机械式渔人阀的控制原理分析和重要部件介绍

 0 引言

控制阀又称调节阀，它可通过对流体流量的控制来调节流体的压力、温度、液位等参数。美国emer－son公司生产的费希尔（fisher）控制阀（通常我们叫渔人阀）广泛应用于电力、石油、化工、冶金等诸多领域。它是影响工业过程控制系统的控制质量乃至产品质量的重要控制元件。

海上石油地震采集作业中，气枪震源系统主要包括气枪系统、收放系统、气枪控制系统和高压系统。空压机组是为气枪震源系统提供高压空气的设备，渔人阀主要起到控制和调节空压机组输出压力的作用，确保气枪激发工作压力的稳定，在整个高压系统中十分重要。本文主要对机械式渔人阀的控制原理、组成、安装和控制器的调节方法做了介绍。随着空压机组自动化程度的不断提高，部分空压机组采用了数字式渔人阀，本文也对其控制原理作了简单介绍。

1 渔人阀的重要部件介绍

渔人阀的重要部件如图1所示。

图1 渔人阀连接示意图

1.1 67cfr型过滤减压阀

67cfr系列过滤减压阀可为气动、电/气动控制器或其他设备提供持续可控制的压力。这种直接作用式调节阀，既可应用于大多数的空气和气体调节，也可应用于气动卡盘、空气喷口和喷枪提供降低的压力。它的内部有一个减压阀，减压阀安装在软阀座上，当有泄漏时，自动关闭阀门。zui大输入压力为250psi，输出压力范围为：0～20psi，0～35psi，0～60psi和0～120psi。减压阀上有调节旋钮，顺时针旋转旋钮时阀芯下移，阀口开度增大，输出压力增大；反之，逆时针旋转旋钮，输出压力减小。

1.2 4150k型压力控制器和变送器

4150k型压力控制器和变送器使用波纹管或波登管检测单元气或水表压力、真空、复合压力或差压。控制器和变送器的输出为气动压力信号，可用于操作控制单元、指示装置或记录装置。在本例中，控制器中使用的是波登管。波登管又称弹簧管，利用管的弯曲变化或扭转变形测量压力的弹性敏感元件。波登管与其他敏感元件相比灵敏度小些，往往测量比较大的压力。4150k型压力控制器和变送器是波登管检测的纯比例控制器，输入压力为高压气瓶的输出压力，输出信号为一个气压信号。

1.3 657型薄膜执行机构

657型薄膜执行机构是气动薄膜式的，通过对薄膜上变化的加载压力做出响应而对阀门进行定位。所有657型执行机构都是正作用的，把空气压力加到上膜片头盖，可使执行机构推杆向下动作。当压力降低时，作用相反的弹簧力使执行机构推杆向上，执行机构中的直行杆件随着膜片两侧的压力差的变化而进行伸缩运动，这种伸缩运动又带动了相应截流元件的运动，从而通过一系列的简单机械动作对阀门进行开合控制（图2）。执行机构与高压气瓶排气阀门连接，通过执行机构的动作来控制高压气瓶充、放气。

图2 渔人阀主阀体的组成

2 机械式渔人阀的控制原理

2.1 渔人阀的连接

图1中，空压机组经过活塞机的压缩，将空气压缩到一定的压力。压缩后的高压气体进入高压气瓶中，高压气瓶主要起到缓冲和平稳高压气体压力，消除脉冲压力的作用。空压机组输出一定压力的低压气，经过过滤和减压，作为渔人阀的控制气，渔人阀通过阀门与高压气瓶连接。

2.2 渔人阀主阀体的构成及工作原理

如图2所示，渔人阀的主阀体主要由4150k型压力控制器、变送器和657型薄膜执行机构组成。

在海上石油地震采集作业中，气枪激发工作压力通常为2000psi或3000psi。空压机组经过几级压缩后，压缩空气压力约为2000psi或3000psi，将渔人阀控制器设定值设定为气枪激发工作压力。控制器通过比较设定值和高压气瓶压力差，从而产生一个气动信号，作用于执行机构。执行机构中的执行推杆进行伸缩动作，打开或关闭与高压气瓶连接的阀门。当气瓶压力高于设定值时，打开排气阀，排出多余的高压气；当气瓶压力低于设定值时，关闭排气阀，进行充气作业，直至高压气瓶的压力与设定值相同。

2.3 渔人阀的控制原理

如图3所示，从空压机组引出的渔人阀的控制气进入继动阀入口端，在从排气端排出之前，通过固定节流孔充满整个继动阀。继动阀内的大膜片式继动器检测到的是喷嘴压力，小膜片式继动器检测到的是控制器输出压力。当过程压力变化时，波登管通过自身的扩张和收缩使得阻力板相对于喷嘴动作。在正作用方式下，过程压力增大时，阻力板靠近喷嘴运动，喷嘴压力变大，继动器阀门打开。控制气作用在继动器阀的阀室内，使得执行机构上的加载压力增大，执行推杆向下运动，排气阀门关闭，高压气瓶进行充气作业；反之，过程压力减小时，阻力板远离喷嘴运动，喷嘴压力减小，继动器阀门打开，控制器输出压力释放，排气阀门打开，高压气瓶进行排气作业。

图3 渔人阀控制原理

控制器输出压力的变化反馈至比例波纹管，用来抵消喷嘴压力的变化，从而平衡膜片式继动器之间的压力差。比例阀全开时，比例带为的位置，关闭比例阀可减小比例带的数值。

3 机械式渔人阀的安装

（1）确认管道清洁。安装阀门前要先清洗所有的管道，确认已清除管道污垢、金属碎屑、焊渣和其他异物。

（2）确认足够空间。安装位置应有足够的空间，以便在检查和维护时容易拆卸执行机构或阀芯。

（3）确认安装位置。渔人阀应安装在干燥、温度适中、无强电磁干扰、振动较小和无腐蚀性气体的场所。

（4）确认气体流向正确。通常执行机构垂直并位于阀门的上部，要确保气体流向和阀体流向箭头与所指示的方向一致。

4 机械式渔人阀的调节

渔人阀的调节主要是对4150k型压力控制器和变送器进行调节。

4.1 控制器主要技术参数

图4为控制器实物图。图4中，压力表1显示的是输入压力，量程为0～30psi；压力表2显示的是输出压力，量程为3～15psi或6～30psi；比例带3为对3～15psi满量程压力输出变化为3%～可调，6～30psi满量程压力输出变化为6%～可调；压力表4显示的是设定值，量程为0～5000psi。

图4 控制器实物图

4.2 控制器的调节

顺时针或逆时针旋转压力设置旋钮可增大或减小设定值。当比例带较宽，数字设置与实际过程压力会相差较大。旋转比例带旋钮设置所需要的值，比例带的调节决定了控制压力变化引起的阀门开度。

4.3 控制器的校准

控制器的校准工作如图5所示。

图5 控制器的校准

（1）控制器校准前的准备工作

1）为控制器提供过程压力源，用来模拟控制器的过程压力范围；

2）将过程压力源连接到校验器上，控制器开路连接。

（2）输出压力范围为0.2～1.0bar（3～15psi），按照以下步骤进行校准（以正作用方式为例）：

1）完成上述连接，提供相应的压力源；

2）旋转比例带旋钮到1.5（15%比例带）；

3）改变校验调整螺丝（key43到中间位置）；

4）使输入压力值等于检测原件的下限值；

5）旋转压力设定旋钮至zui小值；

6）调整喷嘴（key57）直到控制器输出压力在0.6～0.7bar（8～10psi）之间；

7）使输入压力值等于检测原件的上限值；

8）旋转压力设定旋钮至zui大值；

9）如果输出压力值不是在0.6～0.7bar（8～10psi）之间，松开两个调整螺丝（key43），小范围移动校验调节器（key41）。

10）重复4）～9）步骤，直到校准结束。

4.4 控制器的起动

校准后，就可以起动控制器了。起动步骤如下：

（1）连接压力源；

（2）旋转压力设定旋钮至需要的数值；

（3）比例带调整到的位置（控制的是液体压力或流量）；

（4）轻敲阻力板或改变微调设定点来干扰系统，检查系统的循环情况。如果系统不能循环，则要降低比例带的值（提高增益），再次干扰系统，直到系统循环良好。

5 数字式渔人阀简介

数字式渔人阀主要由数字式阀门控制器、过滤减压阀、模拟信号转换器和压力变送器组成。数字式阀门控制器与空压机组的plc（programmablelogic　controller）连接，从而实现plc控制。

数字式渔人阀的控制原理：空压机组高压气瓶输出的压力经过压力变送器后，由压力模拟信号转换为一个4～20ma的电信号，电信号传输到数字式阀门控制器，经过控制器转换成一个成比例的气动输出信号，从而调节执行机构，zui终实现对空压机组输出压力的控制。可以通过进入操作面板中的渔人阀控制界面，人为输入设定值。

机械式渔人阀由于没有与plc相连，无法实现plc控制。它是通过压力控制器比较过程压力和设定压力，并向控制元件发送一个气动信号，使高压气瓶压力等于或接近设定压力，从而起到调节压力的作用。

6 结束语

渔人阀是控制和调节空压机组输出压力的重要设备，无论机械式渔人阀还是数字式渔人阀，掌握其控制的原理和系统组成结构，对于现场人员操作都是十分重要的。本文通过对机械式渔人阀的介绍和控制原理分析，对于现场操作具有一定的借鉴作用，也为今后的工作提供相应的理论基础。

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