索治斌 董仲喜

(河南能源化工集团安化公司，河南 安阳 455133)

河南能源化工集团安化公司的第二套合成氨装置投运至今已有16年之久，其尿素生产系统采用的是意大利斯纳姆公司的工艺技术，控制系统采用的是浙大中控的DCS控制系统，目前整个生产系统及其控制系统运行稳定。但是，该装置的入尿素合成塔CO2调节阀存在关闭速度较慢，还有经常关不到位的现象，需要工艺人员去现场通过调节阀的手轮进行关闭；而调节阀的电气转换器与电磁阀采用串联配置也存在一定的安全风险，一旦联锁电磁阀或电气转换器中的任何一个环节出现故障，调节阀就会失控而引发生产事故；而且，电磁阀的功耗大，易出现线圈发热烧损，从而造成调节阀关闭引起系统停车事故。为此，公司决定组织技术力量对其控制方案和联锁保护系统进行优化改造，以确保生产的安全稳定进行。

第二套尿素装置系统的入尿素合成塔CO2调节阀位号为HV9201，在生产使用中要求正常生产时该阀处于全开位置，当系统停车或系统超压联锁急停时要求该阀立即处于关闭状态，以保证合成塔内的物料不产生回流，避免合成塔内尿液堵塞管线。也就是说该调节阀只要求有全开和全闭两个位置即可，将其作为两位阀使用。

HV9201调节阀原设计采用一台电气转换器串联一个超压联锁保护用的电磁阀实现其控制目的，如图1所示。实际控制过程为：当HV9201调节阀需要打开时，DCS输出20mA电流信号使电气转换器输出气源信号，经过联锁电磁阀的内部气路1至气路2进入调节阀的气缸使调节阀打开；需要调节阀关闭时，DCS输出4mA电流信号使电气转换器停止输出气源信号，执行机构膜头内的压缩空气经过电磁阀的气路3放空，使调节阀关闭。但是，一旦系统超压而联锁保护电磁阀失电，则联锁电磁阀气路1至气路2断开、气路2至气路3接通，直接切断电气转换器输出的气源信号，并将调节阀执行机构膜头内的压缩空气放空，让调节阀关闭。需要注意的是：联锁电磁阀的工作方式为，当电磁阀不带电时，电磁阀的气路2至气路3导通，气路1至气路2断开；当电磁阀带电时，气路2至气路3断开，气路1至气路2导通。

图1 原HV9201调节阀控制原理

但是在运行过程中，发现该设计存在3个问题：一是该调节阀执行机构的膜头容积较大，在生产中当调节阀需要关闭时需要通过电气转换器向外排气，其关闭速度较慢，常常有关不到位的现象，工艺人员经常要到现场通过调节阀的手轮进行关闭；二是调节阀的电气转换器与电磁阀采用串联配置也存在一定的安全风险，一旦联锁电磁阀或电气转换器中的任何一个环节出现故障，调节阀就会失控而引发造成生产事故；三是联锁电磁阀线圈供电电压为220V(AC)，其功耗大，线圈发热，生产装置正常运行时电磁阀长期带电，调节阀全开，易出现线圈发热烧损，从而造成调节阀关闭引起系统停车事故。

2 优化

在原控制回路中HV9201调节阀只需要全开和全关两位式调节，因此决定仅使用电磁阀直接控制调节阀的开关，因为电磁阀的气源流通能力相对电气转换器较好，能够较好地实现HV9201调节阀的快开和快关。为此，将原控制回路中的电气转换器去掉，同时为了弥补一个电磁阀控制存在的不可靠和不安全性，故采用了两个相同的电磁阀进行双投供气(图2)。改造方案中选用的是ASCO先导式电磁阀，该阀线圈的供电电压为24V(DC)，功耗低、发热量小，允许长期带电工作，同时对DCS控制系统编程组态时，将两个DO通道输出分布在不同的两个DO卡件上，以确保其中的一个电磁阀或DO输出通道发生故障时，另外一个电磁阀能够保证对HV9201调节阀控制的正常实现。

图2 改造后的HV9201调节阀控制原理

控制原理说明：电磁阀A和电磁阀B在不带电的状态下，气路1至气路2断开，气路2至气路3导通；得电时气路1至气路2导通，气路2至3气路断开。当调节阀需要打开时，电磁阀A和电磁阀B同时得电，这时电磁阀A的压缩空气从气路1至气路2进入调节阀气缸，使阀门打开，电磁阀B的气路1至气路2虽然也导通，但是电磁阀A的气路2至气路3是断开的，所以电磁阀B的压缩空气并不能进入调节阀的气缸；当调节阀需要关闭时，电磁阀A和电磁阀B失电，电磁阀A和电磁阀B的气路1至气路2断开，气路2至气路3导通，调节阀气缸内的压缩空气通过电磁阀A的气路2至气路3进入电磁阀B的气路2至气路3快速放空，使调节阀快速关闭。

调节阀需要打开或者保持打开时，电磁阀A和电磁阀B同时得电，如果电磁阀A失电或者出现得电拒动故障时，电磁阀A的气路1至气路2断开、气路2至气路3是导通的，这时电磁阀B得电，气路1至气路2导通，通过电磁阀A的气路3至气路2进入调节阀的气缸，使调节阀打开或者保持打开状态；如果电磁阀B失电或者出现得电拒动故障时，电磁阀B的气路1至气路2断开，气路2至气路3是导通的，这时电磁阀A得电气路1至气路2导通，使调节阀打开。当需要关闭时，电磁阀A的气路2至气路3导通，通过电磁阀B的气路2至气路3放空，调节阀可以快速关闭。

根据电磁阀的工作原理，电磁阀不带电时，电磁阀内的弹簧将使电磁阀的阀芯复位(属机械复位)，因此电磁阀不带电时，气路1至气路2不断开、气路2至气路3不导通的情况很少出现。所以调节阀需要关闭或者保持关闭时，电磁阀A和电磁阀B故障导致调节阀关闭不了的现象基本可以排除。

除此之外，在保证满足工艺生产对HV9201调节阀开关的需求外，将超压联锁保护程序在DCS内部也进行了编程组态，将超压联锁保护动作指令与HV9201阀门开关指令串联，只有系统没有超压的情况下，该调节阀的控制作用才能输出，一旦系统出现超压则DCS组态的超压联锁保护指令动作执行，使电磁阀A和电磁阀B同时断电，关闭调节阀HV9201。而且这些指令的动作全部使用的是DCS内部的软指令实现，减少了外围继电器等硬件的使用，有效降低了设备故障对HV9201调节阀控制带来的影响。

确定了优化方案后，利用第二套合成氨尿素系统短停的机会，实施了HV9201调节阀的控制回路的优化方案，经过反复调校试验，确认安全可靠后，在尿素系统开车时正常投运。经过近半年的现场运行，证实控制方案进行改造后的HV9201调节阀动作准确可靠，圆满实现了改造目标。

3 结束语

经过上述优化改造后，既满足了工艺对HV9201调节阀的控制要求，也比较合理安全地消除了过去存在的种种安全隐患，而且改造中所选用的ASCO两位三通电磁阀的阀体本身具有手动旋钮控制，可以很方便地在现场直接控制电磁阀气路的切换，一旦两个电磁阀同时出现故障，操

作人员可以直接旋转电磁阀手动旋钮就可以控制调节阀的打开，省时又省力。

该创新优化方案只需要将DCS系统中HV9201控制回路输出的电气转换器的4～20mA的AO(模拟输出)信号组态成两路同时控制电磁阀A/B动作的DO(数字输出)信号，将原来的超压联锁控制指令与调节阀的开关控制指令串联便可以实现。仅在原来的控制回路的基础上去掉一个电气转换器同时增加一个电磁阀，将原电气转换器的控制电缆连接到新增的电磁阀上即可，无需投入太多经费就可以实现对原有的控制方式的优化。此种改造方案也完全可以运用到其他生产系统重要的调节回路当中，以保证重要仪表设备的可靠稳定运行。