尿素裝置系統(tǒng)入塔CO2調(diào)節(jié)閥控制方案的優(yōu)化

索治斌 董仲喜

(河南能源化工集團(tuán)安化公司，河南 安陽 455133)

河南能源化工集團(tuán)安化公司的第二套合成氨裝置投運(yùn)至今已有16年之久，其尿素生產(chǎn)系統(tǒng)采用的是意大利斯納姆公司的工藝技術(shù)，控制系統(tǒng)采用的是浙大中控的DCS控制系統(tǒng)，目前整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。但是，該裝置的入尿素合成塔CO2調(diào)節(jié)閥存在關(guān)閉速度較慢，還有經(jīng)常關(guān)不到位的現(xiàn)象，需要工藝人員去現(xiàn)場(chǎng)通過調(diào)節(jié)閥的手輪進(jìn)行關(guān)閉；而調(diào)節(jié)閥的電氣轉(zhuǎn)換器與電磁閥采用串聯(lián)配置也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，一旦聯(lián)鎖電磁閥或電氣轉(zhuǎn)換器中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，調(diào)節(jié)閥就會(huì)失控而引發(fā)生產(chǎn)事故；而且，電磁閥的功耗大，易出現(xiàn)線圈發(fā)熱燒損，從而造成調(diào)節(jié)閥關(guān)閉引起系統(tǒng)停車事故。為此，公司決定組織技術(shù)力量對(duì)其控制方案和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，以確保生產(chǎn)的安全穩(wěn)定進(jìn)行。

第二套尿素裝置系統(tǒng)的入尿素合成塔CO2調(diào)節(jié)閥位號(hào)為HV9201，在生產(chǎn)使用中要求正常生產(chǎn)時(shí)該閥處于全開位置，當(dāng)系統(tǒng)停車或系統(tǒng)超壓聯(lián)鎖急停時(shí)要求該閥立即處于關(guān)閉狀態(tài)，以保證合成塔內(nèi)的物料不產(chǎn)生回流，避免合成塔內(nèi)尿液堵塞管線。也就是說該調(diào)節(jié)閥只要求有全開和全閉兩個(gè)位置即可，將其作為兩位閥使用。

HV9201調(diào)節(jié)閥原設(shè)計(jì)采用一臺(tái)電氣轉(zhuǎn)換器串聯(lián)一個(gè)超壓聯(lián)鎖保護(hù)用的電磁閥實(shí)現(xiàn)其控制目的，如圖1所示。實(shí)際控制過程為：當(dāng)HV9201調(diào)節(jié)閥需要打開時(shí)，DCS輸出20mA電流信號(hào)使電氣轉(zhuǎn)換器輸出氣源信號(hào)，經(jīng)過聯(lián)鎖電磁閥的內(nèi)部氣路1至氣路2進(jìn)入調(diào)節(jié)閥的氣缸使調(diào)節(jié)閥打開；需要調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)，DCS輸出4mA電流信號(hào)使電氣轉(zhuǎn)換器停止輸出氣源信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜頭內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)過電磁閥的氣路3放空，使調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。但是，一旦系統(tǒng)超壓而聯(lián)鎖保護(hù)電磁閥失電，則聯(lián)鎖電磁閥氣路1至氣路2斷開、氣路2至氣路3接通，直接切斷電氣轉(zhuǎn)換器輸出的氣源信號(hào)，并將調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜頭內(nèi)的壓縮空氣放空，讓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。需要注意的是：聯(lián)鎖電磁閥的工作方式為，當(dāng)電磁閥不帶電時(shí)，電磁閥的氣路2至氣路3導(dǎo)通，氣路1至氣路2斷開；當(dāng)電磁閥帶電時(shí)，氣路2至氣路3斷開，氣路1至氣路2導(dǎo)通。

圖1 原HV9201調(diào)節(jié)閥控制原理

但是在運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)存在3個(gè)問題：一是該調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的膜頭容積較大，在生產(chǎn)中當(dāng)調(diào)節(jié)閥需要關(guān)閉時(shí)需要通過電氣轉(zhuǎn)換器向外排氣，其關(guān)閉速度較慢，常常有關(guān)不到位的現(xiàn)象，工藝人員經(jīng)常要到現(xiàn)場(chǎng)通過調(diào)節(jié)閥的手輪進(jìn)行關(guān)閉；二是調(diào)節(jié)閥的電氣轉(zhuǎn)換器與電磁閥采用串聯(lián)配置也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，一旦聯(lián)鎖電磁閥或電氣轉(zhuǎn)換器中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，調(diào)節(jié)閥就會(huì)失控而引發(fā)造成生產(chǎn)事故；三是聯(lián)鎖電磁閥線圈供電電壓為220V(AC)，其功耗大，線圈發(fā)熱，生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行時(shí)電磁閥長(zhǎng)期帶電，調(diào)節(jié)閥全開，易出現(xiàn)線圈發(fā)熱燒損，從而造成調(diào)節(jié)閥關(guān)閉引起系統(tǒng)停車事故。

2 優(yōu)化

在原控制回路中HV9201調(diào)節(jié)閥只需要全開和全關(guān)兩位式調(diào)節(jié)，因此決定僅使用電磁閥直接控制調(diào)節(jié)閥的開關(guān)，因?yàn)殡姶砰y的氣源流通能力相對(duì)電氣轉(zhuǎn)換器較好，能夠較好地實(shí)現(xiàn)HV9201調(diào)節(jié)閥的快開和快關(guān)。為此，將原控制回路中的電氣轉(zhuǎn)換器去掉，同時(shí)為了彌補(bǔ)一個(gè)電磁閥控制存在的不可靠和不安全性，故采用了兩個(gè)相同的電磁閥進(jìn)行雙投供氣(圖2)。改造方案中選用的是ASCO先導(dǎo)式電磁閥，該閥線圈的供電電壓為24V(DC)，功耗低、發(fā)熱量小，允許長(zhǎng)期帶電工作，同時(shí)對(duì)DCS控制系統(tǒng)編程組態(tài)時(shí)，將兩個(gè)DO通道輸出分布在不同的兩個(gè)DO卡件上，以確保其中的一個(gè)電磁閥或DO輸出通道發(fā)生故障時(shí)，另外一個(gè)電磁閥能夠保證對(duì)HV9201調(diào)節(jié)閥控制的正常實(shí)現(xiàn)。

圖2 改造后的HV9201調(diào)節(jié)閥控制原理

控制原理說明：電磁閥A和電磁閥B在不帶電的狀態(tài)下，氣路1至氣路2斷開，氣路2至氣路3導(dǎo)通；得電時(shí)氣路1至氣路2導(dǎo)通，氣路2至3氣路斷開。當(dāng)調(diào)節(jié)閥需要打開時(shí)，電磁閥A和電磁閥B同時(shí)得電，這時(shí)電磁閥A的壓縮空氣從氣路1至氣路2進(jìn)入調(diào)節(jié)閥氣缸，使閥門打開，電磁閥B的氣路1至氣路2雖然也導(dǎo)通，但是電磁閥A的氣路2至氣路3是斷開的，所以電磁閥B的壓縮空氣并不能進(jìn)入調(diào)節(jié)閥的氣缸；當(dāng)調(diào)節(jié)閥需要關(guān)閉時(shí)，電磁閥A和電磁閥B失電，電磁閥A和電磁閥B的氣路1至氣路2斷開，氣路2至氣路3導(dǎo)通，調(diào)節(jié)閥氣缸內(nèi)的壓縮空氣通過電磁閥A的氣路2至氣路3進(jìn)入電磁閥B的氣路2至氣路3快速放空，使調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉。

調(diào)節(jié)閥需要打開或者保持打開時(shí)，電磁閥A和電磁閥B同時(shí)得電，如果電磁閥A失電或者出現(xiàn)得電拒動(dòng)故障時(shí)，電磁閥A的氣路1至氣路2斷開、氣路2至氣路3是導(dǎo)通的，這時(shí)電磁閥B得電，氣路1至氣路2導(dǎo)通，通過電磁閥A的氣路3至氣路2進(jìn)入調(diào)節(jié)閥的氣缸，使調(diào)節(jié)閥打開或者保持打開狀態(tài)；如果電磁閥B失電或者出現(xiàn)得電拒動(dòng)故障時(shí)，電磁閥B的氣路1至氣路2斷開，氣路2至氣路3是導(dǎo)通的，這時(shí)電磁閥A得電氣路1至氣路2導(dǎo)通，使調(diào)節(jié)閥打開。當(dāng)需要關(guān)閉時(shí)，電磁閥A的氣路2至氣路3導(dǎo)通，通過電磁閥B的氣路2至氣路3放空，調(diào)節(jié)閥可以快速關(guān)閉。

根據(jù)電磁閥的工作原理，電磁閥不帶電時(shí)，電磁閥內(nèi)的彈簧將使電磁閥的閥芯復(fù)位(屬機(jī)械復(fù)位)，因此電磁閥不帶電時(shí)，氣路1至氣路2不斷開、氣路2至氣路3不導(dǎo)通的情況很少出現(xiàn)。所以調(diào)節(jié)閥需要關(guān)閉或者保持關(guān)閉時(shí)，電磁閥A和電磁閥B故障導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥關(guān)閉不了的現(xiàn)象基本可以排除。

除此之外，在保證滿足工藝生產(chǎn)對(duì)HV9201調(diào)節(jié)閥開關(guān)的需求外，將超壓聯(lián)鎖保護(hù)程序在DCS內(nèi)部也進(jìn)行了編程組態(tài)，將超壓聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作指令與HV9201閥門開關(guān)指令串聯(lián)，只有系統(tǒng)沒有超壓的情況下，該調(diào)節(jié)閥的控制作用才能輸出，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)超壓則DCS組態(tài)的超壓聯(lián)鎖保護(hù)指令動(dòng)作執(zhí)行，使電磁閥A和電磁閥B同時(shí)斷電，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥HV9201。而且這些指令的動(dòng)作全部使用的是DCS內(nèi)部的軟指令實(shí)現(xiàn)，減少了外圍繼電器等硬件的使用，有效降低了設(shè)備故障對(duì)HV9201調(diào)節(jié)閥控制帶來的影響。

確定了優(yōu)化方案后，利用第二套合成氨尿素系統(tǒng)短停的機(jī)會(huì)，實(shí)施了HV9201調(diào)節(jié)閥的控制回路的優(yōu)化方案，經(jīng)過反復(fù)調(diào)校試驗(yàn)，確認(rèn)安全可靠后，在尿素系統(tǒng)開車時(shí)正常投運(yùn)。經(jīng)過近半年的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，證實(shí)控制方案進(jìn)行改造后的HV9201調(diào)節(jié)閥動(dòng)作準(zhǔn)確可靠，圓滿實(shí)現(xiàn)了改造目標(biāo)。

3 結(jié)束語

經(jīng)過上述優(yōu)化改造后，既滿足了工藝對(duì)HV9201調(diào)節(jié)閥的控制要求，也比較合理安全地消除了過去存在的種種安全隱患，而且改造中所選用的ASCO兩位三通電磁閥的閥體本身具有手動(dòng)旋鈕控制，可以很方便地在現(xiàn)場(chǎng)直接控制電磁閥氣路的切換，一旦兩個(gè)電磁閥同時(shí)出現(xiàn)故障，操

作人員可以直接旋轉(zhuǎn)電磁閥手動(dòng)旋鈕就可以控制調(diào)節(jié)閥的打開，省時(shí)又省力。

該創(chuàng)新優(yōu)化方案只需要將DCS系統(tǒng)中HV9201控制回路輸出的電氣轉(zhuǎn)換器的4～20mA的AO(模擬輸出)信號(hào)組態(tài)成兩路同時(shí)控制電磁閥A/B動(dòng)作的DO(數(shù)字輸出)信號(hào)，將原來的超壓聯(lián)鎖控制指令與調(diào)節(jié)閥的開關(guān)控制指令串聯(lián)便可以實(shí)現(xiàn)。僅在原來的控制回路的基礎(chǔ)上去掉一個(gè)電氣轉(zhuǎn)換器同時(shí)增加一個(gè)電磁閥，將原電氣轉(zhuǎn)換器的控制電纜連接到新增的電磁閥上即可，無需投入太多經(jīng)費(fèi)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原有的控制方式的優(yōu)化。此種改造方案也完全可以運(yùn)用到其他生產(chǎn)系統(tǒng)重要的調(diào)節(jié)回路當(dāng)中，以保證重要儀表設(shè)備的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。