1 问题的提出

    催化装置是目前某炼油厂单套加工能力除常减压外的1套联合装置，也是炼油厂的核心装置，装置建成较早经过几次改造，年加工能力达1.2Mt/a。由于加工处理量大，普通的单座、双座、套筒等控制阀远远不能满足该装置的加工能力。因此在该装置的控制阀设计选型时大量采用上海自动化仪表股份有限公司七厂引进美国Masoneilan公司技术生产的70-35002系列偏心旋转阀。

    2 偏心旋转阀在催化装置中的应用

    2.1 偏心旋转阀的结构

    该系列气动偏心旋转阀由气动执行机构和偏心旋转阀两部分组成。气动执行机构有两种形式。偏心旋转阀的结构比较新颖，阀体近似一个圆筒形，阀芯球面的中心线与阀轴旋转中心之间设计了一个偏心距，当阀轴带动阀芯旋转时，阀芯球面相对于阀体中心做偏心旋转，其轨迹呈凸轮状曲线，当阀关闭时，阀芯的柔臂发生弹性变形，使阀芯球面与阀座紧密贴合，达到可靠的密封。

    2.2 偏心旋转阀的优点

    该系列偏心旋转阀与普通控制阀相比具有以下优点：流路简单、阻力小，流通能力大；体积小，质量轻，通用性好；适用的温度范围广。它的阀盖和阀体整体铸造，适应温度达450℃。阀芯球面的偏心运动减少了所需的操作力矩，并且操作稳定。该阀在施加较小的力矩时，可以获得严密密封的效果；两种流向动态稳定性好。在流开和流关安装时流量特性不改变。

    2.3 偏心旋转阀系统结构与工作原理

    其结构如图1所示。

图1 偏心旋转阀的系统结构

    气源经过减压阀1，2，一路经减压阀1给定位器供气，供气的设定压力为40psi（注：1psi=6894.76Pa，下同）；另一路经减压阀2给左气缸供气，其设定供气压力为20psi。恒压阀的作用是使左气缸的供气压力恒定于20psi。定位器为单输出电-气阀门定位器，一般采用正作用。定位器的输入信号增加时，输出气压增加，右气缸的压力增加，活塞向左移动使阀门关闭。此时，左气缸的内部压力也随之增大，通过恒压阀的作用向外排气使气缸的压力保持在20psi。偏心旋转阀就是通过这样的反馈使左、右气缸达到压力平衡，使阀位控制在相应的角度。

    3 偏心旋转阀的改进

    3.1 偏心旋转阀在使用中的不足

    随着生产自动化技术的提高，市场化的加剧，对监视和控制用的仪表设备性能要求越来越苛刻，特别是催化装置APC（控制系统）投用以来，对仪表的灵敏度、控制特性方面的要求越来越严格。1块表、1台阀甚至1个螺栓都对整个系统控制起着举足轻重的影响。基于这种操作要求的情况下，偏心旋转阀从开工使用到现在开始暴露出一些设计上的不足。主要体现在：阀响应速度慢，时间常数大，灵敏度差；误差大，误差达10%；线性度差，为7%；阀盘根泄漏严重，由于介质为高温、高压的重油，渗透性强，对装置的安全生产带来严重的安全隐患。

    由于该阀是双驱动气缸阀，而且一侧气缸采用单输出阀门定位器驱动；另一侧的气缸是靠定压供气和恒压排气来实现平衡。这种驱动控制方式采用了一个恒压调整气路环节，其中，减压阀2和恒压阀误差较大，使后面的恒压阀恒压效果较差。图1中的减压阀2在使用较长一段时间后，减压阀后的压力波动较大，误差可达到±5psi，加上使用时间较长，环境中高浓度的酸性气对阀的严重腐蚀使恒压阀中的弹簧刚度发生改变、膜片漏气。这些问题都致使恒压调整环节性能进一步变差。阀门控制质量不好，不仅仅是这一个环节的问题，由于恒压调整气路环节与单作用阀门定位器等环节之间存在一定的不协调性，使各方面的综合误差增加，综合各种因素，使该控制阀的控制误差增加。

    3.2 改进措施

    针对以上问题，笔者从以下方面对该种偏心旋转阀进行了一些改进。改进示意如图2所示。

图2 偏心旋转阀的改进示意

    3.2.1 阀门执行器气缸驱动控制方式的改变

    由恒压阀保持恒压驱动左气缸，与单输出电气阀门定位器驱动右气缸的组合驱动方式，改为采用高精度的双输出定位器驱动方式。取消减压阀2、恒压阀气路组件，将单输出定位器更换成高精度的双输出定位器，所有的气源控制集成在一台定位器中实现，从而减少外部的一些性能较差的辅助组件。使现有的控制精度更高，阀门更趋于经济。

    3.2.2 阀门定位器的选择

    为实现阀门的精确可靠控制，经过比较，决定选用西门子SIPART PSI智能型电-气阀门定位器。

    3.2.3 SIPART PSI定位器的功能特点

    该定位器由微控制器（CPU）、A/D（D/A）转换器、压电导向控制的气动阀等组成，其主要特点：用压电控制阀取代了喷嘴挡板机构，给定值和实际值的比较完全是电信号，不再是力的平衡，大大提高了可靠性，降低了能耗；采用微处理器，实现智能化，通过软件组态，可自动修改控制参数（在线自适应控制算法），补偿机械摩擦的变化和填料老化所造成的问题，达到良好的控制效果。

    3.3 气路改进及定位器改进后的效果

    改进前后的部分数据对比如表1所列。

表1改进前后数据对比

    可见经过此项改造，偏心旋转阀的性能与原先相比具有精度高，响应速度快，而且输出功率更大，维护也更方便。

    使用双输出定位器后，在气源压力相同时，可使输出力增加一倍^[1]。

    由于定位器输出力的增加，阀盘根泄漏情况也出现了明显的好转。阀盘根的泄漏除有工艺介质的高温、高压等内在因素外，还有其他如盘根的材料、加盘根的方法、松紧度等。过去加的盘根以石墨填料为主，但石墨填料长期处在高温环境下容易老化，压得过紧阀门的回差大。现由于定位器输出力增加了一倍，调节阀盘根可以使用石棉绳或石墨，而且压得紧，其影响可以忽略不计。

    4 结论

    随着炼化装置一体化和炼油化工装置规模大型化，生产过程对于仪表及控制系统的精度和适应性要求越来越严格，偏心旋转阀的特点日益为人们认识与接受，它必将会在国内的炼油及化工装置中获得越来越广泛的应用，经过改进的偏心旋转阀控制精度大为提高，控制响应速度快，有利于大处理量下的平稳操作，而且减少了不必要的维护量，值得推广使用。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司