气动三通球阀在连续化结晶工艺改造上的应用

    某连续化结晶装置，原设计是每台结晶器采用两台气动开关球阀控制其内部物料的采出和回流。装置在自动状态下运行时，两台阀会根据结晶器内液位变化交替开关。但是该流程有两个不足之处：一是当某个阀关闭时间过长时，低温物料会在该阀前管道内结晶，引起局部堵塞；二是任意一台结晶器因故障需检修时，必须将整个装置停车，造成设备利用率降低。为此，笔者对其进行了技术改造，用一台三通阀代替原来的两台球阀，并重新设计了控制方案，实际运行后取得了预期的效果。

    1 流程简介

    改造后的连续化结晶工艺流程如图1所示。从图中可以看出，物料首先通过进料泵（输送泵）从原料槽打入结晶器A内进行冷却降温；降温后的物料，通过翻料泵再从结晶器A翻到结晶器B内，进一步冷却降温；依此类推，物料一直翻到结晶器F内继续冷却降温；最后结晶器F内含有晶体的物料，再用翻料泵送到离心分离工序进行离心、烘干和包装，得到合格产品。

图1 改造后的连续化结晶工艺控制流程

    每一台结晶器用三通阀控制液位：当结晶器内液位高于高设定值时，通过DCS控制阀门自动将物料翻到下一级结晶器；当结晶器内液位低于低设定值时，通过DCS控制阀门自动回流循环。每一台结晶器都通过调节阀控制冷却水量保证冷却温度。

    当任意一台结晶器需要检修时，操作员只需在手动状态下按如图2所示的检修按钮，同时将现场的手动旁路阀打开，将手动进料阀和手动回流阀关闭即可。此时物料将经阀门直接从上一级结晶器进到下一级结晶器，将其从系统中解列出来以便检修。

图2 操作员操作界面

    2 气动三通球阀组成和工作原理

    气动三通球阀由电磁阀、三位式气动执行器和三通阀阀体组成，各部分的原理和功能分别叙述如下。

    2.1 电磁阀结构原理

    无论是两位式还是三位式气动执行器，都需要用电磁阀来控制气路切换，实现阀门开关动作。

    对于单电控线圈得电后电磁阀换向，失电后在阀内弹簧的作用下电磁阀复位。电磁阀和执行器气缸之间可采用8～12mm铜管（塑料管）连接或NAMUR方式连接。

    电磁阀按内部结构不同可分为两位三通和两位五通两种。两位三通工作方式下的电磁阀包括一个进气孔（接进气气源）、一个出气孔（提供给气缸气源）和一个排气孔（安装消声器），它通常和单作用气缸配套使用，实现对阀门启闭的两位式控制；两位五通工作方式下的电磁阀具有一个进气孔（接进气气源）、一个正动作出气孔和一个反动作出气孔（分别为气缸提供一正一反动作的气源）、一个正动作排气孔和一个反动作排气孔（均安装消声器），它通常和双作用气缸配合使用，实现对阀门启闭的两位式控制。电磁阀线圈电压等级一般采用24V（DC）、220V（AC）等，并有防爆与非防爆之分。

    2.2 三位式气动执行器结构原理

    三位式气动执行机构提供了一种0°－45°－90°或0°－90°－180°的操作方式。中间位置是由两个辅助活塞移动产生机械制动来实现的，这个中间位置可根据需要进行调整。因三位式气动执行机构有全关、中间和全开3个位置，故需要两个两位五通电磁阀或3个两位三通电磁阀来控制气源切换，实现旋转动作。具体操作过程、三位式气缸的位置示意和电磁阀的动作次序见表1。

表1 三位式气动执行器结构原理

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    3 三通球阀结构原理

    三通球阀是指有三通口的球阀，它用于控制介质的流向以实现一进一出、一进二出（分流）及二进一出（合流）等，其中任一通口都可用作介质的入口而无泄漏。根据应用场合不同，其内部球体可制成L形和T形两种通口。因三通阀内部球体形式的差异，使得阀门3个口之间的连通有多种组合，可以满足各种工况对介质不同流向的控制要求。

    由于本装置中使用的三通阀需要3个两两相通的流路，因此选用T形通口的阀（各通口间的流通通路如图3所示）配三位式气动执行机构。

图3 三通阀流通通路示意图

    对于电磁阀形式和数量各生产厂家会根据自己生产的三位式气动执行机构的特点进行选择。

    当选两个24V直流防爆型两位五通电磁阀来控制时，电磁阀A负责开关，其输出口2、4分别接主气缸的口2、4；电磁阀B负责限位，其输出口2、4分别接辅助气缸的口C、D。选3个24V直流防爆型两位三通电磁阀来控制时，电磁阀A负责开，其输出口2接主气缸的口2；电磁阀B负责关，其输出口2接主气缸的口4；电磁阀C负责限位，其输出口2接辅助气缸的口D。

    4 ECS-100型DCS控制系统图形化组态

    该装置用浙大中控WebFieldECS-100型DCS控制系统进行控制，控制方案采用系统自带的图形化组态软件编写。为了简化程序设计，笔者根据电磁阀、三位式气动执行器和三通阀门各自的动作要求、次序，预先规定了三者之间对应的逻辑关系，具体见表2。为了实现表2中的逻辑关系，先利用图形化组态软件的内部模块编写出液位转换模块和阀门操作模块两个自定义子模块，供随后的主程序调用。

表2 逻辑关系

    液位转换模块的功能是将现场液位计测得的结晶器实际液位与操作员设定的高、低液位值进行比较。当实际液位高于高设定值时，阀门工作在采出模式，输出1或2；当实际液位低于低设定值时，阀门工作在回流模式，输出0；当实际液位在高、低设定值之间时，阀门保持原有输出状态。该模块中各参数说明见表3，图形化组态如图4所示。

表3 液位转换模块中的参数说明

图4 液位转换模块图形化组态

    阀门操作模块的功能是在自动状态下，其根据液位转换模块的输出值控制电磁阀A、B的通断；手动状态下，根据人工设定值控制电磁阀A、B的通断，最终使现场三通阀动作完成控制要求。该模块中各参数说明见表4，图形化组态如图5所示。    

表4 阀门操作模块中的参数说明

图5 阀门操作模块图形化组态

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    在图形化组态软件中，调用上述两个自定义模块和内部选择模块编写连续化结晶液位控制主程序。完整的连续化结晶液位控制图形化组态如图6所示。

图6 连续化结晶液位控制图形化组态

    5 结束语

    通过实际应用可以发现，三通阀进料口不同时，回流、采出和检修对应的流通通路与相应的液位转换模块输出有所不同，因此作为仪控设计人员应灵活掌握并加以运用。作为负责日常维护的仪表工，也需了解电磁阀、三位式气动执行器和三通阀门的逻辑关系及动作原理，以提高对阀门故障的判断和处理能力，保证装置安全、稳定地运行。