智能阀改变供水管理

在各种行业出版物、阀门杂志和论文中，对“智能阀”一词的释义可以说是各不相同，令人无所适从。凭借在阀门行业和工艺技术领域四十多年的工作经验，我有意针对智能阀在水务行业和其它领域的应用，给智能阀作出比较清晰的定义。

我曾和一些开发智能阀解决方案的新兴公司交谈，发现最根本的问题是先要了解阀门本身。包括要了解阀门的用途、功能，以及需要解决哪些问题，才能使它成为真正的智能阀门。

本文关注的重点应用领域是水务行业，涉及的阀门有蝶阀、针阀和球阀。它们分别可以用作开/关阀、控制阀和特种设备，例如主爆破片安全装置（MBSD）和泵机保护单向阀（PGNVs），本质上就是可控的止回阀。

了解智能阀门

首先要说的是最基本原则：人工操作的阀门都不是智能阀，即使加装了传感器和流量计等附加装置。

智能工艺阀是指生产工艺中，用于控制水等介质流动的智能阀。传统的阀门都是依靠人工操作或简单的自动化操作，而智能工艺阀则是采用了成熟的技术来强化功能和性能，同时还具有监测能力。

在水务行业，有多个理由支持采用智能阀。例如有一条供水管线，从远郊的水库将水传输到城市供水网。这条管线上有安全阀、检修阀，和至少一台控制阀。这些阀门中大多数都是安装在偏远的地区，而自动化操作意味着需要电源、控制回路和通讯手段。如果没有智能阀门技术支撑，这些阀门对于我们而言就是一些“盲盒”。为什么？这些阀门的预期寿命为50年，它们地处偏远，执行操作的频度极低，甚至每5年才进行一次循环操作。如果是开关阀，则操作频度更低。

针阀的情况与之不同，需要不间断地监测运行状况，因为它们是维持供水稳定性的关键设备。

智能工艺阀的主要特点

具体的特点和优势如下：

实时阀门监测

在任何时候，随时了解每台阀门及相关管道的真实状况都是最基本的要求。具体包括阀位（开/关/两者之间的位置）、流率、压力和温度。这些都是工艺阀门的标准反馈信号。作为智能阀，还需要提供其它方面的一些参数。

确保阀门的可操作性

对用户而言，最重要的信息莫过于阀门是否能正常工作。假设有一台蝶阀（DN2000，PN 25）已经安装使用了15年，期间始终保持开启。在普通的设备系统中，我们能知道阀门处于开位，但不可能知道它在必要时能不能被关闭。而智能阀的功能之一就是定期操作阀门执行部分行程，以便确保其处于正常工作状态。

垫载荷。有些情况下，这意味着会超出ASME标准设计参数。正如先前一篇论文中所述，ASME标准第八卷第1部附录S对该试验协议（规程）给予了认可，附录中称：“紧固过程中，可能需要（有些情况下是必须要）施加一个大于设计参数的螺栓初始应力。”该附录还建议将该操作列为常规条款。目前为止， 美国机械工程师协会（ASME）尚未将密封性能纳入法兰设计的基本要求3。一旦将来得到了采纳，可以预期有毒有害物质和二氧化碳排放将会显著降低。但在那之前，设计师必须凭经验自行判断ASME法兰需要的螺栓载荷。

预测性维护

智能阀会采集诸如耗电量、运行时长和马达温度等额外的信息。根据特定的算法，可以识别出阀门运行是否失常。一旦参数平均值超出了安全范围并达到设定值，就会触发预测性维护。这样就可以避免进行标准化的重复性维护，而是根据阀门的实际状况，有针对性地安排维护。

与SAMSUN Makine Sanayi合作

SAMSUN Makine Sanayi是一家土耳其公司，专为水处理行业制造球墨铸铁材质的管道、管件和阀门。通过和这家公司合作，我们有机会开发了带有前述所有功能的智能阀。在他们设施齐全的试验设施内，我们对智能阀进行了试验，并开始为建立数学模型采集相关数据。

上述合作的优势在于， SAMSUN Makine Sanayi可以针对自己的各型阀门产品，提供统计信息。还能针对客户购买的每种阀门，提供关于使用寿命的合理预判。这些情况有利于我们找到比较可靠的触发设定值，从而在受控状态下规划阀门的维护、修理和更换，避免发生临时性维护和紧急维护，因为那样有可能导致供水中断。此外，采集到的数据还有助于优化工艺。而对阀门用户而言，大多数智能阀都是安装在野外的现场，它们对工艺控制的可靠性，和制造商实施预测性维护的可行性，都能使用户获得更好的使用体验。在此我要感谢SAMSUN Makine Sanayi公司提供的大力支持。

现场测试装置

对于初期现场测试，我们采用了带有欧玛多回转执行器和Modbus界面的SAMSUN Makine Sanayi蝶阀。测试装置还包括Modbus界面的流量计，和采用类似配置的压力传感器。所有设备都是用IO-Link master/GSM网络连接到云端服务器。按照上述配置，我们进行了现场工况的测试。

上述配置使我们可以控制阀门，并维持工艺的稳定性，也就是供水稳定性。在偏远的地区，我们可以通过太阳能电池板和集成化电池组搭建一套独立电源，好在测试装置耗电量都比较低。

现场测试的结果显示，智能阀应用在真实使用环境中是可行的。试验也展现了智能阀提高工艺控制能力、减少维护需求和优化供水系统的潜力。阀门、执行器、流量计和压力传感器等部件，组装在一起后运行顺畅，表明智能阀和这些设备能够兼容和协同工作。

诊断智能阀的状况

智能阀允许我们诊断各种类型阀门的状况，包括开关阀、控制阀、主爆破片安全装置（MBSD）等。通过监测这些采用了电动执行器或液压执行器的安全装置，我们能采集相关数据并分析阀门是否开始磨损或损坏，包括密封元件、轴承或轴封等各种零部件。

先进的诊断功能将阀门从“盲盒”变为透明，而且能主动上报自身状况，使我们能更加准确地监测阀门的状况。

优化控制阀性能

监测智能控制阀，或是用于流率或压力控制的针阀时，我们现在可以做到避免或减少在空泡（气穴）工况下运行的可能性。凭借专门开发的算法，我们可以掌握关键的工作状况，并且通过调节智能阀来避免设备在临界区间内运行。

优化控制阀性能，可以带来多项优势：

1. 减少空泡（气穴）现象的发生，延长阀门寿命。

2. 将运行参数维持在最优化的状态，从而获得更好的工艺稳定性和更高效率。

3. 降低因阀门提前磨损或故障导致的维护成本。

4. 积极发现潜在的性能问题，提高系统可靠性和可用性。

通过发挥智能阀的诊断功能和性能优化功能，运营商可以确保自己的控制阀始终处于性能最佳的状态，并将发生空泡（气穴）损伤的可能性降到最低。综合看来，智能阀有助于提高供水系统的运行效率、可靠性和成本效益。

总结

将智能阀应用于供水系统能产生许多优势，例如能提高工艺性能，也能对工艺阀门实现预测性维护。这些优势可以直接提高供水量，降低维护成本，还能最大限度缩短工艺设备的停车检修时间。

因为具有实时监测、先进诊断技术和性能优化功能，智能阀堪称提高供水系统效率、可靠性和成本效益的综合性解决方案。随着相关技术不断深入发展和成熟，智能阀的应用有望变得更加普及。这将为水务管理和维护作业设立新的标杆。