摘要：針對(duì)S Zorb裝置中程控閥差壓變送器的常見故障，分析其結(jié)構(gòu)形式后給出解決方案。根據(jù)工藝流程和物料特性，提出關(guān)鍵位置的程控閥需增設(shè)差壓變送器，并將其引入至確認(rèn)閥門打開、關(guān)閉和報(bào)警的邏輯中，提高了閉鎖料斗控制系統(tǒng)的安全性和可用性。
S Zorb裝置基于吸附原理對(duì)催化汽油進(jìn)行脫硫，通過吸附劑選擇性地脫除含硫化合物中的硫原子達(dá)到脫硫的目的，該技術(shù)與其他脫硫技術(shù)相比具有脫硫率高、辛烷值損失小、氫耗少、操作費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，在全國(guó)已有接近40套采用該技術(shù)的裝置運(yùn)行以滿足汽油達(dá)標(biāo)的目的。
1 問題概述
S Zorb裝置基本流程如圖1所示，反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生流化床吸附脫硫反應(yīng)；再生器內(nèi)發(fā)生流化床氧化反應(yīng)；反應(yīng)部分為高壓臨氫環(huán)境，再生部分為低壓含氧環(huán)境。由于存在2種不同介質(zhì)混合后發(fā)生爆炸的潛在可能性，因此反應(yīng)部分和再生部分吸附劑的輸送必須通過閉鎖料斗來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)氫氧環(huán)境的隔離。
閉鎖料斗控制作為裝置的核心組成部分，通過多臺(tái)程控閥的順序控制實(shí)現(xiàn)S Zorb裝置再生吸附劑與待生吸附劑在反應(yīng)器和再生器間的輸送，而程控閥的差壓變送器作為閉鎖料斗控制中閥門打開和關(guān)閉的重要判斷指標(biāo)，直接關(guān)系著控制程序的運(yùn)行。從地衣批國(guó)內(nèi)S Zorb裝置運(yùn)行至今已有近10年的時(shí)間，陸續(xù)反饋了一些開工和運(yùn)行期間產(chǎn)生的問題。閉鎖料斗每20min循環(huán)一次，共9個(gè)步驟，包括吹掃、充壓、泄壓、裝料、卸料等，程控閥門按程序設(shè)定依次動(dòng)作，對(duì)應(yīng)的閥位回訊信號(hào)會(huì)同時(shí)送至控制系統(tǒng)進(jìn)行下一步操作。每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)程控閥至少要開關(guān)一次，按照工藝要求程控閥開關(guān)時(shí)間設(shè)定為小于5s，一旦超過8s則程序跳停。閥門環(huán)境復(fù)雜（部分操作介質(zhì)富含細(xì)小吸附劑顆粒，其直徑約為65μm），開關(guān)頻繁，且對(duì)動(dòng)作時(shí)間要求嚴(yán)格等原因都使程控閥在S Zorb裝置中成為較易出故障的儀表。有多套裝置反饋部分程控閥門實(shí)際已打開或關(guān)閉到位，但是一直未收到閥位回訊信號(hào)，開關(guān)時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致閉鎖料斗控制系統(tǒng)跳停。閉鎖料斗控制系統(tǒng)停止后，吸附劑循環(huán)輸送停止，待生吸附劑無法及時(shí)再生，甚至失活，而吸附劑一旦失活，則脫硫效率迅速降低，產(chǎn)品質(zhì)量無法得到保證。
2 故障分析與解決方案
對(duì)出現(xiàn)問題的閥門進(jìn)行解體分析后發(fā)現(xiàn)造成差壓變送器時(shí)間過長(zhǎng)的主要原因有：1）由于裝置運(yùn)行期間管道振動(dòng)，造成凸輪移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，或微動(dòng)開關(guān)位置發(fā)生改變。2）由于程控閥開關(guān)頻繁，微動(dòng)開關(guān)的彈簧發(fā)生形變。3）由于差壓變送器外殼密封不嚴(yán)，如環(huán)境中細(xì)小顆粒（如吸附劑、粉塵等）、雨后進(jìn)水、沿海地區(qū)鹽霧腐蝕均易造成差壓變送器內(nèi)接線短路 [4] 。產(chǎn)生以上故障是由差壓變送器的結(jié)構(gòu)造成的。差壓變送器按照結(jié)構(gòu)形式分為機(jī)械式差壓變送器和接近式差壓變送器2種。機(jī)械式差壓變送器工作原理是當(dāng)旋轉(zhuǎn)型程控閥打開或者關(guān)閉時(shí)，閥桿帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)凸輪施加推力將差壓變送器的彈簧壓下或者松開時(shí)，觸點(diǎn)接通，產(chǎn)生閥位回訊信號(hào)送至控制系統(tǒng)，機(jī)械式差壓變送器常采用微動(dòng)開關(guān)，其結(jié)構(gòu)形式見圖2。機(jī)械式差壓變送器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，安裝接線方便，因此部分裝置程控閥配置的是機(jī)械式差壓變送器。但是其工作原理決定了必須接觸到檢測(cè)塊才能發(fā)出閥位回訊信號(hào)，機(jī)械式開關(guān)在頻繁開關(guān)后，彈簧易發(fā)生形變，導(dǎo)致彈簧與觸點(diǎn)接觸不良，因此其靈敏度和重復(fù)性較差。由于差壓變送器電流較小，僅為毫安級(jí)，不易發(fā)生開關(guān)粘連，裝置振動(dòng)引起的接線松動(dòng)或環(huán)境腐蝕引起的接觸不良會(huì)導(dǎo)致接線斷開，同時(shí)為防止短路故障，可在回路中串聯(lián)保險(xiǎn)絲，當(dāng)接線短路時(shí)保險(xiǎn)絲燒斷，回路接線斷開，因此差壓變送器接線斷開在此工況中是常見故障。在調(diào)壓和裝卸料時(shí)，返回的閥位關(guān)信號(hào)必須確保閥門是嚴(yán)密關(guān)斷的，不能為虛假關(guān)閉。當(dāng)閥門出現(xiàn)故障，如差壓變送器內(nèi)部接線斷開，要求不能返回錯(cuò)誤的閥位關(guān)回訊，則此處選用常閉觸點(diǎn)，僅當(dāng)常開觸點(diǎn)閉合時(shí)才會(huì)返回閥位關(guān)回訊，滿足了故障安全型的要求，選擇常閉觸點(diǎn)的差壓變送器結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。部分吹掃和放空操作中對(duì)閥位開信號(hào)沒有關(guān)信號(hào)要求嚴(yán)格，從設(shè)計(jì)一致性角度考慮同樣選擇常閉觸點(diǎn)。
接近式差壓變送器根據(jù)測(cè)量原理分為電感式、電磁式、電容式等。閥門轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)閥桿上的凸輪接近感應(yīng)探頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的感應(yīng)電壓，通過處理轉(zhuǎn)換為差壓變送器信號(hào)。差壓變送器動(dòng)作時(shí)不發(fā)生機(jī)械接觸，響應(yīng)迅速，重復(fù)性好，同時(shí)具有防濕、抗震、耐腐蝕、受環(huán)境影響小等特點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)文件中要求苛刻工況和頻繁動(dòng)作的程控閥門選擇接近式差壓變送器，這樣能夠保證閉鎖料斗控制系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。為解決上文提到的運(yùn)行中的S Zorb裝置程控閥閥位回訊信號(hào)遲遲無法收到的問題，可采取如下措施：1）在管道上安裝減震設(shè)備和支撐架以減輕管道振動(dòng)，同時(shí)巡檢時(shí)可通過手操器調(diào)節(jié)閥位回訊開關(guān)的開度，并與電流值比對(duì)，若兩者存在偏差，可用扳手緊固螺絲。2）可根據(jù)彈簧形變量，將微動(dòng)開關(guān)下方墊高，使彈簧在同樣作用力下能夠更加容易接觸到觸點(diǎn)。3）使差壓變送器外部嚴(yán)密密封，并進(jìn)行防腐蝕和防潮處理，能有效地減少因操作環(huán)境細(xì)小粉塵過多，雨后進(jìn)水或化學(xué)品腐蝕等原因造成的差壓變送器接觸不良。
3 改進(jìn)措施
考慮到程控閥在閉鎖料斗控制中的重要性，原邏輯將閥位回訊信號(hào)做二取二設(shè)計(jì)，并引入電磁閥信號(hào)。例如程控閥的故障狀態(tài)為FC，邏輯設(shè)計(jì)采用正邏輯，即事件發(fā)生為邏輯“1”，否則為邏輯“0”，則確認(rèn)閥開/關(guān)邏輯框圖見圖3a和3b。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出開閥指令，電磁閥輸出XSV=1，當(dāng)閥門剛打開時(shí)，收到閥位關(guān)信號(hào)XZCS=0，當(dāng)閥門完全打開的瞬間，閥位開信號(hào)XZOS=1即刻返回，經(jīng)邏輯判斷后確認(rèn)程控閥已完全打開，跳轉(zhuǎn)到下一步驟。
然而當(dāng)差壓變送器接觸不良而產(chǎn)生的不動(dòng)作或誤動(dòng)作，使控制系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間接收不到閥位開或關(guān)信號(hào)，此時(shí)原二取二設(shè)計(jì)無法真實(shí)反映閥門的開關(guān)狀態(tài)，甚至引起閉鎖料斗控制系統(tǒng)跳停。因此從2017年開始的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，關(guān)鍵位置的程控閥閥位檢測(cè)已按冗余原則配置，增加差壓變送器，并在部分聯(lián)鎖邏輯中引入差壓變送器變量。差壓變送器將閥門開度變化轉(zhuǎn)換成4~20mA模擬信號(hào)，使操作人員在控制室就能實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)差壓變送器的故障。對(duì)工藝流程和物料特性進(jìn)行分析，當(dāng)某些位置不需要程控閥完全動(dòng)作到位，例如吹掃開閥時(shí)，可以將差壓變送器信號(hào)（如閥位開度設(shè)置為95%）引入到原確認(rèn)閥開邏輯中做三取二設(shè)計(jì)（見圖4）。邏輯修改后當(dāng)閥位開或關(guān)回訊出現(xiàn)滯后或故障，控制系統(tǒng)仍能夠及時(shí)準(zhǔn)確地確認(rèn)閥開動(dòng)作，提高了控制系統(tǒng)的可用性。在程控閥需要嚴(yán)密關(guān)斷的位置，從安全性角度出發(fā)，差壓變送器未引入到確認(rèn)閥關(guān)邏輯中，僅在操作臺(tái)上顯示，用以輔助操作人員。因此兼顧安全性和可用性，僅程控閥的確認(rèn)閥開邏輯改用三取二設(shè)計(jì)方案。
閥位回訊開關(guān)除了能夠反映程控閥真實(shí)狀態(tài)，還可以與電磁閥結(jié)合，作為閥門打開和關(guān)閉計(jì)時(shí)用。當(dāng)程控閥閥位開和關(guān)回訊均返回0，且持續(xù)時(shí)間t≥8s，即閥門正在打開和關(guān)閉用時(shí)超過系統(tǒng)預(yù)置時(shí)長(zhǎng)，判斷其為動(dòng)作時(shí)間超時(shí)，并發(fā)出動(dòng)作超時(shí)報(bào)警；閥位開和關(guān)回訊均返回1，且持續(xù)時(shí)間t≥2s，判斷其為硬件故障并發(fā)出報(bào)警，兼具計(jì)時(shí)和報(bào)警功能的邏輯框圖見圖5。操作人員還能通過閥門打開和關(guān)閉的用時(shí)曲線實(shí)時(shí)地了解閥門狀況，當(dāng)曲線發(fā)生明顯變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查。
4 結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)S Zorb裝置運(yùn)行中暴露較多的程控閥差壓變送器不動(dòng)作或誤動(dòng)作的問題，對(duì)其分析原因后提出解決方案，同時(shí)為保證差壓變送器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中安全可靠響應(yīng)迅速，建議選擇接近式差壓變送器。在#近的設(shè)計(jì)中為關(guān)鍵位置的程控閥增加差壓變送器，并根據(jù)工藝流程設(shè)計(jì)更加合理的邏輯方案，減少了因差壓變送器故障造成的閉鎖料斗控制系統(tǒng)跳停。經(jīng)過改進(jìn)，S Zorb裝置運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠，能有效地降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
