阀位反馈信号的开发与应用

高爱进，林盛阳，翁乙友，胡北平，刘晓东

（中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000）

控制阀作为工艺生产过程中的重要调节设备，其运行状态的准确、稳定，将直接影响产品质量，因而实时连续监测控制阀阀位状态尤为重要。塔里木油田分公司作为国家西气东输主力气源地，天然气净化工艺以J-T阀控制制冷低温脱水为主，然而因地理环境的影响，天然气净化工艺中J-T阀很容易发生冻堵的现象。J-T阀作为低温脱水核心设备，当发生冻堵故障时，会发生装置处理量减少，J-T阀开度与对应理论处理量存在偏差；现场阀门开度值与主控室控制器输出OP值存在偏差，主控室无法实时监控现场J-T阀的运行状态等现象，严重时将导致全厂紧急停产。若能提前发现J-T阀冻堵故障，能有效地降低工艺生产的安全风险。

1 常见控制阀工作原理

部分石油化工企业操作站画面显示的阀位行程是控制阀回路的输出信号，将调节阀回路输出信号近似为阀位真实开度。控制阀气源压力低、阀芯卡塞等异常状况下，阀位行程将与操作站画面显示值不一致。其控制阀工作原理如图1所示：各类测量变送器相当于人的“眼睛”，实时监测现场。主控室DCS类似“大脑”，对“眼睛”获得的数据进行分析处理并下达指令。现场阀门等执行机构类似人的“手臂”，执行“大脑”下达的指令。然而该控制回路中，“大脑”发出指令后，未收到现场“手臂”执行动作是否精确的反馈，出现控制盲区。

2 阀位反馈信号的开发与应用

某天然气处理厂前期J-T阀发生冻堵、卡塞故障，需员工赶赴生产现场与主控室核实比对阀门状态值，无法实时监测现场阀位状态值。为优化系统功能，整合了霍尼韦尔PKS系统与Fisher阀门定位器DVC6200设备信息，将阀位状态输入至操作站控制画面。该系统支持HART通信协议，站场选用霍尼韦尔C300控制器，PKS服务器软件使用Experion PKS 430.1版本。采用Series C I/O 卡 件，HART Analog Input CC PAIH01输入模块卡件及HART Analog Output CC-PAOH01输出模块卡件。该系统通过HART支持的I/O模块，实现了与Experion PKS的完美集成。模块可安装在Series C外形封装中，能够有效地将HART数据用于控制、显示、诊断、参数化和资产管理。Experion PKS克服了扫描速度限制等困难，使与HART设备的通信畅通无阻。可通过I/O卡将HART过程和状态数据传输至C300过程控制器，并最终通过显示屏显示。可访问详细的设备性能和异常状况信息，允许用户报告设备故障失灵情况和过程异常信息。此外，HART解决方案可让工厂操作员和维护人员通过Experion PKS直接访问所有现场设备信息。

图1 常见控制阀工作原理

2.1 开发方案一

传统做法是在控制阀上加装1台阀位传感器，将阀的行程位移量按一定规律转换成4～20 mA电流信号，实时监测控制阀行程状态。经查阅阀门定位器基础资料，发现Fisher DVC6200系统阀门定位器具有阀位状态反馈信号模拟输出端口，使用HART手操器将Output Ter minal Enable端口激活。方案一阀位反馈信号开发原理如图2所示，此时定位器阀位反馈信号被激活，OUT模拟输出端口的电流值对应阀门开度0～100%。将4～20 mA电流信号通过AI卡件上传至DCS，进行程序组态、画面组态。最终操作站实时显示阀位状态值。该方案需敷设电缆线至主控室，施工工作量较大。

图2 方案一阀位反馈信号开发原理示意

2.2 开发方案二

利用霍尼韦尔C300控制器、Series CI/O卡件及HART Analog Output CC-PAOH01输出模块。该卡件支持HART通信协议，能将现场变送器所有参数通过HRAT协议上传主控室。方案二阀位反馈信号开发原理如图3所示，首先在J-T阀CM控制回路AO功能块中激活HART Configuration中ENABLE HART功能。配合DVC6200阀门定位器，AOCHANNEL Block中HART Variable中第四个QV值即为现场阀位实时状态值。该功能实现无需重新敷设电缆线，有效地避免了装置现场的施工作业。因而最终该天然气处理厂优先选择该方案。

利用HMI Web Display Builder修改流程画面，将现场阀门的开度实时上传至主控室供操作人员查看。操作人员可实时查看阀门开度的输出值与反馈值是否一致，若不一致，可快速判断出J-T阀出现冻堵或其他非正常工作状态，并迅速采取加大乙二醇、轻烃注入量及提升装置温度等应急处置措施，避免因J-T阀冻堵加剧，发生装置超压放空等严重生产事故。

图3 方案二阀位反馈信号开发原理

3 结束语

阀位反馈信号在该天然气处理厂的开发与应用，经过1 a的运行，有效地减少了因严重冻堵而导致装置停车的风险。操作人员实时、高效地掌握现场控制阀的运行状态，在冻堵发生的第一时间赶赴现场采取应急处置措施，有效地弥补了石化化工企业阀门控制回路的盲区，可以清晰、实时地掌握阀门状态，当控制阀门出现冻堵、卡塞等异常状态，操作站能够及时产生报警信息，减少了运行维护员工现场比对阀位行程的工作量，大幅提高了工艺生产装置的控制质量，保障了装置平稳、高效的运行，消除了重大安全隐患。