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,zui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)、機械傳動機構(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、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,泵采用進口高壓低噪聲的齒輪泵,立式安裝,閥選用進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?；讐哼M閥體內(nèi),對中彈簧使閥芯保持在中間位置,直線力馬達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行比較,使閥芯位置控制器產(chǎn)生電流輸出給直線力馬達,直線力馬達驅(qū)動閥芯移動到指令位置。閥芯位置與指令信號成正比。當閥芯移動,使壓力油P與A或B腔相通,壓力油快速進入油缸的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。當電源切斷后,執(zhí)行機構(gòu)還能用手動驅(qū)動機構(gòu)開閉蝶閥。手動驅(qū)動機構(gòu)的齒輪比≈1/138,zui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、機械傳動機構(gòu)

    機械傳動機構(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)實施檢測。傳動機構(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?？焖儆透资峭ㄟ^齒輪齒條推動蝶閥的執(zhí)行機構(gòu),為保證其運行可靠設(shè)計時選用了進口的密封圈,并設(shè)置了液壓緩沖以保護蝶閥,還設(shè)計節(jié)流裝置,按系統(tǒng)要求控制驅(qū)動外界負載,直接安裝于齒輪齒條傳動裝置上。

圖2機械傳動機構(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,人機會話由HMI（可編程觸摸屏）完成,方便直觀的人機會話環(huán)境,大大增強了系統(tǒng)的可維護性及操作性,系統(tǒng)構(gòu)架和信號流程見圖3。

 圖3電氣控制系統(tǒng)

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    （1）遠程閥位主令（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程控制時的主令信號。當系統(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)將自動將當前的閥門位置作為系統(tǒng)主令,所有本地操作均以當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的標準電流信號,其中一路送至遠程作為閥位指示,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)處于運行的狀態(tài)下,系統(tǒng)將會根據(jù)當前的系統(tǒng)主令及閥門位置的差值調(diào)整閥門位置,使當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,閥門處于停止狀態(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

    （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）具有遠程操作與本地操作二種模式,控制方式先進。

    （5）具有人機對話功能,操作維護方便。

    （6）傳動機構(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現(xiàn)閥門的緩慢開啟,可調(diào)節(jié)節(jié)流閥實現(xiàn)閥門開啟速度一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。當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)退出運行狀態(tài)。

    （2）快關(guān)

    在啟動運行后,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行系統(tǒng),解除閥門快關(guān)動作狀態(tài)。

    （3）遠控

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

    （4）保位

    當PLC未接收到任何指令時,電機、泵及齒輪不做任何運動。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組的抽汽管路上,在機組出現(xiàn)危急工況時實現(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,保護汽輪發(fā)電機組的安全。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,各項性能指標符合產(chǎn)品設(shè)計標準,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,取得了良好的使用效果。