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發(fā)生大幅震蕩，主要是由于閥芯下行運動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，進而影響透平運行工況。詳細介紹了閥門故障現(xiàn)象的整個過程和解決該問題所采取的具體方法、步驟；并對閥芯閥座進行了設(shè)計改造，改進后的閥芯閥座組合體實現(xiàn)了閥門在裝置中應(yīng)有的全部作用，能夠全行程、全時空地保持安全穩(wěn)定運行。
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；當合成氣壓縮機發(fā)生聯(lián)鎖跳車時，用該閥把壓縮機透平所用的160t/h高壓蒸汽引入中壓蒸汽管網(wǎng)，實現(xiàn)減少蒸汽放空、降級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)閥過程中當行程處于45%左右時會發(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。
閥位大幅波動時為了達到工藝要求，被迫采用人工搖動該閥手輪進行機械限位操作。由于閥門尺寸大、差壓高，操作手輪不但費時費力，而且震蕩失控造成蒸汽管網(wǎng)壓力大幅波動對關(guān)鍵設(shè)備影響極大；另外，當壓縮機意外停車時，該閥會因被限位無法作出應(yīng)急響應(yīng)，存在引發(fā)相關(guān)事故的潛在風險。
2 原因分析
2.1 氣動部件問題查找
合成氣壓縮機透平跳車時透平所用蒸汽要通過該閥送往中壓蒸汽管網(wǎng)，聯(lián)鎖動作的緊迫性要求其必須在1s之內(nèi)閥位從全關(guān)達到全開，為此筆者配套設(shè)計了多個氣動元器件來增大。
中儀表空氣儲壓罐起到保證供氣量和穩(wěn)定氣壓的作用，2個過濾減壓器把氣源壓力降到閥門需要的設(shè)定壓力。2個小型功率放大器將來自閥門定位器的輸出信號進行功率放大以加快執(zhí)行器動作速度，其中一個功率放大器的輸出直接送到執(zhí)行器膜頭，另一個功率放大器的輸出則作為后面2個大型功率放大器的輸入信號，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)點是利用大型功率放大器動作響應(yīng)具有一定死區(qū)的特點，當控制信號變化較小時，僅由小型功率放大器發(fā)揮作用就能滿足需要；只有大幅變化時才使用大型功率放大器來驅(qū)動。此原理類同于幅值分級處理實現(xiàn)穩(wěn)定的架構(gòu)。聯(lián)鎖電磁閥正常時通過閥門定位器輸出氣壓到膜頭，跳車時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，將其轉(zhuǎn)換成改變閥位的氣壓調(diào)節(jié)信號。調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器由氣動膜頭接受氣壓變化進而改變閥位開度。
為了查找閥門大幅波動的原因，對于可能影響到閥位穩(wěn)定性的氣動元器件，均先后進行了檢查試驗，有的還采用更換新備件來觀察效果。凡是涉及動作靈敏度的調(diào)整點，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
閥門定位器對于閥位動作起到至關(guān)重要的作用，為此筆者多次進行過參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，以期實現(xiàn)動作穩(wěn)定的目的。
定位器內(nèi)部參數(shù)中，對于閥門動作性能起到?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項的比例系數(shù)KP和代碼18項的微分時間區(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。微分時間區(qū)段TV分為1～4檔，數(shù)值越小跳變越大，出廠設(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)對象在自校驗過程中自主進行參數(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)波動的限制，該閥的自校驗只能在停車檢修期間的無壓、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)動作，把二者調(diào)整為KP＝7，TV＝4。在靜態(tài)閥位試驗時可以看出閥門跳變已明顯趨緩，但開車時仍無法消除震蕩現(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，否則不會出現(xiàn)震蕩情況。鑒于此，首先利用停車機會解體閥門檢查，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。然后對照圖紙檢查了所有部件的安裝位置，沒有發(fā)現(xiàn)任何錯誤。為排除劃痕的影響，在不改變原有結(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動時的摩擦力，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)。當閥位開度在45%～100%時，閥芯密封面上的凸臺位于入口蒸汽經(jīng)第一級籠套減壓后的空間內(nèi)，在此范圍內(nèi)閥芯運動很順暢。而當閥芯密封面上部的凸臺進入到加強降噪籠套內(nèi)部，此時凸臺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)行器動作的附加不平衡力，而閥芯凸臺進入加強降噪籠套的瞬間，即是此附加不平衡力有無的轉(zhuǎn)折點。
2.4 分析結(jié)論
明確了上述變化的細節(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，開度在100%～45%區(qū)間動作順暢；當閥芯密封面上的凸臺進入到加強降噪套筒內(nèi)部的瞬間，突然受到附加不平衡力的作用，閥位必然有一個向下的躍動（從趨勢記錄看約10%變化），由于實際閥位突然偏離了信號需求位置，閥門定位器會改變輸出，從而開大閥位，并且受到幾個氣動放大器的共同作用，不可避免地會出現(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進入到加強降噪套筒內(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)計缺陷。
3 改進過程
針對如何消除引發(fā)震蕩的加強降噪籠套的影響，有兩套解決方案。
1）將原設(shè)計的半截加強降噪籠套長度延長至覆蓋全行程（0～100%）范圍。該方案基于保持并加強降噪設(shè)計，不會影響調(diào)節(jié)閥的所有性能。缺點是加工工藝復(fù)雜并且要求頗高，籠套上的密集開孔按照漸變過渡擴大直徑，需要精密計算，實施難度很大。
2）將原設(shè)計的半截加強降噪籠套取消。該方案加工簡單，容易實施。缺點是缺少加強降噪籠套會使閥門降噪性能有所降低，實施前必須經(jīng)過評估證明其能夠保證閥門噪聲達標。
咨詢了幾家知名調(diào)節(jié)閥制造商的專業(yè)技術(shù)人員，對上述兩套方案進行計算和評估。多數(shù)意見傾向于采用方案2），既容易加工，也不會造成噪聲超標。
考慮到閥芯與閥座的配合尺寸精度要求嚴格，委托有加工實力的調(diào)節(jié)閥專業(yè)公司進行測繪與制造。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也相應(yīng)做了縮徑處理。
4 改進效果
利用停車檢修機會更新了改造后的閥芯閥座，從運行結(jié)果分析，除了躍變信號稍有滯后外，均達到預(yù)期效果，完全能夠滿足工藝對蒸汽管網(wǎng)調(diào)節(jié)的動作響應(yīng)，徹底消除了閥位震蕩現(xiàn)象。之后，又經(jīng)過多次開車、負荷變化和停車過程的考驗，在所有工況下該閥均能夠工作穩(wěn)定，證明改進效果良好。