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淺析自動(dòng)裝車系統(tǒng)中氣動(dòng)二段式（三位式）裝車球閥的應(yīng)用原理及改進(jìn)方案
淺析自動(dòng)裝車系統(tǒng)中氣動(dòng)二段式（三位式）裝車球閥的應(yīng)用原理及改進(jìn)方案
一、引言
定量裝車系統(tǒng)用于煉油廠、化工廠及一些中小型油庫，可滿足各種汽車和火車鶴管定量裝車的自動(dòng)化控制和管理需求。從開單銷售、提貨、裝車到出庫、核算、報(bào)表，每一個(gè)環(huán)節(jié)都可以有相應(yīng)的軟硬件功能支持。系統(tǒng)出錯(cuò)自動(dòng)報(bào)警，操作自動(dòng)記錄，既可有效防止事故發(fā)生，又能防止操作上的人為錯(cuò)誤，使操作和管理更完善。
1、 應(yīng)用背景
在化工廠，采用批量控制器對(duì)裝車的批次量進(jìn)行精確控制，利用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定量裝車，提高了生產(chǎn)的效率。在原料卸車系統(tǒng)，積極推進(jìn)自動(dòng)卸車系統(tǒng)攻關(guān)，以潛油泵綜合保護(hù)器、可編程控制器、變頻器等硬件為基礎(chǔ)，利用卸車中間罐液位為控制條件，實(shí)現(xiàn)了卸車自動(dòng)開停泵，中間罐液位自動(dòng)控制，有效防止了卸車液壓泵空轉(zhuǎn)帶來的安全隱患，提高了卸車效率。大力推進(jìn)儲(chǔ)罐內(nèi)浮盤舌型密封帶、化工磁力泵等新技術(shù)的應(yīng)用，有效減少了產(chǎn)品揮發(fā)，降低了產(chǎn)品損耗率，改善了作業(yè)環(huán)境。在鐵路系統(tǒng)，進(jìn)一步完善微機(jī)連鎖、調(diào)度集中控制和調(diào)車無線監(jiān)控項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)運(yùn)廠鐵路系統(tǒng)自動(dòng)化集中控制作業(yè)。通過以上項(xiàng)目的實(shí)施，儲(chǔ)運(yùn)廠形成了具有自主創(chuàng)新水平的化工自動(dòng)化裝卸車系統(tǒng)、鐵路自動(dòng)化集中控制系統(tǒng)。
在化工與油品裝車系統(tǒng)應(yīng)用中，由于控制閥的突然開關(guān)，容易造成管道中的壓力在一瞬間會(huì)突然升高，產(chǎn)生很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為“水擊”或“水錘”現(xiàn)象。“水擊”產(chǎn)生的壓力峰值往往比正常工作壓力高好幾倍，且常伴有巨大的振動(dòng)和噪聲，使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生溫升，有時(shí)會(huì)使一些液壓元件或管件損壞，并使某些液壓元件（控制閥、流量計(jì)等）產(chǎn)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要目標(biāo)之一，就是盡可能的消除控制閥的突然開關(guān)而產(chǎn)生的“水擊”現(xiàn)象。除此之外還要求控制閥能達(dá)到以下要求：
•防止噴濺式進(jìn)液
•低電壓，低功耗，控制較簡(jiǎn)單
•啟閉工作可靠、無泄漏，便于維護(hù)
•能較好地解決過沖問題，重復(fù)性誤差小
•能適應(yīng)各種工藝，包括流速不穩(wěn)定的單支和多支管路
•為了保證系統(tǒng)的可靠性，提高裝車精度單套裝車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 單套裝車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
2、杭州海沃氣動(dòng)二段式切斷球閥 概述
2.1、 氣動(dòng)二段式切斷球閥的作用
杭州海沃氣動(dòng)二段式切斷球閥可以在打開或關(guān)閉過程中停頓一次，能夠根據(jù)系統(tǒng)要求精確控制流量，尤其適用于化工或油品裝車系統(tǒng)中，例如閥門一次全部打開，開始裝車，當(dāng)流量接近設(shè)定值時(shí)，閥門關(guān)閉到小流量狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)閥門全部關(guān)閉。小流量可以在0~45%之間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定，比如5%，8%，10%，15%等，最終達(dá)到精確控制。
2.2、 氣動(dòng)二段式切斷球閥的組成
氣動(dòng)二段式切斷球閥一般由單作用或雙作用二段式氣動(dòng)執(zhí)行器、閥體、減壓閥、隔爆型限位開關(guān)和隔爆電磁閥五部分組成（如圖2所示）。閥體材質(zhì)，法蘭標(biāo)準(zhǔn)，故障位置，電磁閥電壓，防爆等級(jí)，電氣接口，防護(hù)等級(jí)，環(huán)境溫度等技術(shù)參數(shù)完全滿足客戶需求。
圖2 杭州海沃二段式氣動(dòng)切斷球閥
2.3 、杭州海沃球閥特點(diǎn)
由于該球閥應(yīng)用于比較苛刻的工況場(chǎng)合（化工廠、石油石化等行業(yè)的罐區(qū)或者儲(chǔ)運(yùn)廠），現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境可能有揮發(fā)性排放物、有毒氣體等危險(xiǎn)化學(xué)品，使用要求比較高，一般采用防火球閥較多。防火球閥有以下特點(diǎn)：
采用固定球設(shè)計(jì)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位均采用磨擦系數(shù)極小自潤(rùn)滑材料，因而操作扭矩小，此外密封潤(rùn)滑脂的長(zhǎng)期密封，從而可以使我們的操作更加靈活。
采用全通徑或縮徑設(shè)計(jì)，流通阻力小。增加了預(yù)緊力彈簧，使得球閥具有自動(dòng)泄壓功能。
每個(gè)球閥都有兩個(gè)可動(dòng)密封座，兩個(gè)方向都能密封，因而安裝時(shí)不須考慮介質(zhì)的流向。
具有防火防靜電結(jié)構(gòu)，在閥桿與閥體及閥桿與球體之間設(shè)置導(dǎo)電彈簧，避免靜電打火點(diǎn)燃易燃介質(zhì)。達(dá)到API 607/API 6FA要求，確保系統(tǒng)安全。
雙層閥桿填料符合德國TUV TA-LUFT的閥桿泄露測(cè)試要求。
耐火結(jié)構(gòu)雙重保護(hù)，當(dāng)萬一發(fā)生火災(zāi)而使密封圈燒損時(shí)，球閥的各個(gè)密封部位均能形成金屬對(duì)金屬的硬密封結(jié)構(gòu)。
自動(dòng)泄壓結(jié)構(gòu)，當(dāng)滯留在閥門中腔的液體介質(zhì)由于溫度升高而氣化，從而中腔壓力異常升高時(shí)，中腔介質(zhì)能依靠本身的推力推動(dòng)閥座而自動(dòng)泄壓，從而確保閥門安全。
2.4 、二段式氣動(dòng)執(zhí)行器工作原理
2.4.1 、二段式氣動(dòng)執(zhí)行器概述
二段式氣動(dòng)執(zhí)行器是一種特殊規(guī)格的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提供了0°、X（5°~85°）和90°的三位式操作方式，中間位置是依靠二個(gè)輔助活塞的移動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，中間位置是可調(diào)的，如90°行程的執(zhí)行器能提供任意中間位置可調(diào)。出廠時(shí)中間位置已經(jīng)設(shè)定完畢，如果現(xiàn)場(chǎng)需要調(diào)節(jié)，步驟如下：
（1）松開二端保護(hù)套管；
（2）用內(nèi)六角扳手松開銅軸上的定位銷；
（3）用手旋轉(zhuǎn)一段銅軸，設(shè)定更小流量，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)銅軸，設(shè)定更大流量，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)銅軸，調(diào)節(jié)后固定緊定位銷，通氣試驗(yàn)，看是否滿足要求，如果不能，則需反復(fù)調(diào)整幾次，直至滿足要求；
（4）在第四項(xiàng)控制步驟，第2步時(shí)，用手旋轉(zhuǎn)另一段銅軸，保證二端在第四項(xiàng)控制步驟，第3步都同時(shí)緊密頂緊氣缸端蓋，同時(shí)受力，旋緊定位銷；
（5）蓋好二端保護(hù)端蓋。
2.4.2 、雙作用二段式氣動(dòng)執(zhí)行器工作原理（以氣開為例，氣關(guān)只需把執(zhí)行器調(diào)轉(zhuǎn)180°）
對(duì)于雙作用二段式氣動(dòng)執(zhí)行器，主要是考慮氣源發(fā)生故障時(shí)要求閥門保持原位，就選用其作為驅(qū)動(dòng)部件。
a.、雙作用二段式氣動(dòng)執(zhí)行器（配2個(gè)電磁閥）
圖3 雙作用二段式氣動(dòng)執(zhí)行器（配1個(gè)二位五通電磁閥+1個(gè)二位三通電磁閥）
控制原理見圖3，以裝車為例，具體過程為電磁閥1帶電，閥門全部打開，進(jìn)行裝車；當(dāng)接近設(shè)定值時(shí)，電磁閥2帶電，電磁閥1失電（注意電磁閥2帶電3秒后電磁閥1失電），閥門進(jìn)入小流量狀態(tài)；當(dāng)流量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電磁閥2失電，閥門全部關(guān)閉。
b、雙作用二段式氣動(dòng)執(zhí)行器（配3個(gè)電磁閥）
圖4 雙作用二段式氣動(dòng)執(zhí)行器（配3個(gè)二位三通電磁閥）
控制原理見圖4，以裝車為例，如一開始需要進(jìn)入小流量狀態(tài)，邏輯順序就會(huì)比只配二個(gè)電磁閥（圖1所示）更為直接，具體過程為電磁閥1和電磁閥2失電，電磁閥3帶電，閥門在小開度運(yùn)行，進(jìn)行裝車；當(dāng)需要全部打開時(shí)，電磁閥1和電磁閥3帶電，電磁閥2失電；當(dāng)裝車差不多時(shí)，閥門進(jìn)入小流量狀態(tài)，電磁閥1失電，電磁閥2帶電（注意電磁閥1失電3秒后電磁閥2帶電），當(dāng)流量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電磁閥3失電，閥門全部關(guān)閉。
2.4.3 、單作用二段式氣動(dòng)執(zhí)行器工作原理（以氣開為例，氣關(guān)只需把執(zhí)行器調(diào)轉(zhuǎn)180°）
對(duì)于單作用二段式氣動(dòng)執(zhí)行器，主要是考慮氣源發(fā)生故障時(shí)要求閥門關(guān)閉（或者打開），就選用其作為驅(qū)動(dòng)部件。
圖5 單作用二段式氣動(dòng)執(zhí)行器（配2個(gè)二位三通電磁閥）
控制原理見圖5，以裝車為例，如一開始需要進(jìn)入小流量狀態(tài)，具體過程為電磁閥1和電磁閥2同時(shí)帶電，閥門在小開度運(yùn)行，進(jìn)行裝車；當(dāng)需要全部打開時(shí)，電磁閥1失電，；當(dāng)裝車差不多時(shí)，閥門進(jìn)入小流量狀態(tài)，電磁閥1帶電；當(dāng)流量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電磁閥1和電磁閥2同時(shí)失電，閥門全部關(guān)閉。
3、 改進(jìn)方案
3.1、氣動(dòng)調(diào)節(jié)球閥組成部分
用二段式氣動(dòng)執(zhí)行器目的其實(shí)就是實(shí)現(xiàn)小流量調(diào)節(jié)，要實(shí)現(xiàn)閥門在小開度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，只需一個(gè)定位器便能實(shí)現(xiàn)此功能，該方案就變成由單作用或雙作用氣動(dòng)執(zhí)行器、閥體、定位器和減壓閥四個(gè)部分組成。首先從配置上大大的減少組成部件，減少邏輯順序，避免誤操作，大大提高工作效率。
3.2 氣動(dòng)調(diào)節(jié)球閥工作原理
a、雙作用氣動(dòng)執(zhí)行器（配雙作用定位器）
主要考慮氣源故障狀態(tài)時(shí)要求閥門保持原位，選用雙作用氣動(dòng)執(zhí)行器，接受4-20mA輸入信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)0-100%任意開度的調(diào)節(jié)。
b、單作用氣動(dòng)執(zhí)行器（配單作用定位器）
主要考慮氣源故障狀態(tài)時(shí)要求閥門關(guān)閉（或者打開），選用單作用氣動(dòng)執(zhí)行器，接受4-20mA輸入信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)0-100%任意開度的調(diào)節(jié)。
3.3 、調(diào)節(jié)曲線（如圖6所示）
通常O型球閥作為二位式開關(guān)作用，該方案主要考慮實(shí)際使用過程中只是起調(diào)節(jié)流量大小的作用，不要求調(diào)節(jié)特性，所以采用配置定位器模式能完全實(shí)現(xiàn)小流量調(diào)節(jié)的作用。
圖6 “O”型球閥流量特性曲線（以DN100為例）
4、二段式球閥方案和改進(jìn)方案（配定位器球閥）對(duì)比
隨著自動(dòng)化程度越來越高，降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)精確控制，提高生產(chǎn)效率是大勢(shì)所趨，改進(jìn)方案將會(huì)被越來越的工廠所采用，其相比較常規(guī)二段式球閥方案比較有如下特點(diǎn)：
組成部件少，從而故障率大大減少，成本也隨之降低，性價(jià)比高；
改進(jìn)方案操作方便，可以自動(dòng)給定任意開度；而二段式球閥的邏輯順序比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)誤操作；
小開度的設(shè)定，二段式球閥非常麻煩，需要人工對(duì)機(jī)械部件進(jìn)行調(diào)整，尤其對(duì)于大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力；
改進(jìn)方案維護(hù)簡(jiǎn)單方便，二段式球閥維護(hù)比較復(fù)雜。
5 、結(jié)束語
改進(jìn)方案（配定位器球閥）經(jīng)過近一年半的運(yùn)行，在裝車時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定、控制精確、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和易于擴(kuò)展，由此可見改進(jìn)方案可以有效的替代傳統(tǒng)的二段式球閥方案。其應(yīng)用前景也是非�？捎^的。
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