0 引言
控制閥又稱調節閥,它可通過對流體流量的控制來調節流體的壓力、溫度、液位等參數。美國Emer-son公司生產的費希爾(Fisher)控制閥(通常我們叫漁人閥)廣泛應用于電力、石油、化工、冶金等諸多領域。它是影響工業過程控制系統的控制質量乃至產品質量的重要控制元件。
海上石油地震采集作業中,氣槍震源系統主要包括氣槍系統、收放系統、氣槍控制系統和高壓系統。空壓機組是為氣槍震源系統提供高壓空氣的設備,漁人閥主要起到控制和調節空壓機組輸出壓力的作用,確保氣槍激發工作壓力的穩定,在整個高壓系統中十分重要。本文主要對機械式漁人閥的控制原理、組成、安裝和控制器的調節方法做了介紹。隨著空壓機組自動化程度的不斷提高,部分空壓機組采用了數字式漁人閥,本文也對其控制原理作了簡單介紹。
1 漁人閥的重要部件介紹
漁人閥的重要部件如圖1所示。
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圖1 漁人閥連接示意圖
1.1 67CFR型過濾減壓閥
67CFR系列過濾減壓閥可為氣動、電/氣動控制器或其他設備提供持續可控制的壓力。這種直接作用式調節閥,既可應用于大多數的空氣和氣體調節,也可應用于氣動卡盤、空氣噴口和噴槍提供降低的壓力。它的內部有一個減壓閥,減壓閥安裝在軟閥座上,當有泄漏時,自動關閉閥門。最大輸入壓力為250psi,輸出壓力范圍為:0~20psi,0~35psi,0~60psi和0~120psi。減壓閥上有調節旋鈕,順時針旋轉旋鈕時閥芯下移,閥口開度增大,輸出壓力增大;反之,逆時針旋轉旋鈕,輸出壓力減小。
1.2 4150K型壓力控制器和變送器
4150K型壓力控制器和變送器使用波紋管或波登管檢測單元氣或水表壓力、真空、復合壓力或差壓。控制器和變送器的輸出為氣動壓力信號,可用于操作控制單元、指示裝置或記錄裝置。在本例中,控制器中使用的是波登管。波登管又稱彈簧管,利用管的彎曲變化或扭轉變形測量壓力的彈性敏感元件。波登管與其他敏感元件相比靈敏度小些,往往測量比較大的壓力。4150K型壓力控制器和變送器是波登管檢測的純比例控制器,輸入壓力為高壓氣瓶的輸出壓力,輸出信號為一個氣壓信號。
1.3 657型薄膜執行機構
657型薄膜執行機構是氣動薄膜式的,通過對薄膜上變化的加載壓力做出響應而對閥門進行定位。所有657型執行機構都是正作用的,把空氣壓力加到上膜片頭蓋,可使執行機構推桿向下動作。當壓力降低時,作用相反的彈簧力使執行機構推桿向上,執行機構中的直行桿件隨著膜片兩側的壓力差的變化而進行伸縮運動,這種伸縮運動又帶動了相應截流元件的運動,從而通過一系列的簡單機械動作對閥門進行開合控制(圖2)。執行機構與高壓氣瓶排氣閥門連接,通過執行機構的動作來控制高壓氣瓶充、放氣。
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圖2 漁人閥主閥體的組成
2 機械式漁人閥的控制原理
2.1 漁人閥的連接
圖1中,空壓機組經過活塞機的壓縮,將空氣壓縮到一定的壓力。壓縮后的高壓氣體進入高壓氣瓶中,高壓氣瓶主要起到緩沖和平穩高壓氣體壓力,消除脈沖壓力的作用。空壓機組輸出一定壓力的低壓氣,經過過濾和減壓,作為漁人閥的控制氣,漁人閥通過閥門與高壓氣瓶連接。
2.2 漁人閥主閥體的構成及工作原理
如圖2所示,漁人閥的主閥體主要由4150K型壓力控制器、變送器和657型薄膜執行機構組成。
在海上石油地震采集作業中,氣槍激發工作壓力通常為2000psi或3000psi。空壓機組經過幾級壓縮后,壓縮空氣壓力約為2000psi或3000psi,將漁人閥控制器設定值設定為氣槍激發工作壓力。控制器通過比較設定值和高壓氣瓶壓力差,從而產生一個氣動信號,作用于執行機構。執行機構中的執行推桿進行伸縮動作,打開或關閉與高壓氣瓶連接的閥門。當氣瓶壓力高于設定值時,打開排氣閥,排出多余的高壓氣;當氣瓶壓力低于設定值時,關閉排氣閥,進行充氣作業,直至高壓氣瓶的壓力與設定值相同。
2.3 漁人閥的控制原理
如圖3所示,從空壓機組引出的漁人閥的控制氣進入繼動閥入口端,在從排氣端排出之前,通過固定節流孔充滿整個繼動閥。繼動閥內的大膜片式繼動器檢測到的是噴嘴壓力,小膜片式繼動器檢測到的是控制器輸出壓力。當過程壓力變化時,波登管通過自身的擴張和收縮使得阻力板相對于噴嘴動作。在正作用方式下,過程壓力增大時,阻力板靠近噴嘴運動,噴嘴壓力變大,繼動器閥門打開。控制氣作用在繼動器閥的閥室內,使得執行機構上的加載壓力增大,執行推桿向下運動,排氣閥門關閉,高壓氣瓶進行充氣作業;反之,過程壓力減小時,阻力板遠離噴嘴運動,噴嘴壓力減小,繼動器閥門打開,控制器輸出壓力釋放,排氣閥門打開,高壓氣瓶進行排氣作業。
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圖3 漁人閥控制原理
控制器輸出壓力的變化反饋至比例波紋管,用來抵消噴嘴壓力的變化,從而平衡膜片式繼動器之間的壓力差。比例閥全開時,比例帶為100%的位置,關閉比例閥可減小比例帶的數值。
3 機械式漁人閥的安裝
(1)確認管道清潔。安裝閥門前要先清洗所有的管道,確認已清除管道污垢、金屬碎屑、焊渣和其他異物。
(2)確認足夠空間。安裝位置應有足夠的空間,以便在檢查和維護時容易拆卸執行機構或閥芯。
(3)確認安裝位置。漁人閥應安裝在干燥、溫度適中、無強電磁干擾、振動較小和無腐蝕性氣體的場所。
(4)確認氣體流向正確。通常執行機構垂直并位于閥門的上部,要確保氣體流向和閥體流向箭頭與所指示的方向一致。
4 機械式漁人閥的調節
漁人閥的調節主要是對4150K型壓力控制器和變送器進行調節。
4.1 控制器主要技術參數
圖4為控制器實物圖。圖4中,壓力表1顯示的是輸入壓力,量程為0~30psi;壓力表2顯示的是輸出壓力,量程為3~15psi或6~30psi;比例帶3為對3~15psi滿量程壓力輸出變化為3%~100%可調,6~30psi滿量程壓力輸出變化為6%~100%可調;壓力表4顯示的是設定值,量程為0~5000psi。
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圖4 控制器實物圖
4.2 控制器的調節
順時針或逆時針旋轉壓力設置旋鈕可增大或減小設定值。當比例帶較寬,數字設置與實際過程壓力會相差較大。旋轉比例帶旋鈕設置所需要的值,比例帶的調節決定了控制壓力變化引起的閥門開度。
4.3 控制器的校準
控制器的校準工作如圖5所示。
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圖5 控制器的校準
(1)控制器校準前的準備工作
1)為控制器提供過程壓力源,用來模擬控制器的過程壓力范圍;
2)將過程壓力源連接到校驗器上,控制器開路連接。
(2)輸出壓力范圍為0.2~1.0bar(3~15psi),按照以下步驟進行校準(以正作用方式為例):
1)完成上述連接,提供相應的壓力源;
2)旋轉比例帶旋鈕到1.5(15%比例帶);
3)改變校驗調整螺絲(KEY43到中間位置);
4)使輸入壓力值等于檢測原件的下限值;
5)旋轉壓力設定旋鈕至最小值;
6)調整噴嘴(KEY57)直到控制器輸出壓力在0.6~0.7bar(8~10psi)之間;
7)使輸入壓力值等于檢測原件的上限值;
8)旋轉壓力設定旋鈕至最大值;
9)如果輸出壓力值不是在0.6~0.7bar(8~10psi)之間,松開兩個調整螺絲(KEY43),小范圍移動校驗調節器(KEY41)。
10)重復4)~9)步驟,直到校準結束。
4.4 控制器的起動
校準后,就可以起動控制器了。起動步驟如下:
(1)連接壓力源;
(2)旋轉壓力設定旋鈕至需要的數值;
(3)比例帶調整到100%的位置(控制的是液體壓力或流量);
(4)輕敲阻力板或改變微調設定點來干擾系統,檢查系統的循環情況。如果系統不能循環,則要降低比例帶的值(提高增益),再次干擾系統,直到系統循環良好。
5 數字式漁人閥簡介
數字式漁人閥主要由數字式閥門控制器、過濾減壓閥、模擬信號轉換器和壓力變送器組成。數字式閥門控制器與空壓機組的PLC(ProgrammableLogic Controller)連接,從而實現PLC控制。
數字式漁人閥的控制原理:空壓機組高壓氣瓶輸出的壓力經過壓力變送器后,由壓力模擬信號轉換為一個4~20mA的電信號,電信號傳輸到數字式閥門控制器,經過控制器轉換成一個成比例的氣動輸出信號,從而調節執行機構,最終實現對空壓機組輸出壓力的控制。可以通過進入操作面板中的漁人閥控制界面,人為輸入設定值。
機械式漁人閥由于沒有與PLC相連,無法實現PLC控制。它是通過壓力控制器比較過程壓力和設定壓力,并向控制元件發送一個氣動信號,使高壓氣瓶壓力等于或接近設定壓力,從而起到調節壓力的作用。
6 結束語
漁人閥是控制和調節空壓機組輸出壓力的重要設備,無論機械式漁人閥還是數字式漁人閥,掌握其控制的原理和系統組成結構,對于現場人員操作都是十分重要的。本文通過對機械式漁人閥的介紹和控制原理分析,對于現場操作具有一定的借鑒作用,也為今后的工作提供相應的理論基礎。