CN100402907C - 监测管道横截面的方法及实施此方法的调节阀位置调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种借助管道内调节阀(2)的位置(X)监测管道自由的内部横截面(A)缓慢减小的方法。在流量基本不变的情况下，在第一时刻(t1)确定并储存第一个位置(X1)。根据至少一个在此后的第二时刻(t2)确定的调节阀的位置(X2)，确定阀(2)的位置(X)何时超过可预定的阀开度的阈值(S)，以及必要时发出一个信号指示此超越和/或超越的时刻。其结果是可以在一个工艺过程技术设备中产生故障前，先采取恰当的维修措施。

Description

监测管道横截面的方法及实施此方法的调节阀位置调节器
技术领域
本发明涉及一种借助管道内调节阀的位置监测管道自由的内部横截面缓慢减小的方法，以及一种用于实施此方法的调节阀位置调节器。
背景技术
在工艺过程和能量技术的许多领域，设备的无故障运行取决于管道的状况，尤其取决于当时的过程介质在管道中的通过能力。为了避免付出高代价的非规律性运行中断，合理的是在准备阶段已能识别，管道是否在过程运行中已经堵塞，或管道的自由内部横截面正在缓慢减小。此类缺陷应尽可能在管道堵塞会导致设备停工前的初始阶段中就识别到。通过及时报警可以避免运行故障，优化维护过程，以及采取及时而恰当的对应措施。
迄今，当由于堵塞使通过管道的流量突然中断时，多多少少令设备操作员感到惊讶。大多未料到会出现的故障状况造成生产停顿并与之相关联的昂贵的费用开支。一种在准备阶段识别自由的管道截面减小的可能性，是管道的内窥式检查，然而这只能在过程中断的情况下实施并因而意味着严重的浪费。
由DE-PS 4342554已知一种监测废气输送系统的方法，该系统包括一个调节阀作为压力控制废气输出的调节机构。借助在废气输出点调节阀的特征线，根据当时的体积流量和经调节的废气压力，确定当调节阀全开时存在的压力。在最大体积流量时产生的最大压力损失，借助调节阀全开时的进口压力和利用特征线确定的出口压力确定，并表示为随时间的函数，以及与最大允许的压力损失比较。当最大压力损失的值接近最大允许的压力损失值时，确定为清洁废气输送系统的时刻。此方法的缺点是，它专门针对废气输送系统的要求设计，以及不能毫无问题地应用于其他管道系统。此外，并没有考虑到，在调节阀全开借助其特征线确定出口压力时，由于增大了体积流量，附加地增加通过管道的压力损失。因此，这种监测不太准确。
例如由DE 19947129A1已知一种用于调节阀的位置调节器，它包括一个用于检测该阀位置的位置传感器和一个用于分析评估所检测的位置的装置。在那里介绍了一个系统，用于借助接收的声信号诊断当前的阀状况。声学的检测主要探测一个关闭的阀的漏泄状况。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，用于监测管道自由的内部横截面缓慢的减小，这种方法可以在许多过程技术设备中无需高成本地实施，本发明的另一目的在于创造一个适用于实施本发明方法的用于调节阀的位置调节器。
上述目的首先通过一种借助管道内的一调节阀的位置监测该管道自由的内部横截面缓慢减小的方法来实现，按照本发明：在一种介质通过该调节阀的流量不变的情况下，在一个第一时刻确定并储存该调节阀的第一阀位置，并且根据该调节阀的第一阀位置预定一个关于阀开度的阈值；以及根据在一个此后的第二时刻或者此后的多个时刻确定的调节阀的第二阀位置或另一阀位置来确定该调节阀的阀位置在什么时刻超过所述预定的阈值；以及，发出一个信号指示此超越和/或超越的时刻。
上述目的另外通过一种用于调节阀的位置调节器来实现，它包括一检测该阀位置的位置传感器和一用于分析所检测的位置的装置，按照本发明：所述分析装置设计为，当在一个用于调节介质通过管道为恒定流量的调节回路中使用该调节阀时，为借助该调节阀的位置监测管道自由的内部横截面的缓慢减小，在一个第一时刻确定并储存该调节阀的第一阀位置，并且根据该调节阀的第一阀位置预定一个关于阀开度的阈值；以及根据在此后的一个第二时刻或者此后的多个时刻确定的调节阀的第二阀位置或另一阀位置来确定该调节阀的阀位置在什么时候超过一个所述预定的阈值；以及，发出一个信号指示此超越和/或超越的时刻。
本发明的优点是，仅仅借助在调节阀中本来就存在的装置，便可以监测管道的缓慢堵塞或结疤。只是用于由位置传感器(它可看作是位置调节器的组成部分)检测的阀位置值的分析装置，必须为了实施本发明方法进行适配。因为这种分析装置通常通过一个含有适用的软件的计算单元实现，所以它只需要调整要由原本就存在的计算单元处理的计算程序。监测功能则可以方便地钝化，只要进行监测的前提条件不成立或有时不成立。尤其在使用一个将通过管道的介质流量调整为常数的调节阀时，在绝大部分运行时间会造成基本上不变的介质流量。通过观察和评估调节阀升程位置随时间的改变，识别管道自由的内部横截面的缓慢减小。若阀在介质流量基本上不变的情况下开度必须大于一个可预定的阈值，则发出一个指示阈值被超越的信号。基于此指示的信号，可以提前采取恰当的针对性措施。例如，此信号可解读为需要维护的通知，从而在过程技术设备的下一个维护周期中清洗或更换管道。由此可以避免运行故障或生产停顿。
优选地，调节阀的第一个位置在过程技术设备运行的一开始亦即当管道还没有沉积物时确定和储存。由此，在调节为恒定流量的情况下得出阀的一个开度，该开度取决于设备的不同结构设计可以是不同的。
按有利的方式，此方法可以适应具体的应用情况，为此，阈值根据第一个位置规定。在这里，阈值处于阀全开与第一个位置之间的范围内。最佳的位置仍取决于具体的应用情况，尤其取决于沉积速度和维护周期之间的时间间隔。业已证明比较有利并适用于许多应用情况的是，当阀的开度达到超过第一位置的余留调节范围的80％时，发出一个阈值被超越的指示信号。由此是在这样一个时刻进行指示的，即此时在出现调节问题前还存在足够的安全距离，也就是在由于管道内过多的沉积物不再可能调节为恒定的流量之前。
因为伴随着长期单调连续的沉积过程也使调节阀的位置相应地长期单调移动，所以例如由于压力波动可能引起的移动过程短时的异常测值，可以通过一个低频滤波器，尤其通过构成一个光滑的平均值，来抑制其对诊断结果的影响。由此在有此类波动时避免提前触发管道监测和提前发出指示信号。当然也可以利用另一些可能性，对在阀开度与管道内沉积之间关系的可信度进行检验。
除直接的阈值比较外或作为直接进行阈值比较的替代手段，可以确定调节阀的位置随时间的改变以及预估该调节阀的位置将超过可预定的阈值的时刻。这样做的优点是可以实施更好的维护计划，因为不仅考虑了管道当前的堵塞状况，而且还考虑到自由的内部横截面减小的速度。
为了避免过早发出阈值超越的指示信号，可有利地确定在管道内的介质压力，以及当其偏离一压力平均值的偏离量超过允许值时，中断对于管道堵塞的监测。在管道内介质压力的测量和评估，可以借助例如在泵后一个馈给点处简单的压力开关实施。通常在过程技术设备中优选地在管道端部本来就存在压力测量变换器，它的测量值可以无需其他技术性耗费地参与评估。
但是若某些压力变化不能避免以及它们可能导致监测过于频繁地中断时，那么比较有利的是，为了抑制压力波动对阀位置的影响进行相应的压力补偿，该压力补偿可以借助阀位置与介质压力的预定关系实施。
附图说明
下面借助表示本发明实施例的附图详细说明本发明及其扩展设计和优点。附图中：
图1表示安装在一管道内的一个调节阀的原理性示意图；以及
图2表示在管道的堵塞逐渐增大时所述阀位置的基本变化曲线。
具体实施方式
在图中没有进一步表示的过程技术设备的一根包括管段1a和1b的管道1内，按图1装入一个阀2，它通过一个与阀座3配合作用的关闭体4的相应行程，控制介质5的流量。所述行程由一个气动驱动器6产生并借助一根阀杆7传给关闭体4。驱动器6通过一轭架8与阀2的外壳连接。在轭架8上安装有一个位置调节器9。该阀具体的位置X通过一位置传感器10检测并输入一分析装置11，后者将此值与一个经一数据接口12由一具有数字数据或模拟数据传输功能的外部数据总线输入的额定值作比较，以及在出口侧控制气动驱动器6以便调整此调节差。额定值通过一个图中未表示的调节器规定为，将通过管道1并因而通过阀2的介质5调整为基本上有恒定的流量。在图示的实施例中，附加地在管道1内装入一台泵13，它产生需要的流动压力。一个压力开关14沿流动方向在泵13之后量取存在于管道1内的介质压力，以及可将一相应的信号15提供给分析装置11，该信号15指示所测取压力偏离一压力平均值的偏离量超出一允许值。为了使各种原因可能引起的阀位置较小的波动，不直接导致触发管道监测，位置信号除了直接输往分析装置11外还可通过一低通滤波器16传给分析装置11。在本实施例中分开表示的用于形成光滑平均值的低通滤波器，当然可以在恰当编程的情况下由分析装置11本身实现。
为了说明本发明的工作原理，在图1中还在管段1a的区域、在阀2处和在管段1b的区域中，表示了在第一时刻当介质流动时形成的压差ΔP1、ΔP5或ΔP2，以及在此后的第二时刻形成的压差ΔP3、ΔP6或ΔP4。用压差ΔP0表示总压差，它是介质沿着包括两个管段1a和1b的管道1和沿阀2以恒定的流速流动通过时形成的。管道自由的内部横截面A缓慢减小的监测，通过确定和评估借助位置传感器10检测的阀2位置X随时间的变化进行，为此通过位置调节器9的分析装置11按时序存储和评估阀位置随时间光滑化的平均值。当超越一个可预定的阈值时，通过与所述数据接口11连接的场数据总线向操纵台发出一个电报形式的报警信号或一个电流或电压信号。由此，用信号报告管道1面临完全堵塞的危险。下面应说明管道1堵塞与阀2位置X之间的关系：
在一个过程技术设备运行时，在一个由该设备结构预定的基本上恒定的压差ΔP0的情况下，调节阀调节通过管道1的流量为一个过程调节器或操纵系统所要求的大多恒定的值。在这里，在第一时刻，优选地在用完全没有沉积物的管道投入运行时，压差ΔP0的值等于压差ΔP1、ΔP5与ΔP2之和。因此适用
ΔP1+ΔP2+ΔP5＝ΔP0。
其中压差ΔP1和ΔP2由管段1a或1b中各自的流动阻力以及压差ΔP5由阀的流动阻力在第一时刻确定。压差ΔP5与阀2具体的位置(它通过位置传感器10测定)和在第一时刻存在的流量有关。当阀2在调节回路中被用于调节一个可预定的基本上不变的流量时，阀的位置通过驱动器6调整为，使介质5通过管道1的实际流量至少近似等于预定值。
若随着时间的推移在管道1的管段1a和1b内壁上形成沉积物，则流动阻力和压差增大。因此对于此后在第二时刻在管段1a和1b中当流量值相同时存在的压差ΔP3或ΔP4适用下面的关系式：
ΔP3+ΔP4＞ΔP1+ΔP2
当泵13功率不变以及除此之外的过程也不变时，沿管道1和阀2的总压差ΔP0基本是常数。这意味着，在第二时刻必须通过阀2调整为一个较小的压差ΔP6，以保持介质5通过管道1基本不变的流量。因此阀2的位置X朝增大阀开度的方向改变。阀2当时的位置X如上面已说明的那样通过位置传感器10检测并不仅直接地而且间接地通过低通滤波器16进一步传输给分析装置11。通过优选地按规则的间隔在分析装置11内进行的阀位置光滑化平均值的储存，可以确定管道1堵塞的倾向性变化过程。当显示阀2开度的阀位置超过预定的阈值时，经接口12在场数据总线上输出一个指示此超越的信号。此信号在上一级操纵系统中可解读为报警信号，从而可以在过程技术设备产生故障前及时采取恰当的措施。借助对所述阀位置值变化过程的恰当计算，可以确定管道1必须清洗或更换的时刻。由此避免了与未预料到的设备停工相关联的费用。此外完全不需要内窥式预检查，它们需要昂贵的费用。借助压力开关14检测泵13的输出压力。通过此压力开关14产生一个信号15，它指示相对于一个可预定的或平均的压力值的允许偏离量已被超越。所述超越发生的时间范围可以不算在用于监测管道的自由内部横截面A减小的阀位置值的分析评估中。为此当然也可以用一个压力传感器取代所述压力开关14，由该压力传感器来向分析装置11提供压力测量值。在这种情况下可以通过确定阀2的位置与泵13压力之间的关系，以及通过在分析装置11中加入一个恰当的补偿元件来补偿泵压波动造成的影响，来减小泵压波动对监测结果的影响。
图2表示，随着在过程技术设备的管道中沉积物的逐渐增加，阀位置X的值在实际工作中典型的变化曲线。横坐标表示时间t，纵坐标表示有标准化的数值范围从0至1的阀的位置X。位置X＝0对应于关闭的阀，位置X＝1对应于全开的阀。在第一时刻t1，优选地在过程技术设备刚投入运行时，检测和储存阀位置的值X1＝0.5。在设备此后的运行期间，按规则的时间间隔测量并储存另一些位置值，从而得出在图中表示的变化曲线。根据在投入运行时测得的阀位置值X1＝0.5计算出一个阈值S，当超过该阈值时必然在管道内已存在严重的沉积，因此在下一个维护周期内需要清洗或更换管路。在图示的实施例中，阈值S被确定在余留的调节范围的80％处，这一阈值使阀还有进一步的开度可供使用。因此阈值S规定为值0.9。在此后的时间确定的阀的位置值，例如在第二时刻t2位置X2，与按已说明的方式预定的阈值S作比较。当超出阈值S时所产生的指示信号被解读为管道系统需要维护。在时间t3与t4之间的一个时间段，在此时间段内确认在被监测的管道中压力波动超高，在评估管道自由的内部横截面缓慢减小的监测时被摘除，这是因为在这里并不能立即从阀的瞬时位置推断出管道的堵塞。在时刻t5，测得的阀位置值超过阈值S，从而在这时产生一个相应的指示信号。在随后的直至时刻t6的维护周期中更换掉已堵塞的管道。在完成维护工作后，可以重新用开度小得多的阀调整介质通过管道基本上有不变的流量。
借助图示的变化曲线可以清楚看出，作为替换方案或作为对上述阈值实际上已被超出的分析评估的补充，可以借助一种趋势分析方法来确定和输出所述阈值预期将被超过的那个时刻。

Claims (7)

1.一种借助管道(1)内的一调节阀(2)的位置(X)监测该管道自由的内部横截面(A)缓慢减小的方法，其特征为：在一种介质通过该调节阀(2)的流量不变的情况下，在一个第一时刻(t1)确定并储存该调节阀(2)的第一阀位置(X1)，并且根据该调节阀(2)的第一阀位置(X1)预定一个关于阀开度的阈值(S)；以及根据在一个此后的第二时刻(t2)或者此后的多个时刻(t3，t4，t5，t6)确定的调节阀(2)的第二阀位置(X2)或另一阀位置来确定该调节阀(2)的阀位置(X)在什么时刻超过所述预定的阈值(S)；以及，发出一个信号指示此超越和/或超越的时刻。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为：所述阈值(S)预定成相对于在阀全开与第一阀位置(X1)之间的调节范围为80％的开度。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述阀位置信号通过一低通滤波器(16)在确定所述阀位置之前被滤波。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：确定所述调节阀(2)的阀位置(X)随时间的变化，以及，预估该调节阀(2)的阀位置预计将超过所述可预定的阈值(S)的时刻。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：确定在所述管道(1)内的介质压力；当其偏离一压力平均值的偏离量超出一允许值时，中断对所述管道(1)的自由内部横截面(A)减小情况的监测。
6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：为了抑制压力波动对所述阀位置的影响，借助该阀位置与介质压力的预定关系实施压力补偿。
7.一种用于调节阀(2)的位置调节器，它包括一检测该阀(2)位置(X)的位置传感器(10)和一用于分析所检测的位置的装置(11)，其特征为：所述分析装置(11)设计为，当在一个用于调节介质通过管道(1)为恒定流量的调节回路中使用该调节阀(2)时，为借助该调节阀(2)的位置(X)监测管道自由的内部横截面(A)的缓慢减小，在一个第一时刻(t1)确定并储存该调节阀(2)的第一阀位置(X1)，并且根据该调节阀(2)的第一阀位置(X1)预定一个关于阀开度的阈值(S)；以及根据在此后的一个第二时刻(t2)或者此后的多个时刻(t3，t4，t5，t6)确定的调节阀(2)的第二阀位置(X2)或另一阀位置来确定该调节阀(2)的阀位置在什么时候超过一个所述预定的阈值(S)；以及，发出一个信号指示此超越和/或超越的时刻。
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