模塊摩爾SPA2檢測到回路電流小于3mA后，斷掉單電控電磁閥的電壓信號(hào)，重復(fù)步驟b。
液壓單元在DVC6010定位器的“三斷保位”功能中起著關(guān)鍵性的作用。因此，若發(fā)現(xiàn)“三斷保位”功能無法實(shí)現(xiàn)，則可初步判定為液壓單元損壞，由測試經(jīng)驗(yàn)可知液壓油缺失或者液壓鎖銹死均可導(dǎo)致“三斷保位”功能無法實(shí)現(xiàn)。液壓鎖銹死的情況，可用細(xì)砂紙進(jìn)行打磨，生銹嚴(yán)重的只能更換液壓單元;液壓油缺失則要進(jìn)行補(bǔ)充。
補(bǔ)充液壓油應(yīng)由專業(yè)人員用MOKVELD專用工具(注油泵、軟管、接頭)操作，液壓油為SHELL15#或性能指標(biāo)相當(dāng)?shù)钠渌放�。液壓油補(bǔ)充操作步驟為：
a.將閥門置于全關(guān)位置，切換到手動(dòng)操作狀態(tài)，防止遠(yuǎn)控信號(hào)干涉，并將氣壓鎖旋到底，防止液壓單元閉鎖，無法注油;
b.將3個(gè)快速接頭上的保護(hù)帽打開，分別接上轉(zhuǎn)換接頭和軟管，其中氣缸下面的一個(gè)需要接注油泵;
c.操作注油泵，將液壓油注入，觀察另外兩個(gè)軟管接口，有無排氣及連續(xù)的液壓油流出，確認(rèn)內(nèi)部存氣完全排空后，將溢油軟管拆下，繼續(xù)注油直至壓力表顯示1.4MPa，停止注油，拆下注油泵及軟管，恢復(fù);
d.注油完畢，手動(dòng)操作液壓桿，開關(guān)閥門一次，檢查效果，此時(shí)液壓手動(dòng)桿下壓有阻力，調(diào)節(jié)閥閥位變化，并且手動(dòng)桿能自動(dòng)回彈，如按壓仍有空曠感，說明內(nèi)部氣體未完全排空，則有必要照上述步驟再補(bǔ)充液壓油一次。
4、MOKVELD控制閥常見問題處理
4.1、閥門定位器選擇
管道輸油行業(yè)對(duì)于現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)速度要求較高，天津處應(yīng)用FISHER-DVC6010定位器。幾年的使用經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，定位器搭配使用的摩爾SPA2低信號(hào)保護(hù)模塊在失信號(hào)時(shí)，現(xiàn)場有約0.4s的延遲保位，如天津中轉(zhuǎn)油庫某調(diào)節(jié)閥在失信號(hào)時(shí)，閥位由故障位50%開至60%，由于輸油生產(chǎn)運(yùn)行原因，未對(duì)低信號(hào)保護(hù)模塊摩爾SPA2進(jìn)行改良。在新建的日照-儀征輸油管線中，已全部采用phoenix的低信號(hào)保護(hù)模塊，消除了延遲的現(xiàn)象，但是在使用過程中應(yīng)注意安裝環(huán)境的磁干擾強(qiáng)度，以免使電磁閥誤動(dòng)作，影響輸油生產(chǎn)。而在甬滬寧管線上應(yīng)用的是ABBTZIDC200定位器，優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大，控制參數(shù)全自動(dòng)設(shè)定并與終端控制元件適配，缺點(diǎn)是故障率高，不能提供失氣保位功能。
4.2、限位問題
軸流式控制閥由全關(guān)開至7%以上為過流，對(duì)于輸油行業(yè)，若機(jī)械限位和軟限位設(shè)定在7%以下，無任何意義。
4.3、閥門動(dòng)作不正常
軸流式控制閥在使用過程中，如果出現(xiàn)卡滯、異常聲音及不能正常保位等現(xiàn)象時(shí)，多次輕頂減壓過濾器下端的排污細(xì)頂針，不能解決時(shí)注意檢查液壓單元是否有液壓油缺損或液壓鎖銹死的狀況，如果還不能解決問題，就要在停輸放空狀態(tài)下拆除閥門進(jìn)行內(nèi)部臟物的清理。
4.4、閥門超調(diào)值大、振蕩不穩(wěn)
MOKVELD控制閥是比較精確的壓力調(diào)節(jié)閥，一般可控制壓力在50kPa范圍內(nèi)，如果現(xiàn)場遇到調(diào)節(jié)閥反復(fù)振蕩、超調(diào)值大，則可調(diào)整反饋螺釘，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的平穩(wěn)快速調(diào)節(jié)，一般默認(rèn)此螺釘為
圈。
4.5、閥門有內(nèi)漏或外漏現(xiàn)象
如果閥門有輕微內(nèi)漏(由閥體上的泄漏檢測閥可看出，此閥一般為全開)，可能是密封圈有輕微損壞或密封圈壓接的內(nèi)表面有刮痕，這時(shí)可以連續(xù)將閥門開關(guān)幾次，檢查是否仍然內(nèi)漏，必要時(shí)由廠家更換密封圈，若輸油生產(chǎn)不允許廠家拆卸調(diào)節(jié)閥，可暫時(shí)關(guān)閉泄漏檢測閥，將內(nèi)漏原油被閥桿處的主密封圈鎖住;如果閥門閥桿處有外漏，只能由廠家更換閥桿處的主密封圈，如果閥門泄漏嚴(yán)重，則要考慮閥門活塞是否被卡住或閥門已損壞。
5、結(jié)束語
管道輸油行業(yè)對(duì)調(diào)節(jié)閥的使用日漸規(guī)范，尤其對(duì)調(diào)節(jié)閥的“三斷保位”功能特別重視。筆者只是針對(duì)天津處MOKVELD控制閥在SCADA系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行一些經(jīng)驗(yàn)交流，結(jié)合在其他幾條線上使用的經(jīng)歷，摸索出來一些工作經(jīng)驗(yàn)，希望可以給同行提供借鑒。
