调节阀的故障保位
前言：为满足现代化生产装置对自控系统提出的安全控制、精细控制的高性能要求，结合工作实践中的工程实例，对特殊控制要求的控制系统的执行机构调节阀的故障形式：断电、断气、断信号进行三断保位，以保障整个装置生产的稳定性和连续性，减少不必要的停产和相应的经济损失。
就化工生产中常见的气动调节阀门，分别从调节阀的断电、断气、断信号三个方面阐述了各自保位的工作原理、相应的硬件配置及工作原理，并列举调节阀的故障保位方案进行佐证
1 控制阀保位的必要性
不同工艺系统的控制需求决定了执行机构不同的失效安全工作模式。
失效安全模式的选择原则首先是安全生产，其次是连续性。
在工程实践中，当遇到自控系统的气源、电源及输出信号故障时，不同的场合对阀门的状态有不同的要求，这些要求往往是出于安全和尽量减少故障损失方面的考虑，另外在安全的情况下，尽量保持装置生产的连续性也是需要考虑的一个重要方面。
这就要求自控系统采取一些必要的安全保护措施。
例如：在用蒸汽对罐内的物料进行加热时，如果遇到气、电故障，应将蒸汽的入口阀门关闭，切断蒸汽，即故障关（Fail to close），以防罐内物料过热结焦；再如在水冷却物料系统中，遇故障时，则希望冷却水不要被切断，此时要求水入口调节阀故障开（Fail to open）；而有些特殊的场合则希望故障出现时，阀位保持在原来的位置不变，以保持流体的稳定流量，如高温高分子中间聚合物的夹套管的蒸汽温度控制阀，一旦故障，全开会导致主管道内物料的结焦，全关则可能会导致熔体输送管线内的高分子聚合物冷却凝结，堵塞管线，此种情况下故障阀门需要保位（Fail to lock），以确保物料输入的稳定连续性。
这就要求控制阀在设计中实现故障时安全的三断（断气、断电、断信号）保护措施。
工程中常见的三种安全失效模式如图1所示。
图1 工程中常见的三种控制阀安全失效模式
确切说，前两种情况下的调节阀已经失去调节作用，只是在失效前采取了安全的失效模式，而对于故障保位的失效模式来说，相对稳定的控制系统，调节阀是在凭借记忆或惯性调控着介质的流量，在一定的时间内确保生产的稳定连续性，给出维护设备安全和仪表检修故障原因的时间，减少因为偶然的小事故而导致的停车或安全事故的发生，同时也减少由之而来的损失和危险。
2 故障保位系统的实现方案
执行机构的类型和所需的失效安全工作模式决定了附件的配置结构。
常见的控制阀可分为电动阀和气动阀两大类。
电动阀实现保位较为简单，它由电动执行机构进行控制，当断电时，电机停止运转，电动执行机构停止运动，阀门自然保持在故障时的位置，即实现了故障保位功能，但是它只有故障保位功能而无故障关、开的功能。
气动调节阀实现故障开和故障关相对来说比较容易些，但要实现故障保位则需要一系列的附件来协助才能完成保位功能。
气动调节阀在正常工作时，需要由系统提供气源、电源、信号源，这些是调节阀正常工作的必要基础保证。
一般工厂的DCS都会被设计为双路供电，而且设有UPS，故而断电时故障保位相对考虑得较少，除非是很关键部位的气动控制阀才会设有三断的故障保位，或者考虑其断气和断信号时的保位功能，较常见的是只考虑断气保位功能，即常说的工程上的保位。
实现调节阀的故障保位就要求调节阀在设计上设有故障时安全的三断保护措施。
实际工程中，调节阀的故障保位方案有多种，所需的附件亦是多种多样。
下面就单作用调节阀的三断保位措施进行分析。
2.1 断电保位措施
a）采用两通电磁阀，其连接如图2所示。
在定位器的输出气源信号到控制阀膜头之间的线路上加接一通电开的两位两通电磁阀FY-001，其电源与控制阀的电源回路串接在一起。
当控制阀的电源出现故障时（失电或者电源低于限定值），该电磁阀动作，定位器与膜头之间的气路被关断，电磁阀后的气路成为封闭的气路，保持关断前的压力加在调节阀的膜头上，从而使调节阀的开度维持在故障前位置，实现失电保位的功能。
b）采用智能定位器。
有些阀内部具有电磁阀的智能定位器，可以通过编程或者附加输入功能来锁定阀位或者驱动阀门达到保位功能。
目前智能阀门定位器的应用还不是很普遍，而且各个厂家的产品智能程度不一，在选用时需要注意内部是否有气路切断电磁阀。
图2 采用两通电磁阀的保护方案
2.2 断气保位措施
a）采用气动保位阀。
对于气源故障的保位来说，气动保位阀是首选附件，用于重要自动控制回路中作为安全保护装置的气动单元组合辅助单元。
气动保位阀（又叫气动锁止阀）本身是一种单弹簧结构。
单作用定位器可选用单通道气动保位阀，双作用定位器可选用双通道气动保位阀。
当控制系统气源故障（失气）时，气动保位阀自动关闭，将定位器的输出信号压力锁定在气动控制阀的膜室内，输出信号压力与控制阀弹簧产生的反力相平衡，气动控
制阀的阀位保持在故障位置，以保证工艺过程正常进行，直至气源事故消除，正常供气后保位阀自动打开恢复正常工作。
气源保位阀应设定在略低于气源的最小值时启动。
聚酯项目现场的终聚釜入口的液位控制阀LV-11602，为最终反应器R-101的进料液位控制阀，反应器出口的高温熔体要求精确的黏度控制以保障产品的质量，黏度控制的两个关键因素是温度和压力稳定；要控制温度和压力稳定，进料液位就必须连续、稳定，否则液位波动就会波及温度和压力，温度控制精度要求0.1%，否则就会产出色泽较差的成品丝。
除了在投产之初该阀关闭，一旦打开生产运行之后，就必须持续稳定进料，保证产品的质量；所以设计要求该调节阀气源故障保位。
采用的保位措施就是利用Type 167DA保位阀，其连接原理如图3所示。
图3 采用气动保位阀的保护方案
b）闭锁阀，也称气控换向阀。
顾名思义，故障时可转换气路流向的气控元件。
它是气源故障保位另一种方案中采用的重要附件。
该方案由储气罐、止回阀、闭锁阀、截止阀等组成。
其工作原理如图4所示。
图4 采用闭锁阀的保护方案
当气源故障（失气）时，止回阀关闭，闭锁阀信号检测失气，闭锁阀的滑阀在弹簧的作用下复位，气路换向，进口1与信号出口断开，切断系统的气源管路，储气罐管路进口2与信号出口接通，由储气罐向阀门供气，可以保证阀门有若干次动作，实现连续控制的目的。
由于储气罐的容量有限，且储气罐中的气源压力会随着阀门动作不断下降，所以不可过长时间地使用储气罐为阀门供气。
该方案在气源故障时，阀门动作的次数与储气罐的容量有关。
2.3 断信号保位措施
对于常见的使用电-气转换器和气动阀门定位器的控制阀来说，断信号保位措施如图5所示。
即将来自控制室的4~20mA信号同时引至电子开关（失电检测器），再由电子开关控制一个接在定位器输出到膜头的管路上的两位直通电磁阀。
当控制回路的信号缺失时，电子开关会使两位直通电磁阀失电关闭，将定位器的输出信号压力锁定在气动控制阀的膜室内，原理同2。
2中断气保位措施一样，只是该措施的检测信号受控于来自控制室的信号。
由于此种故障时现场阀位的信号无法由原来的通道反馈回总控室，因此需要添加位置反馈信号给总控，信号由阀位信号返回器给出。
对于比较普遍的使用电-气阀门定位器的控制阀来说，采用两线制的接线方式，只需要采取两断（断气、断信号）的保护措施即可，系统调试稍麻烦一点，能够普遍适用于防爆要求严格的场合。
需要指出的是，保位阀在气路切断后，只能在短时间内维持气压稳定，如果需要较长时间的阀位稳定，则必须采用配置闭锁阀的方案来确保故障保位较长时间的实现。
3 三断保位综合分析
由以上分析得出：在一些需故障保位场合，如果在断电不断气的情况下，可用通电开的二通电磁阀实现保位功能，在断气不断电的情况下，可采用保位阀或者闭锁阀实现该功能。
对一些特别重要的场合，为防止断电、断气带来的影响，可同时用二通电磁阀和保位阀。
为减少在现场安装时的不必要麻烦，可由阀门生产厂家完成系统的成套安装工作，从而提高系统的可靠性。
用户只要在控制阀订货时注明故障时保位（Failtolock）即可。
对于双作用的调节阀的保位原理同上，只不过是在双作用的控制气路管线上各自添加保位阀和电磁阀，确保故障时将两个气室的压力锁定。
图5 断信号的保拉措施
以上为硬件方面实现的故障保位。
其实在DCS内部，还有一种故障保位，就是在DCS 内部信号的软保位。
所谓的软保位，就是DCS内部检测到模拟输入信号为坏质量（Bad）或者DCS部分输入卡件通道故障时，针对装置的关键仪表位号的输出通道的电位信号，在软件内部设置的信号保持功能，故障时可设置输出为0，100%或者是Hold。
它可以在DCS某些卡件故障时，不会引起关键仪表输出的波动而影响生产过程的稳定。
但是这种输出保位仅局限于输入无信号或者坏质量时，输出信号后的执行机构能否真正地实现保位无法保障，所以只能说是部分意义的故障保位。
关于控制系统的三断保护措施，很多的阀门厂家针对工程实例中的不同需求，已经研制开发了多种不同的措施来确保控制系统的各种隐患所导致的安全保位方案。
虽然保位实现的方法各有特点，但保位的内容和意义并未改变。
相信随着科技的发展，自控技术将会日趋完善，控制策略实现的方式也将日趋精细。
