Van điều khiển khí nén: Cấu trúc, nguyên lý hoạt động và hướng dẫn vận hành thực tế

Những điều bạn sẽ học được

1. Cấu tạo van điều khiển khí nén: Giải thích 13 thành phần

Van điều khiển khí nén không chỉ đơn thuần là một cái van — nó là một hệ thống cơ điện chính xác. Hiểu rõ từng thành phần là nền tảng của việc lựa chọn, vận hành và khắc phục sự cố đúng cách.

1.1 Bộ truyền động màng khí nén

Cái bộ nguồn của hệ thống. Bên trong vỏ bộ truyền động:

• Cơ hoành (màng): Nó chuyển đổi áp suất không khí thành lực cơ học. Khi không khí nén đi vào buồng màng ngăn, màng ngăn mềm sẽ đẩy xuống.
• Mùa xuân: Nó tạo ra lực đối trọng giúp van trở lại vị trí an toàn khi nguồn cung cấp khí bị mất.
• Cần đẩy (trục): Truyền chuyển động tuyến tính của màng ngăn đến nút van bên trong thân van.

1.2 Bộ định vị van thông minh

Cái não của vòng điều khiển. Bộ định vị:

• Nhận tín hiệu điều khiển 4-20mA từ hệ thống DCS hoặc PLC.
• So sánh điểm đặt (tín hiệu) với phản hồi vị trí van thực tế.
• Tạo ra áp suất khí nén chính xác (thường là 0,02-0,1 MPa hoặc 3-15 psi) truyền đến màng chắn của bộ truyền động.
• Liên tục điều chỉnh cho đến khi van đạt và giữ ở vị trí được yêu cầu.

Các thiết bị định vị thông minh hiện đại như... Fisher DVC6200 hoặc Siemens PS2 Bổ sung khả năng giao tiếp HART, chẩn đoán van và kiểm tra hành trình van một phần.

1.3 Bộ điều chỉnh lọc gió

Cái đơn vị chuẩn bị không khí điều chỉnh nguồn cung cấp khí nén cho thiết bị:

• Lọc các hạt bụi và hơi ẩm từ khí nén.
• Điều chỉnh áp suất đầu ra đến một điểm đặt ổn định (thường là 0,3-0,7 MPa / 45-100 psi)
• Bao gồm đồng hồ đo áp suất để theo dõi trực quan.

1.4 Cổng xả

Lỗ thông hơi cho phép không khí thoát ra khỏi buồng màng ngăn khi bộ định vị giảm áp suất. Lỗ thoát khí bị tắc sẽ gây ra hiện tượng phản hồi van chậm hoặc đóng không hoàn toàn.

1.5 Giá đỡ

Cấu trúc cầu nối giữa bộ truyền động và thân van phải đủ cứng vững để ngăn ngừa sự lệch trục do rung động gây ra.

1.6 Chỉ báo vị trí (Thang đo)

Thang đo cơ học hoặc điện tử hiển thị độ mở van theo thời gian thực từ 0% (đóng hoàn toàn) đến 100% (mở hoàn toàn). Cần thiết cho việc kiểm tra thực địa trong quá trình vận hành thử và khắc phục sự cố.

1.7 Van Thân Van

Trục chuyển động tuyến tính truyền lực từ bộ truyền động đến nút van. Phải thẳng, nhẵn và được căn chỉnh đúng cách. Bất kỳ vết xước hoặc cong vênh nào đều gây rò rỉ và kẹt gioăng.

1.8 Vòng đệm + Nắp + Gioăng

Cái hệ thống niêm phong giúp ngăn chất lỏng trong quá trình thoát ra dọc theo thân van:

• Đóng gói: Vật liệu dẻo (PTFE, than chì hoặc sợi bện) được nén chặt quanh thân cây.
• Ca bô: Phần thân van phía trên chứa gioăng và dẫn hướng trục van.
• Tuyến (bộ phận đóng gói theo sau): Tạo lực nén lên gioăng bằng các bu lông. Siết quá chặt sẽ làm tăng ma sát và gây kẹt; siết chưa đủ chặt sẽ gây rò rỉ.

1.9 Thân van

Cái ranh giới áp suất Chứa chất lỏng cần xử lý. Được kết nối với đường ống thông qua mặt bích, ren hoặc mối hàn. Vật liệu thân (thép carbon, thép không gỉ, hợp kim) phải phù hợp với điều kiện của quy trình.

1.10 Nút bịt yên đơn + Vòng yên

Cái các phần tử điều tiết những thứ điều chỉnh dòng chảy:

• Phích cắm (đĩa): Di chuyển theo chiều dọc để thay đổi diện tích dòng chảy giữa nút và đế van.
• Vòng yên xe: Lỗ cố định mà nút bịt khớp vào. Khe hở giữa nút bịt và đế van khi đóng hoàn toàn xác định cấp độ đóng kín (ANSI cấp I đến VI).

Hình dạng nút van xác định đặc tính lưu lượng của van và phải phù hợp với các yêu cầu điều khiển quy trình:

• Tỷ lệ phần trăm bằng nhau: Lưu lượng thay đổi tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy tại bất kỳ điểm nào. Lý tưởng cho việc điều khiển áp suất và lưu lượng khi cần điều chỉnh lưu lượng lớn.
• Tuyến tính: Lưu lượng thay đổi tỷ lệ thuận với hành trình của trục. Được sử dụng để điều khiển mức chất lỏng và điều khiển nhiệt độ khi hệ số khuếch đại của quá trình là không đổi.
• Mở nhanh: Lưu lượng tối đa đạt được ở lỗ nhỏ. Được sử dụng cho các ứng dụng bật/tắt và các ứng dụng yêu cầu phản hồi nhanh.

1.11 Van điện từ (Tùy chọn)

MỘT thiết bị chuyển mạch điện-khí nén Được lắp đặt trong đường ống dẫn khí giữa bộ định vị và bộ truyền động. Khi không được cấp điện, nó sẽ xả khí của bộ truyền động ra khí quyển, khiến van di chuyển đến vị trí an toàn. Khi được cấp điện, nó cho phép điều khiển bộ định vị bình thường. Cần thiết cho các hệ thống tắt khẩn cấp (ESD) và các chức năng an toàn được trang bị (SIF).

1.12 Van tăng âm lượng / điều chỉnh tốc độ

A rơ le khí nén Điều này làm tăng lưu lượng khí đến bộ truyền động, cải thiện tốc độ hành trình cho các bộ truyền động lớn. Van điều khiển tốc độ (van kim) hạn chế lưu lượng khí thải để làm giảm chuyển động của van và ngăn ngừa hiện tượng búa nước hoặc sự cố trong quá trình vận hành.

1.13 Áo khoác giữ nhiệt (Khí hậu lạnh)

MỘT hệ thống gia nhiệt bằng điện hoặc hơi nước Được quấn quanh thân van và nắp van. Ngăn chất lỏng trong quá trình đóng băng trong khoang van, điều này sẽ làm tắc nghẽn chuyển động và có thể gây vỡ thân van. Cần thiết cho các lắp đặt ngoài trời trong môi trường dưới 0 độ C.

2. Van điều khiển khí nén hoạt động như thế nào: Chuỗi tín hiệu

2.1 Trình tự điều khiển bình thường

Từng bước một:

1. Bộ điều khiển quy trình (DCS hoặc PLC) tính toán vị trí van cần thiết và xuất ra tín hiệu 4-20mA.
2. Bộ định vị thông minh nhận tín hiệu này và chuyển đổi nó thành vị trí mục tiêu (0-100%)
3. Cảm biến bên trong bộ định vị đọc vị trí thực tế của van từ thân van.
4. Nếu giá trị thực tế khác với giá trị mục tiêu, bộ định vị sẽ điều chỉnh áp suất đầu ra khí nén.
5. Áp suất không khí trong buồng màng ngăn tăng hoặc giảm, làm cho màng ngăn chuyển động.
6. Màng ngăn đẩy thân van, làm dịch chuyển nút chặn so với đế van.
7. Khi diện tích dòng chảy thay đổi, các biến số của quá trình (lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, mực nước) cũng thay đổi theo.
8. Bộ điều khiển quy trình nhận biết giá trị quy trình mới và điều chỉnh tín hiệu 4-20mA cho chu kỳ tiếp theo.

2.2 Cân bằng lực: Vật lý về định vị van

Tại bất kỳ vị trí ổn định nào, ba lực đều ở trạng thái cân bằng:

Nhiệm vụ của bộ định vị là tìm ra áp suất không khí chính xác sao cho ba lực này cân bằng ở vị trí thân van mong muốn.

2.3 Bộ truyền động tác động đơn so với bộ truyền động tác động kép

Bài viết trên mô tả các bộ truyền động màng tác động đơn (lò xo hồi vị). Các bộ truyền động piston tác động kép cũng phổ biến trong các ứng dụng van áp suất cao hoặc van lớn:

2.4 Cơ chế an toàn khi xảy ra sự cố: Mở bằng khí nén so với đóng bằng khí nén

Khi nguồn khí nén điều khiển bị gián đoạn (máy nén tắt, đường ống bị vỡ, bảo trì), lò xo sẽ đưa van trở lại vị trí an toàn đã được xác định trước. Việc lựa chọn vị trí nào phụ thuộc vào mức độ an toàn của quy trình:

3. Vận hành thử nghiệm tại hiện trường: Quy trình khởi động từng bước

3.1 Kiểm tra trước khi khởi động

3.2 Vận hành chế độ tự động

1. Chuyển sang chế độ thủ công trên bộ định vị (nếu có) hoặc sử dụng trạm điều khiển thủ công DCS.
2. Hành trình van thông qua toàn bộ hành trình bằng cách sử dụng bánh xe tay hoặc chức năng xoay thủ công.
3. Xác minh chỉ báo vị trí ở quy mô cục bộ phù hợp với màn hình hiển thị của bộ định vị
4. Chuyển sang chế độ tự động
5. Tăng dần tín hiệu 4-20mA Tăng dần từ 4mA lên 20mA rồi trở lại.
6. Quan sát: Việc chuyển động của van phải trơn tru, không bị kẹt hoặc giật cục. Phản hồi vị trí phải bám sát tín hiệu lệnh trong phạm vi ±1%.
7. Kiểm tra xem có rò rỉ không tại gioăng làm kín và mặt bích thân

3.3 Kiểm tra xác nhận hiệu chuẩn

Hầu hết các thiết bị định vị thông minh đều tự động hiệu chuẩn, nhưng nên kiểm tra thực địa trước khi sử dụng:

• Lệnh 4mA → xác minh van đang ở vị trí 0% (hoặc vị trí an toàn)
• Lệnh 12mA → xác minh van đang ở vị trí 50%
• Lệnh 20mA → xác minh van đang ở vị trí 100%
• Kiểm tra hiện tượng trễ: sự khác biệt giữa các giá trị đọc khi tăng và giảm thang đo ở 50% phải nhỏ hơn 1%.

4. Vận hành thủ công: Quy trình khẩn cấp và bảo trì

Khi hệ thống điều khiển tự động bị mất hoặc cần bảo trì:

1. Tách tín hiệu điều khiển: Đặt đầu ra DCS ở chế độ thủ công và giữ nguyên giá trị, hoặc ngắt kết nối cáp 4-20mA.
2. Ngắt nguồn cung cấp khí: Đóng van điều chỉnh áp suất bộ lọc không khí.
3. Kích hoạt bánh xe tay: Xoay cơ cấu tay quay (gắn phía trên hoặc bên cạnh) để di chuyển van bằng cơ học.
4. Vận hành: Xoay theo chiều kim đồng hồ/ngược chiều kim đồng hồ để mở hoặc đóng khi cần thiết.
5. Phê bình: Sau khi thực hiện thao tác thủ công, nhả khớp ly hợp tay quay và trở về vị trí tự động. Nếu vẫn để bộ định vị tự động hoạt động, nó sẽ không thể điều khiển van.

5. Danh sách kiểm tra bảo trì hàng ngày

6. Khắc phục sự cố: 5 lỗi thường gặp trong thực tế

6.1 Van không di chuyển

6.2 Phản hồi chậm hoặc ì ạch

6.3 Sai số/Độ lệch vị trí

6.4 Rò rỉ bao bì

6.5 Hiện tượng săn đuổi/dao động quá mức

7. Những điểm chính cần ghi nhớ

Bài đọc liên quan

• Hướng dẫn phụ kiện van điều khiển: Bộ định vị, bộ điều chỉnh lọc và nhiều hơn nữa
• Hướng dẫn đầy đủ về bộ định vị van: Nguyên lý hoạt động + Khắc phục sự cố tại hiện trường
• Hướng dẫn chẩn đoán và sửa chữa tại hiện trường lỗi giao tiếp HART trên máy Fisher DVC6200: Bảng đấu dây đầu cuối
• Bộ lọc điều chỉnh áp suất Fisher 67CFR: Hướng dẫn khắc phục sự cố, sửa chữa và phụ tùng đầy đủ.
• Lựa chọn bộ truyền động và tính toán kích thước van: Các phương pháp tính toán kỹ thuật

Câu hỏi thường gặp

Van điều khiển khí nén và van điều khiển điện khác nhau ở điểm nào?

Van khí nén sử dụng khí nén (3-15 psi hoặc 0,02-0,1 MPa) để điều khiển bộ truyền động, mang lại khả năng phản hồi nhanh, hoạt động an toàn vốn có và chống cháy nổ mà không cần chứng nhận điện. Van điện sử dụng động cơ và phù hợp hơn cho các ứng dụng tốc độ chậm, độ chính xác cao hoặc ở những vị trí xa xôi không có khí nén điều khiển.

Tại sao van của tôi lại liên tục chuyển đổi giữa hai vị trí?

Hiện tượng dao động liên tục thường cho thấy độ khuếch đại của bộ định vị quá mức hoặc độ lỏng cơ học. Hãy giảm cài đặt độ khuếch đại tỷ lệ trong bộ định vị hoặc siết chặt các khớp nối. Nếu bản thân quá trình đang dao động, hãy điều chỉnh bộ điều khiển PID — van chỉ đang tuân theo các lệnh không chính xác.

Tôi có thể chuyển đổi van mở bằng khí nén thành van đóng bằng khí nén được không?

Không thể chỉ đơn giản đảo ngược tín hiệu. Lò xo của bộ truyền động phải được định vị lại hoặc thay thế, và cấu hình bộ định vị phải được thay đổi. Trong một số trường hợp, cần phải sử dụng bộ truyền động khác. Hãy tham khảo ý kiến nhà sản xuất trước khi tiến hành chuyển đổi.

Tôi nên thay màng chắn bộ truyền động bao lâu một lần?

Tuổi thọ màng ngăn phụ thuộc vào số chu kỳ hoạt động và điều kiện vận hành. Trong điều kiện vận hành thông thường, cần kiểm tra hàng năm và thay thế sau mỗi 3-5 năm. Trong môi trường hoạt động nhiều chu kỳ hoặc ăn mòn, cần thay thế sau mỗi 1-2 năm. Việc thay thế phòng ngừa trong thời gian ngừng hoạt động theo kế hoạch sẽ tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với việc thay thế khẩn cấp khi xảy ra sự cố.

Nguyên nhân nào khiến van 10-20% bị kẹt ở vị trí mở?

Hiện tượng kẹt van khi mở ở vị trí thấp thường cho thấy ma sát giữa gioăng và vòng đệm quá mức, gioăng bị hỏng hoặc có vật lạ mắc kẹt trong vòng đệm. Trước tiên, hãy kiểm tra độ kín của gioăng. Nếu van chưa được vận hành trong nhiều tháng, hãy vận hành van hết hành trình – sự tích tụ cặn bẩn có thể gây kẹt van.