隨著我國石化工業(yè)的發(fā)展,閥門行業(yè)蝶閥產(chǎn)品的口徑不斷增大,已達(dá)到1m以至幾米以上的直徑。針對大口徑閥門需要的啟閉扭矩與速度,對閥門的控制方式除采用手動、氣動和電動驅(qū)動形式外,液壓傳動與控制也得到了廣泛采用。為了使蝶閥調(diào)節(jié)裝置以更大扭矩滿足大型煤電站、熱電廠和石化行業(yè)的使用,研制了大型防爆蝶閥的電液伺服比例控制快關(guān)調(diào)節(jié)裝置,該裝置采用電液伺服比例控制技術(shù),控制精度為1/600,最大執(zhí)行扭矩為100000N·m。

    2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    大型防爆蝶閥的電液伺服比例控制快關(guān)調(diào)節(jié)裝置是為適應(yīng)石化工業(yè)日益發(fā)展的需要而研制開發(fā)的新型產(chǎn)品。主要由防爆控制柜、大口徑蝶閥、液壓伺服控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)等組成。

    2.1、液壓伺服控制系統(tǒng)

    液壓伺服控制系統(tǒng)由齒輪泵、電機(jī)、聯(lián)軸器、電液伺服比例閥、三位四通電磁換向閥、溢流閥、單向閥、節(jié)流閥、蓄能器、壓力繼電器、壓力表、高壓過濾器和油箱等元件組成(圖1)。系統(tǒng)采用集成化模塊化設(shè)計,系統(tǒng)安全壓力由溢流閥設(shè)定。截止閥(HV5)的作用是釋放系統(tǒng)壓力油回油箱,節(jié)流閥用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)開、關(guān)閥的速度,壓力繼電器設(shè)定系統(tǒng)油壓控制的上下限點(diǎn),泵采用進(jìn)口高壓低噪聲的齒輪泵,立式安裝,閥選用進(jìn)口的螺紋插裝閥使系統(tǒng)的內(nèi)泄漏大大減少,節(jié)省能源,維修和安裝方便。過濾器采用倒置的高壓過濾器,結(jié)構(gòu)緊湊,保證系統(tǒng)油液清潔和各種控制閥能正常動作。

    高性能電液伺服比例閥為滑套結(jié)構(gòu),比例閥內(nèi)四通閥芯可在滑套內(nèi)滑動。滑套壓進(jìn)閥體內(nèi),對中彈簧使閥芯保持在中間位置,直線力馬達(dá)克服彈簧的對中力使閥芯在兩個方向上都可以偏離中間位置,平衡在一個新的位置。閥芯由集成有感應(yīng)電子傳感器的比例電磁鐵進(jìn)行閉環(huán)位置控制。閥芯位置閉環(huán)控制電子線路與脈寬調(diào)制驅(qū)動電子線路固化為一集成塊,固定在伺服閥內(nèi)。

    當(dāng)電氣指令信號施加到閥芯位置控制集成塊時,電子線路在直線力馬達(dá)產(chǎn)生脈寬調(diào)制電流,振蕩器使閥芯位置傳感器勵磁。經(jīng)解調(diào)以后的閥芯位置信號和指令信號進(jìn)行比較,使閥芯位置控制器產(chǎn)生電流輸出給直線力馬達(dá),直線力馬達(dá)驅(qū)動閥芯移動到指令位置。閥芯位置與指令信號成正比。當(dāng)閥芯移動,使壓力油P與A或B腔相通,壓力油快速進(jìn)入油缸的A或B腔,通過齒輪齒條推動蝶閥完成開啟和快速關(guān)閉等調(diào)節(jié)動作。

    液壓伺服驅(qū)動執(zhí)行扭矩為25～100kN·m,由液壓泵站提供液壓能,推動執(zhí)行油缸完成蝶閥0°～90°的開閉動作。齒輪箱主軸頂部安裝有電子角位移檢測裝置,能正確的檢測出蝶閥的開閉角度,并能及時發(fā)出信號,指令電氣系統(tǒng)停止執(zhí)行油缸的開閉動作,控制精度為1/600。當(dāng)電源切斷后,執(zhí)行機(jī)構(gòu)還能用手動驅(qū)動機(jī)構(gòu)開閉蝶閥。手動驅(qū)動機(jī)構(gòu)的齒輪比≈1/138,最大執(zhí)行扭矩為5kN·m。蝶閥的開閉角度可通過齒輪箱頂部的角度指示盤中的指針目測確定。

圖1大型防爆蝶閥液壓伺服控制系統(tǒng)

    2.2、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)

    機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)齒輪箱的液壓驅(qū)動部分由油缸、齒條和齒輪組成(圖2)。當(dāng)液壓伺服系統(tǒng)向油缸提供壓力油時,油缸帶動齒條作往復(fù)運(yùn)動,齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn),從而帶動主軸旋轉(zhuǎn)打開或關(guān)閉蝶閥。蝶閥開閉的角度可過主軸頂部的齒輪帶動電子角位移檢測裝置旋轉(zhuǎn)實(shí)施檢測。傳動機(jī)構(gòu)齒輪箱的手搖驅(qū)動部分由三級齒輪減速輪系組成。當(dāng)轉(zhuǎn)動手輪時,齒輪通過齒輪軸帶動主軸旋轉(zhuǎn),使得蝶閥啟閉。蝶閥的開閉角度,可通過齒輪箱頂部的角度指示盤中的指針目測確定。

    蓄能器是用于蝶閥慢開、慢關(guān)和快關(guān)等動作時提供能源。蓄能器規(guī)格的選擇必須經(jīng)過嚴(yán)格的計算,每個系統(tǒng)是不同的,應(yīng)滿足系統(tǒng)保壓和蝶閥快關(guān)的要求。快速油缸是通過齒輪齒條推動蝶閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu),為保證其運(yùn)行可靠設(shè)計時選用了進(jìn)口的密封圈,并設(shè)置了液壓緩沖以保護(hù)蝶閥,還設(shè)計節(jié)流裝置,按系統(tǒng)要求控制驅(qū)動外界負(fù)載,直接安裝于齒輪齒條傳動裝置上。

圖2機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)

    2.3、電氣控制系統(tǒng)

    電氣控制系統(tǒng)的組成核心部件使用了高可靠性的PLC(可編程序控制器),所有的輸入輸出信號均由PLC來處理,人機(jī)會話由HMI(可編程觸摸屏)完成,方便直觀的人機(jī)會話環(huán)境,大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性及操作性,系統(tǒng)構(gòu)架和信號流程見圖3。

 圖3電氣控制系統(tǒng)

    (1)遠(yuǎn)程閥位主令(4～20mA)信號送入防爆控制柜(防爆等級dxIIBT4),接線端子臺(47+,48-),信號由端子臺輸送到PLC的模擬量輸入端(精度12位,細(xì)分1/4000)。由PLC的AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成0～4000的數(shù)字量信號,此數(shù)字量信號同時作為遠(yuǎn)程控制時的主令信號。當(dāng)系統(tǒng)處于手動操作(本地操作)狀態(tài)時,在上電初始或由遠(yuǎn)程操作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為本地操作狀態(tài)時,系統(tǒng)將自動將當(dāng)前的閥門位置作為系統(tǒng)主令,所有本地操作均以當(dāng)前閥門位置作為初始位置。

    (2)閥位信號由高精度角度傳感器(1/2000)將當(dāng)前閥位信號(0～90°)轉(zhuǎn)換成(0～715V)左右的電壓信號,再由兩塊電壓電流轉(zhuǎn)換器(JD1、JD2)將此信號轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號,其中一路送至遠(yuǎn)程作為閥位指示,另一路送至PLC的模擬量輸入端,經(jīng)PLCAD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成0～4000的數(shù)字量作為閥位反饋信號。

    系統(tǒng)處于運(yùn)行的狀態(tài)下,系統(tǒng)將會根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)主令及閥門位置的差值調(diào)整閥門位置,使當(dāng)前閥門位置趨向于主令位置。系統(tǒng)控制精度>1/600時,系統(tǒng)將當(dāng)前誤差信號處理放大后,轉(zhuǎn)換成-10～+10V之間的控制信號,同時向電磁閥提供DC24V的電源,由此兩路信號驅(qū)動伺服閥來控制閥門信號。電源為0V時,閥門處于停止?fàn)顟B(tài)。

    3、技術(shù)特性

    3.1、參數(shù)

    型號HG-DF1,000/100,000-2

    閥門公稱壓力215MPa

    閥門公稱通徑1500mm

    抽汽工作壓力015～112MPa

    抽汽工作溫度≤425℃

    閥門控制方式電液聯(lián)動

    閥門連接方式法蘭

    3.2、特點(diǎn)

    (1)具有100kN·m的輸出扭矩和015s的快速關(guān)閉性能,扭矩大,關(guān)閉速度快。

    (2)采用內(nèi)置式防爆措施,電控箱具有防爆性能,安全可靠。

    (3)具有全行程1/600控制精度的性能。

    (4)具有遠(yuǎn)程操作與本地操作二種模式,控制方式先進(jìn)。

    (5)具有人機(jī)對話功能,操作維護(hù)方便。

    (6)傳動機(jī)構(gòu)合理,手動靈敏,易操作。

    (7)主要元件工作壽命長,故障率低。

    (8)結(jié)構(gòu)緊湊,外形美觀。

    4、工作性能

    (1)慢開/慢關(guān)

    在啟動運(yùn)行后,PLC接收到信號后對伺服閥發(fā)出指令,使高壓油輸入到雙作用油缸的A側(cè),從而帶動齒輪及閥門朝開啟方向即可實(shí)現(xiàn)閥門的緩慢開啟,可調(diào)節(jié)節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)閥門開啟速度一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。當(dāng)PLC接收到全開位置的信號后,PLC仍持續(xù)發(fā)出指令一段時間,確保閥門到達(dá)全開位置。閥門在慢開/慢關(guān)過程中可任意位置停定,此時系統(tǒng)也將退出運(yùn)行狀態(tài)。閥門全開后,系統(tǒng)會自動停止閥門的慢開/慢關(guān)動作,且不會將系統(tǒng)退出運(yùn)行狀態(tài)。

    (2)快關(guān)

    在啟動運(yùn)行后,PLC接收到快關(guān)信號后給伺服閥發(fā)出指令,伺服閥根據(jù)指令和閥位反饋信號使高壓油輸入到雙作用油缸的B側(cè),即可實(shí)現(xiàn)閥門的快速關(guān)閉(≤015s)。系統(tǒng)處于快關(guān)閥門動作狀態(tài),防止出現(xiàn)管路蒸汽繼續(xù)倒流事故,保護(hù)主裝置設(shè)備的安全。此刻也可通過緩慢開啟閥門,同時也將解除閥門快關(guān)動作狀態(tài)。另外,可以通過重新啟動運(yùn)行系統(tǒng),解除閥門快關(guān)動作狀態(tài)。

    (3)遠(yuǎn)控

    可隨時激活電控箱本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制接口,如用戶已接入使用,便可通過用戶遠(yuǎn)程控制房內(nèi)的開關(guān)信號實(shí)現(xiàn)與本系統(tǒng)電控箱相同的控制功能。另外,考慮到設(shè)備的實(shí)際使用情況,只設(shè)立遠(yuǎn)控快關(guān)功能。

    (4)保位

    當(dāng)PLC未接收到任何指令時,電機(jī)、泵及齒輪不做任何運(yùn)動。由于設(shè)備中的液壓元件采用的是無泄漏式元件,因此閥門在此狀態(tài)下保位。

    (5)緩沖

    為了減小閥門在快關(guān)過程中形成的沖擊,在閥門關(guān)至10%的行程時,雙作用油缸中增加了可變節(jié)流緩沖。

    (6)狀態(tài)顯示及報警

    對閥門開啟、關(guān)閉及快關(guān)等工作狀態(tài)進(jìn)行顯示,同時對驅(qū)動器錯誤和開關(guān)閥時間過長等故障進(jìn)行監(jiān)測和報警。

    5、結(jié)語

    大型防爆蝶閥的電液伺服比例控制快關(guān)調(diào)節(jié)裝置可安裝在熱電廠抽汽汽輪機(jī)組的抽汽管路上,在機(jī)組出現(xiàn)危急工況時實(shí)現(xiàn)抽汽管路的緊急切斷,裝置的快速關(guān)閉時間小于015s,阻止管路系統(tǒng)的蒸汽倒流入汽輪機(jī),保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組的安全。如某石化公司安裝通徑為1500mm,壓力為215MPa大型防爆蝶閥電液伺服比例控制快關(guān)調(diào)節(jié)裝置,各項性能指標(biāo)符合產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,取得了良好的使用效果。