在甲醇生產(chǎn)裝置中，高壓蒸汽通往中壓蒸汽的減壓調(diào)節(jié)閥開度在行程中段會(huì)發(fā)生大幅震蕩，主要是由于閥芯下行運(yùn)動(dòng)到閥座套筒部位瞬間突然增加的不平衡力所致，造成蒸汽管網(wǎng)穩(wěn)定性不佳，進(jìn)而影響透平運(yùn)行工況。詳細(xì)介紹了閥門故障現(xiàn)象的整個(gè)過程和解決該問題所采取的具體方法、步驟；并對(duì)閥芯閥座進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造，改進(jìn)后的閥芯閥座組合體實(shí)現(xiàn)了閥門在裝置中應(yīng)有的全部作用，能夠全行程、全時(shí)空地保持安全穩(wěn)定運(yùn)行。
PV015709B是600kt/a甲醇生產(chǎn)裝置中高壓蒸汽管網(wǎng)連接中壓蒸汽管網(wǎng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥（又稱蒸汽減壓站），主要功能是穩(wěn)定蒸汽管網(wǎng)壓力；當(dāng)合成氣壓縮機(jī)發(fā)生聯(lián)鎖跳車時(shí)，用該閥把壓縮機(jī)透平所用的160t/h高壓蒸汽引入中壓蒸汽管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)減少蒸汽放空、降級(jí)利用有效能量的目的。
1 故障現(xiàn)象
自2006年開車以來，凡是經(jīng)歷生產(chǎn)裝置開車階段，在關(guān)閥過程中當(dāng)行程處于45%左右時(shí)會(huì)發(fā)生大幅度閥位震蕩的現(xiàn)象，造成高、中壓蒸汽管網(wǎng)壓力的劇烈波動(dòng)。
閥位大幅波動(dòng)時(shí)為了達(dá)到工藝要求，被迫采用人工搖動(dòng)該閥手輪進(jìn)行機(jī)械限位操作。由于閥門尺寸大、差壓高，操作手輪不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且震蕩失控造成蒸汽管網(wǎng)壓力大幅波動(dòng)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備影響極大；另外，當(dāng)壓縮機(jī)意外停車時(shí)，該閥會(huì)因被限位無(wú)法作出應(yīng)急響應(yīng)，存在引發(fā)相關(guān)事故的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
2 原因分析
2.1 氣動(dòng)部件問題查找
合成氣壓縮機(jī)透平跳車時(shí)透平所用蒸汽要通過該閥送往中壓蒸汽管網(wǎng)，聯(lián)鎖動(dòng)作的緊迫性要求其必須在1s之內(nèi)閥位從全關(guān)達(dá)到全開，為此筆者配套設(shè)計(jì)了多個(gè)氣動(dòng)元器件來增大。
中儀表空氣儲(chǔ)壓罐起到保證供氣量和穩(wěn)定氣壓的作用，2個(gè)過濾減壓器把氣源壓力降到閥門需要的設(shè)定壓力。2個(gè)小型功率放大器將來自閥門定位器的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大以加快執(zhí)行器動(dòng)作速度，其中一個(gè)功率放大器的輸出直接送到執(zhí)行器膜頭，另一個(gè)功率放大器的輸出則作為后面2個(gè)大型功率放大器的輸入信號(hào)，再用復(fù)合放大的輸出連接至執(zhí)行器膜頭。該配置的優(yōu)點(diǎn)是利用大型功率放大器動(dòng)作響應(yīng)具有一定死區(qū)的特點(diǎn)，當(dāng)控制信號(hào)變化較小時(shí)，僅由小型功率放大器發(fā)揮作用就能滿足需要；只有大幅變化時(shí)才使用大型功率放大器來驅(qū)動(dòng)。此原理類同于幅值分級(jí)處理實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的架構(gòu)。聯(lián)鎖電磁閥正常時(shí)通過閥門定位器輸出氣壓到膜頭，跳車時(shí)直接送出氣源壓力使閥門迅速全開。智能型電氣閥門定位器接受來自于DCS的控制信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成改變閥位的氣壓調(diào)節(jié)信號(hào)。調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器由氣動(dòng)膜頭接受氣壓變化進(jìn)而改變閥位開度。
為了查找閥門大幅波動(dòng)的原因，對(duì)于可能影響到閥位穩(wěn)定性的氣動(dòng)元器件，均先后進(jìn)行了檢查試驗(yàn)，有的還采用更換新備件來觀察效果。凡是涉及動(dòng)作靈敏度的調(diào)整點(diǎn)，都通過正、反向調(diào)整使其保持在最有利于穩(wěn)定的位置，但以上調(diào)整未能對(duì)改變閥位震蕩起到多少作用。
此外，為了排除執(zhí)行器輸出力不足的可能性，將執(zhí)行器膜頭有效作用面積從1400cm2升級(jí)到2800cm2，然而閥位震蕩的問題依然沒有得到好轉(zhuǎn)。
2.2 定位器參數(shù)調(diào)整
閥門定位器對(duì)于閥位動(dòng)作起到至關(guān)重要的作用，為此筆者多次進(jìn)行過參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，以期實(shí)現(xiàn)動(dòng)作穩(wěn)定的目的。
定位器內(nèi)部參數(shù)中，對(duì)于閥門動(dòng)作性能起到?jīng)Q定作用的主要有增益和靈敏度，此參數(shù)在SAMSON智能定位器中，由代碼17項(xiàng)的比例系數(shù)KP和代碼18項(xiàng)的微分時(shí)間區(qū)段TV來表示。比例系數(shù)KP分為0～17檔，數(shù)值越小即放大倍數(shù)越小，出廠設(shè)置原始值為7。微分時(shí)間區(qū)段TV分為1～4檔，數(shù)值越小跳變?cè)酱螅鰪S設(shè)置原始值為2。
智能型電氣閥門定位器具有按照不同調(diào)節(jié)對(duì)象在自校驗(yàn)過程中自主進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的自整定功能。但由于開車中不能出現(xiàn)大的蒸汽管網(wǎng)波動(dòng)的限制，該閥的自校驗(yàn)只能在停車檢修期間的無(wú)壓、空載、冷態(tài)下完成。閥門定位器初始化自整定完成后，KP＝5，TV＝3。為了避免出現(xiàn)超調(diào)失穩(wěn)動(dòng)作，把二者調(diào)整為KP＝7，TV＝4。在靜態(tài)閥位試驗(yàn)時(shí)可以看出閥門跳變已明顯趨緩，但開車時(shí)仍無(wú)法消除震蕩現(xiàn)象。
2.3 閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析
經(jīng)過多次調(diào)整閥門定位器與其所屬附件，均未消除閥位震蕩現(xiàn)象，因而問題的焦點(diǎn)集中到閥門內(nèi)部。由閥門制造商處確定除非內(nèi)件損壞或者有異物卡在閥芯與閥座之間，否則不會(huì)出現(xiàn)震蕩情況。鑒于此，首先利用停車機(jī)會(huì)解體閥門檢查，取出閥芯觀察，雖然能看到因管道內(nèi)少許焊渣造成的縱向劃痕，但不是點(diǎn)狀分布，而且劃痕不深，不足以引發(fā)卡澀導(dǎo)致閥位震蕩。然后對(duì)照?qǐng)D紙檢查了所有部件的安裝位置，沒有發(fā)現(xiàn)任何錯(cuò)誤。為排除劃痕的影響，在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的前提下，把閥芯與定位套接觸的有劃痕的位置用車床切削掉0.5mm，既去掉了多數(shù)劃痕，也可以有效地減小閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力，能夠消除卡澀的影響。然而，該嘗試并未獲得預(yù)期效果，開車中的震蕩現(xiàn)象依然存在。
經(jīng)過逐一排除所有外部相關(guān)組件后，猜測(cè)閥位震蕩是由于閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。圖2是調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖的閥芯、閥座局部截圖。以縱向中心分割線為界，右半邊剖面圖表示閥芯位于全開狀態(tài)，左半邊剖面圖則表示閥芯位于全關(guān)狀態(tài)。當(dāng)閥位開度在45%～100%時(shí)，閥芯密封面上的凸臺(tái)位于入口蒸汽經(jīng)第一級(jí)籠套減壓后的空間內(nèi)，在此范圍內(nèi)閥芯運(yùn)動(dòng)很順暢。而當(dāng)閥芯密封面上部的凸臺(tái)進(jìn)入到加強(qiáng)降噪籠套內(nèi)部，此時(shí)凸臺(tái)上下必然因流體壓力不同增加新的差壓，該差壓的數(shù)值根據(jù)套筒孔徑推算很可觀。該推向閥芯關(guān)閉方向上的差壓作用力反應(yīng)到閥桿上，就成為影響執(zhí)行器動(dòng)作的附加不平衡力，而閥芯凸臺(tái)進(jìn)入加強(qiáng)降噪籠套的瞬間，即是此附加不平衡力有無(wú)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
2.4 分析結(jié)論
明確了上述變化的細(xì)節(jié)之后，操作中引發(fā)閥位震蕩的現(xiàn)象就能夠得到合理解釋。閥位從全開到緩慢關(guān)閉時(shí)，開度在100%～45%區(qū)間動(dòng)作順暢；當(dāng)閥芯密封面上的凸臺(tái)進(jìn)入到加強(qiáng)降噪套筒內(nèi)部的瞬間，突然受到附加不平衡力的作用，閥位必然有一個(gè)向下的躍動(dòng)（從趨勢(shì)記錄看約10%變化），由于實(shí)際閥位突然偏離了信號(hào)需求位置，閥門定位器會(huì)改變輸出，從而開大閥位，并且受到幾個(gè)氣動(dòng)放大器的共同作用，不可避免地會(huì)出現(xiàn)矯枉過正的超調(diào)，出現(xiàn)超調(diào)之后定位器又將很快作出反向調(diào)整，使閥芯密封面上的凸臺(tái)進(jìn)入到加強(qiáng)降噪套筒內(nèi)，如此反復(fù)就引起了閥位的持續(xù)震蕩。
因此，閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致閥位震蕩的根本原因，屬于制作方面的設(shè)計(jì)缺陷。
3 改進(jìn)過程
針對(duì)如何消除引發(fā)震蕩的加強(qiáng)降噪籠套的影響，有兩套解決方案。
1）將原設(shè)計(jì)的半截加強(qiáng)降噪籠套長(zhǎng)度延長(zhǎng)至覆蓋全行程（0～100%）范圍。該方案基于保持并加強(qiáng)降噪設(shè)計(jì)，不會(huì)影響調(diào)節(jié)閥的所有性能。缺點(diǎn)是加工工藝復(fù)雜并且要求頗高，籠套上的密集開孔按照漸變過渡擴(kuò)大直徑，需要精密計(jì)算，實(shí)施難度很大。
2）將原設(shè)計(jì)的半截加強(qiáng)降噪籠套取消。該方案加工簡(jiǎn)單，容易實(shí)施。缺點(diǎn)是缺少加強(qiáng)降噪籠套會(huì)使閥門降噪性能有所降低，實(shí)施前必須經(jīng)過評(píng)估證明其能夠保證閥門噪聲達(dá)標(biāo)。
咨詢了幾家知名調(diào)節(jié)閥制造商的專業(yè)技術(shù)人員，對(duì)上述兩套方案進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估。多數(shù)意見傾向于采用方案2），既容易加工，也不會(huì)造成噪聲超標(biāo)。
考慮到閥芯與閥座的配合尺寸精度要求嚴(yán)格，委托有加工實(shí)力的調(diào)節(jié)閥專業(yè)公司進(jìn)行測(cè)繪與制造。相比原件，新閥座去除了原有的半截籠套，新閥芯原密封面上部的凸臺(tái)也相應(yīng)做了縮徑處理。
4 改進(jìn)效果
利用停車檢修機(jī)會(huì)更新了改造后的閥芯閥座，從運(yùn)行結(jié)果分析，除了躍變信號(hào)稍有滯后外，均達(dá)到預(yù)期效果，完全能夠滿足工藝對(duì)蒸汽管網(wǎng)調(diào)節(jié)的動(dòng)作響應(yīng)，徹底消除了閥位震蕩現(xiàn)象。之后，又經(jīng)過多次開車、負(fù)荷變化和停車過程的考驗(yàn)，在所有工況下該閥均能夠工作穩(wěn)定，證明改進(jìn)效果良好。