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      石油石化行業控制閥的發展趨勢

      日期:2020-05-18 11:43:45     瀏覽次數:

      石油石化行業控制閥的發展趨勢
       國內石油石化企業朝著大型化、一體化、智能化和清潔化等方向發展的同時,要求控制系統從工廠生產操作、管理、維護的角度出發,具有開放性、高可靠性、互操作性和易維護性。智能化的要求使石油石化企業加大了自動化控制設備的投入,生產過程控制需要大量控制閥及其預測性維護,以實現過程強化、功能安全和能效管理。
         控制閥(亦稱調節閥)作為控制回路的終端執行元件凸顯重要,同時也是長期以來技術比較薄弱的短板。存在的主要問題:品種多、規格多、參數多,不便于選型、安裝、維護、管理;維持性能差、可靠性差、耐用性差,不適應過程控制要求;技術研發緩慢,難以應對苛刻工況應用以及特種需求;體積大、噪聲大、耗能大,不符合環保和能源戰略等。
         近年來,國內石油石化工業高速發展,總體規模不斷擴大,進一步優化產業布局,提高“長三角”、“珠三角”、環渤海地區和中西部城市群的產業聚集度,已形成了多個石化集聚產業區和上海漕涇、南京揚子、廣東惠州等具有國際水平的大型石化基地!笆濉逼陂g,還將建成更多世界級規模的煉油—乙烯—芳烴上下游一體化的產業基地。同時,新型煤化工適度發展,合理布局建設大型的二甲醚、煤制油、甲醇制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇等裝置。因此,控制閥需求量大幅增長,尤其是氣動蝶閥,氣動球閥等在防爆行業領域的應用較為廣泛,每套千萬噸級煉油裝置需1500多臺、每套百萬噸級乙烯裝置需5 300多臺,其中苛刻工況應用約占25%,包括大口徑、高壓力等級、特殊結構的控制閥。
         需求牽引,技術推動?刂崎y制造業隨過程控制的快速發展而發展,也使控制閥市場整體業務得以保持穩定和高速增長趨勢,同時國際、國內競爭加劇,控制閥生產商紛紛組合品牌、整合技術優勢,為滿足石油石化工業不斷增長的應用需求,引入先進制造技術,研發應用于高溫、高壓差、多相流、顆粒沖刷和磨損等苛刻工況以及大口徑的控制閥產品和大推力、大扭矩的執行機構,旨在推出具有控制閥預測性維護的數字解決方案,完善從設計選型定制到調試檢維修的全過程技術服務?刂崎y國際知名品牌大量進入中國,如Emerson-Fisher,GE Enregy-Masoneilan,KOSO,Samson,Abzil,Flowserve,Tyco,Metso,CCI,ARCA等。這些全球控制閥主要生產商在中國牢牢占據著高端市場并收攬了大部分中間層次,不斷建立獨資或合資工廠,實施本土戰略。同時,這些國外品牌帶來了先進的控制閥技術和多樣化的產品以及技術比較、借鑒的機會。國內現有300多家控制閥生產商,大多數從事仿制基型產品和簡單加工,在石油石化行業的控制閥低端市場進行低價格無序競爭。相比之下,吳忠儀表、上儀七廠、重慶川儀調節閥有限公司、無錫智能、大連亨利、重慶南坪、蘇州紐威、中核蘇閥等廠商能夠引進先進技術與創新,在競爭中也有逐年向上的良好表現,技術層面實現了部分突破,推出應用于石油石化和煤化工的大口徑、高壓差、耐沖刷磨蝕的控制閥產品。在新建的大型石油石化裝置中應用國產控制閥的比例顯著提升,在2012年10月投產的儀征化纖股份有限公司新建聚酯裝置上的控制閥都選用了國產的無錫智能控制閥,包括主流程中關鍵的帶熱夾套的熔體特種控制閥。
         1 控制閥標準化
         工業發展歷程證明:發展產業,必須要有相應的標準化作為支撐條件。標準先行,控制閥制造業亦不例外。標準用來衡量產品質量、實現不同廠商間協調和信息交換,在確定技術體制、促進技術融合、加強科學管理、提高產品質量等方面發揮重要作用,并日趨國際化。
         國際上的控制閥標準化工作由IEC組織第65技術委員會(TC65)負責,名為“工業過程測量和控制”,任務是制定工業過程測量和控制系統與系統元件的國際標準,協調影響測量和控制系統匹配的有關標準化工作。TC65下屬的SC65B小組“系統的元件”中的第9工作組(WG9)負責工業過程控制閥的標準制定工作,任務是為工業過程控制用的各種控制閥閥體組件、執行機構和定位器制定基本要求、端面距和相關尺寸、額定壓力、泄漏和其他性能要求、尺寸計算方法和評定方法方面的標準。
         1997年IEC將所有標準改為60000系列,工業過程控制閥的標準序號為IEC60534,該族現行標準已有9個部分17個標準,其中第9部分是適應控制閥制造的最新發展,專用于多級降壓、級間壓力恢復的多級閥芯類型的噪聲預估;2010年以后更新了其中2-1流量計算、8-2和8-3噪聲預估標準。國際上的控制閥生產商都已接受上述IEC標準,在設計、制造、計算中采用基本統一的流量公式、阻塞流公式以及噪聲預估方法,控制閥公稱通徑、公稱壓力、泄漏等級、端間距等均按IEC標準執行,閥門定位器等附件與控制閥的連接基本上符合標準,可實現通用性、互換性。模擬型和智能型閥門定位器分別有IEC61514和IEC61514-2標準。中國石油石化行業的標準化工作開展比較早,但在控制閥設計上習慣采用美國ANSI/ISA標準及API標準,而實際上美標的控制閥流量計算、阻塞流公式、泄漏等級和試驗都已符合或等效IEC相關控制閥標準。
         中國于2001年開始全面采用國際標準,對于工業過程控制閥標準先是等效采用了IEC 60534的1,5,7,8-1,共計4個標準,標準號是GB/T17213。后來又等同采用了IEC60534的13個標準,使GB/T17213現行標準達到17個,其中有的版本有待更新或撤銷。另用于閥門定位器的等同IEC61514和IEC61514-2的GB/T22137.1—2008和GB/T22137.2—2008,還有GB/T4213—2008《氣動調節閥》。中國石化行業標準SH3005—1999《石油化工自動化儀表選型設計規范》也對控制閥的設計做了規范要求。另一方面,國內控制閥制造廠商在生產中采納標準的很有限,因而符合控制閥標準的產品不多。盡管如此,近年來中國工業過程控制閥的標準化工作還是有了實質性的進展,進步很大,等同和等效IEC 60534標準有利于中國控制閥的產品研發、提高技術含量和市場拓展。
         2 控制閥先進制造技術
         控制閥制造涉及產品設計、材料選擇、生產計劃、生產過程、質量保證、市場營銷和技術服務的一系列工作?刂崎y歷史可追溯到1880年,相當長時間內的制造技術和裝備器具很落后,蹣跚在機械加工與裝配過程的狹義制造中。近年來,隨著工業技術大環境改變,先進制造技術迫切希望進入控制閥制造領域。多數廠商都在運用先進制造工藝,投用生產執行系統和數控機床實現加工自動化,采用壓鑄、全模等高效精密成型技術、高精度磨床的高效高精度加工工藝、表面改性和涂層的特種加工及材料改性技術,生產出精良、可用、可靠的高質量產品———從微小流量控制閥到超大通徑控制閥;從傳統單座閥型到偏心旋轉閥型、V型球閥、軸流閥;從防喘振、抗空化氣蝕、耐磨蝕控制閥到高溫高壓特種控制閥、專用控制閥;從大推力的氣動執行機構到快速響應的電動執行機構;從保證過程安全的緊密關閉到保證環境的超低泄漏等?刂崎y與石油石化過程控制的發展同步進行,形成了全過程、大范圍、高參數的產品,基本滿足了石油石化生產的控制要求。
         在先進設計技術方面,計算機輔助數字化設計和快速設計技術改變了控制閥設計落后的局面。模塊化設計及產品已由Emerson-Fisher(GX型),Samson(240/250/290系列),ARCA(08C系列)等領軍廠商推出多年。面對產品整體,這些模塊化設計的控制閥體現在產品系統的標準化、組合化,結構合理,部件優化。以控制閥兩大組成部分(執行機構和閥)及附件為出發點進行功能分析,劃分出功能模塊,并使有限多的模塊實現功能最優化、通用化。
         控制閥綠色設計也初步展開,通過金屬波紋管或膜片密封實現閥桿環徑零泄漏或設計特殊結構填料以滿足環保要求,或從產品自身全生命周期的綠色考慮以滿足要求。
         3 智能控制閥應用
         控制閥是控制回路的終端執行元件,接受控制指令并由閥門定位器自身閉合回路實現閥位的反饋控制。閥門定位器作為控制閥的重要附件,長期采用機械式的模擬技術,結構復雜、功能單一且故障率高,也使控制閥整體性能降低,通常不能實現有效控制。
         石油石化裝置在控制系統及測量儀表領域率先實現數字化、智能化后,控制閥成為控制回路中的薄弱環節,嚴重制約了過程控制的發展。近年來,以智能電氣閥門定位器為核心的控制閥數字解決方案,極大地提高了控制閥的使用性能,使之發生了質的飛躍,進而成為工業現場的智能控制閥設備。
         智能閥門定位器是新一代高性能的電氣閥門定位器,采用在板微處理器、應用軟件和功能模塊,可實現定位功能的自校準、自適應、閥位控制和控制閥的在線自診斷及離線測試,本機顯示或附加更多功能,數字通信和集成到控制系統/資產管理系統,還具有免維護運行特征。
         控制閥制造廠商在研發智能電氣閥門定位器時,主要是為該公司的控制閥產品配套,也考慮到遵從相關的閥門定位器與控制閥連接的IEC60534-6-1/60534-6-2標準或行業標準,使不同廠商的閥門定位器與控制閥/執行機構之間組合連接成為可能;而在設計上都是基于定位功能的自校準、自適應、閥位控制和執行機構性能的自診斷功能及免維護運行,并支持HART通信/無線通信和Profibus-PA,FF和集成各種工程工具軟件,且不斷融入新的功能。
         石油石化裝置過程控制中選用的智能電氣閥門定位器絕大多數出自少數國外知名品牌:Emerson-Fisher的DVC6000,DVC6200,DVC2000系列;Siemens的SIPART PS2系列;Samson的3730/3731系列;GEEnregy-Masoneilan的SVIII/SVIIIAP;ABB(H&B)的TZID-C;Abzil(Yamatake)的SVP3000;Metso-Neles的ND9000等。國內相關產品剛剛起步,吳忠、溫州、南京、重慶等地已有相應產品推出,但技術差距較大,尤其是在電氣轉換及氣動部件上。
         4 控制閥預測性維護
         預測性維護注重動態管理和監測以及設備良好運行的可持續性。發展控制閥預測性維護,實現執行機構自校準、自適應、狀態監測、在線動態特性分析和設備故障診斷,在控制閥還沒有產生故障前通過計算機輔助故障識別和診斷技術以及廣義專家系統對狀態參數預測可能出現的情況和預期的時間,通過預測控制閥設備的功能安全和時間依存性來進行維護。
         石油石化超大裝置的管控一體化及資產管理系統促進了控制閥預測性維護的技術發展。隨著智能電氣閥門定位器的深入研發,所需的狀態監測和診斷功能逐漸轉移到控制閥本機設備上的診斷體系。利用智能電氣閥門定位器自帶閥位(行程)、輸出、氣源等參量傳感器直接進行狀態監測,以故障識別、邏輯思維推理、魯棒性的廣義專家系統進行在線預測性維護,提升并維持了性能,減少了運行故障和提高了使用壽命,對石油石化裝置有顯著的經濟效益。
         全球控制閥主要生產商也是推行控制閥預測性維護的先行者,不斷升級智能電氣閥門定位器及完善預測性維護診斷軟件。Emerson-Fisher有DVC6000/6200/2000系列和AMSValveLink診斷軟件,Samson有3730/3731系列和EXPERTPlus診斷軟件,GEEnregy-Masoneilan有SVIII/SVIIIAP和Valvue診斷軟件,Foxboro有SRD960/991和VALcareTM診斷軟件,Azbil有SVP3000alphaplus和Valstaff診斷軟件等。
         5 控制閥空化及損害的評估與預防
         控制閥苛刻工況應用是石油石化過程控制重點關注的技術問題,控制閥液體流體應用時發生的空化會對閥內件和閥體及閥后管件造成很大破壞,嚴重影響控制閥的工作性能和使用壽命,會加劇噪聲、振動,構成安全隱患?栈皳p害的評估長期止步不前,抗空化氣蝕方案多限于計算復雜、加工難度大、應用局限大的迷宮式閥內件。
         基于經驗指數的西格瑪方法難以指導普遍性問題。近年來,在對控制閥液體流體應用時發生的空化及損害的評估和防治上有了技術突破。根據實時測試閥門空化氣蝕程度的方法研究,通過聲壓級測試和材料測試建立相關性,獲得更精確的信息,取得了開拓性進展。IEC組織據此發布了IEC60534-8-4:2005年第2版,在液體流體噪聲預估中提出XF壓差比方法,可由理論公式計算出接近實測值的初始空化特性壓力比XFZ、微噴射流參數以及空化噪聲功率等。2007年發布了具有抗空化氣蝕功效的多級降壓級間壓力恢復控制閥的IEC60534-9標準,2010年以后又更新了IEC60534-8-2和IEC 60534-8-3噪聲預估標準,能夠指導控制閥廠家有效評估控制閥的空化及損害,進而基本掌握各種閥型不同通徑、不同流量系數下的初始空化和初始空化損害的相關數據,結合阻塞流計算與測試、噪聲預估與測試,保證控制閥適用于苛刻工況。GEEnregy-Masoneilan,CCI和Emerson-Fisher及Samson繼續在控制閥苛刻工況應用、抗控制閥空化及損害、超高壓差工況應用、多級閥設計計算和制造方面居行業領先地位。
         6 石油石化控制閥技術發展趨勢
         石油石化自動化控制在信息數字化、控制智能化、通信網絡化、系統集成化技術支持下,趨于實現高可靠性、高性能和高適用性,在應用上呈現滿足不同對象的個性化總體解決方案,結合企業經營管理的管控一體化系統,提高經濟效益的能效管理。在此基礎上對石油石化控制閥市場產生大的需求以及技術拉動,使控制閥制造業跟隨發展,在標準化、模塊化、網絡化,高集成、高性能、高智能方面,低成本地全面滿足石油石化過程控制需求。
         6.1 標準化、模塊化及網絡化
         尋求、完善和執行統一的控制閥標準,使不同廠商生產的控制閥能夠實現互換性、互操作性和高適用性。整合計算選型程序,采用標準化軟件,從分散的不通用的各自計算狀態發展到根據過程數據和指定功能、性能和成本就能夠正確計算選型,確定所需的閥型、流路、流量系數、通徑和管路配合、適合的閥體閥內件型式和材質、針對性的密封型式等。建立標準化的軟件平臺,使用標準化的計算機輔助故障識別和專家診斷軟件,使不同制造商的控制閥可進行性能監測和故障診斷。標準化實現了控制閥的低成本和可維修性。
         從產品的集中設計到模塊化分散設計是一種創新,模塊化設計遵守從系統結構入手,將整個控制閥系列產品按照功能切分成有限多的通用模塊(不變部分)和專用模塊(變化部分),分散的相對獨立的模塊遵守共同的明確規則,以保證這些模塊能夠組合成一個完整的系統,并能夠隨時加入新的模塊增加系統功能。各模塊獨立開發并要求具有更多更好的性能,優化設計并盡可能多地在不同口徑的閥門中采用相同的零部件,基于大部分部件確定使用通用模塊、少部分按用戶技術條件選擇專用模塊,縮短了產品生產周期,能夠快速響應市場,組合成滿足需求的控制閥產品。模塊化設計的控制閥將以其開放式架構、全新的系統結構、優化的模塊部件、簡便的計算與選型、高安全性和可靠性以及產品緊湊堅固、號型齊全多樣、部件通用可換、易于維護檢修,帶來控制閥整體功能和性能的明顯提升,也使其在應用、生產、維修、管理方面大為簡化。
         網絡技術推動了傳統工業結構的變革,將現場總線、以太網、多種工業控制網絡互聯、嵌入式技術和無線通信技術融合,在保證系統原有的穩定性、實時性等要求的同時,增強了系統的開放性和互操作性,提高了系統對不同環境的適應性。網絡化支持控制閥技術,建立虛擬制造和虛擬設備(儀表),形成快速反應和高效集成,產生整體經濟效益。數字化的控制閥成為現場智能設備,支持現場總線協議并融入管控一體化網絡,在網絡化下更好地協同工作、有效控制、在線診斷和便捷維護,實現了全局信息和全生命周期信息的整合。
         6.2 高集成、高性能及高智能
         高集成基于信息化,包括企業資源的集成化研發管理和產品制造、開放性技術和標準化的產品。利用先進制造技術進行控制閥產品集成化,運用制造執行系統(MES)和企業資源計劃系統(ERP)。注重信息集成、有效利用與整合、提升制造智能、優化系統和控制閥產品,使控制閥生產商有效管理全生命周期和提供優質有效、低成本、綠色產品?刂崎y本身的高集成也使產品功能多樣化、復雜化,單臺控制閥就具有應對石油石化生產多種控制要求的能力。
         開發控制閥的高性能處理能力、苛刻工況應用能力,加強基型產品的技術開發創新,徹底擺脫產品單一技術特征,在控制流體量的簡單執行功能和工作可靠的同時,具備本機顯示、組態、檢測、控制、運算、診斷、通信以及安全、綠色等功能和兼容性,實現按需求控制、個性化解決方案。要重視對石油石化裝置工藝參數和過程特征的了解,從功能安全和適用角度注重產品設計細節、制造質量和配套能力,開發高性能的石油石化特種控制閥。
         控制閥利用人工智能技術、計算機技術、嵌入式數字解決方案實現智能化,更多表現在控制閥自適應、自校準、自診斷和遠程通信上,更好體現在實現強化性能和分散風險,提高可用性和可靠性上。綜合神經網絡、模糊邏輯、廣義專家系統的計算機故障識別與性能診斷,是推動氣動蝶閥,氣動球閥等控制閥智能化的主要因素,智能電氣閥門定位器應用到控制閥和電動執行機構智能一體化設計以及智能控制閥預測性維護是未來發展主流。
         7 結束語
         控制閥實現過程強化、功能安全和能效管理的技術要求,推動了控制閥行業按照高可靠性、高性能和高適用性進行研發創新,滿足了石油石化工業日益需求的過程控制?刂崎y制造從“以產品為導向”轉向“以市場為導向”,提供了響應用戶的個性化總體解決方案和控制閥產品全生命周期的技術服務。

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