標題控制閥對過程優化的影響

     過程優化意味著整個過程的優化，而不僅僅是在中心控制室的過程控制設備上實施控制算法。閥門被稱為“最終控制環節”，因為控制閥處于過程控制實施的位置。安裝一套復雜的過程控制算法和一套能夠將過程控制于設定值士0.5%以內的過程控制儀表硬件系統，然后以控制精度5.0%或更低的控制閥來實施控制是毫無意義的。
   
     大型控制和先進控制算法是達到過程優化的重要環節，然而若工程優化僅限于軟件而不考慮硬件的性能，其實際經濟效益將難以實現。裝配一臺性能欠佳的控制閥不僅會影響過程發揮其全部的潛能，更有甚者，它可能使過程控制性能惡化。
   
     調查過的4000多個控制回路表明，如果依靠控制閥、執行機構和/或I/P閥門定位器來實現優化，則50%以上的回路將會有顯著改觀。過去一年中，通過對某煉油廠中的控制回路性能重新剖析，大多數情況下，在先進控制算法使用的系統上操作時，無一例外地發現如果最終控制設備能優化的話，就可以實現整個過程極大的優化，另外幾個廠也發現，30%～67%的先進控制應用沒有達到預期的性能，實際上許多己經停用。
   
      以上研究結果表明，工業過程中，控制閥在回路/裝置/工廠的生產中起著重要的作用，傳統控制閥的工作特性不足以保證過程優化的收益。而閥的靜態性能諸如流量特性、泄漏量、材質的適用性和操作性能數據表明，它們不足以處理過程控制回路中的動態特性。
   
     愈來愈多的控制閥的用戶將注意力置于動態性能參數例如死區、響應時間和實際放大倍數（在實際工況下），將其作為改善過程回路性能的方式，為此，很可能在開環狀態下測量這樣一些動態性能參數，這樣，當測量閉環回路的性能時，這些參數的影響就清楚了。

     1現場實例
   
     a）一種新型、高活性的催化劑應用于一段加氫裂化反應器中，在使用最初選用的控制閥，出現了士2.22℃這樣一個不允許出現的溫度波動，使用高性能控制閥取代初期裝于氫氣線上的控制閥后，溫度的波動減少至士0.28℃，結果，裝置的產量增加了1000桶/d，基于這種平均增長率，該優化方案取得的效益為140萬美元/a。
   
     b）一個化學反應在實施壓力控制時遇到了問題，該問題影響到了裝置整體的控制及生產。由于空氣氣壓的大幅度波動導致了進入反應器的空氣－甲醇混合比大幅度波動，從而帶來了爆炸隱患�？諝鈮毫�控制閥被替換后，系統波動從15%減至1%，工藝過程穩定，增加了工廠操作員對工藝控制的信心，反應器的甲醇進料量因此增加，使產量提高了將近10%。
   
     以上的例子強有力地證明，選擇適當的最終環節——調節設備，可以使工廠達到最低能耗水平，從而產生長遠的經濟影響，工藝設備在實際過程中的作用能力得以真正體現。

     2減小過程波動
   
     控制閥減小過程波動的能力取決于多種因素，不能只孤立地看其中任何一個參數。研究表明，最后控制環節設備的設計，包括閥、執行機構和定位器的設計，是在動態條件下取得良好過程控制特性的重要因素。最重要的是，控制閥組件一定要被優化發展為一臺整體設備，若將閥的各部件生硬地湊在一起，則不能產生良好的動態性能，設計時須考慮的重要因素包括：死區，執行機構/定位器的設計，流量特性，儀表風壓力，閥型及尺寸。要仔細考慮每一個部件的設計特性，以發揮其最佳性能，從而最終組合為1臺完整的控制閥。

      3死區（磨擦及無效行程）
   
     死區是過程波動過大的一個主要原因，因為控制閥存在磨擦及無效行程，因此這可能是一個儀表控制回路中產生死區的主要原因。
   
     死區是對一種常見現象的命名，該現象指調節器輸出值（CO）在一段區間變化卻不能對測量過程變量（PV）產生任何反應。此時，負載擾動發生時，PV值將偏離設定值，偏差則通過工藝過程產生正確的動作，起初，調節器輸出的變化并未對過程變量的正確變化產生任伺影響，僅當調節器輸出變化大過死區時，過程變量的響應變化才發生。
   
     有些時候，調節器反向調節，在過程變量正確變化發生之前，調節器輸出信號必須再一次通過死區。過程中死區的確產生了這樣的影響，就是過程變量偏離設定點的偏差一定要持續增大，直至它大得足以通過死區。只有這樣，才能產生正確的動作。
   
     死區是一種常見的現象，其原因有多種，而控制閥的磨擦及無效行程是兩種最常見的因素。因為大多數常規調節器的動作是由微小的變化所產生的（例如1%或更少），一個存在很大死區的控制閥可能對許多這樣小的變化都沒有響應。一個機械性能良好的控制閥可能對1%或更小的信號變化做出響應，這樣可以有效地減少過程的波動。然而，控制閥的死區達到5%或更高的現象卻非常普遍，最近一個對煉油廠氣體分餾裝置的調查表明，30%的控制閥的死區超過4%，實際上，所調查回路中65%以上死區大于2%。對汽油調和裝置的另一項調查表明，多于50%的回路死區超過2%。

圖1 無效行程及磨擦使閥影響過程變量變化圖

     圖1顯示了由于磨擦及無效行程同時作用帶來的明顯后果。圖1顯示了一個控制閥在正常工況下的開環測試，該閥接受了從0.5%～10%的一系列階躍輸入，對于0.5%這樣的低信號，閥行程響應很好，但是顯然，從過程變量的信號看，無效行程及磨擦使閥影響過程變量變化小于5%～10%，該閥改善工藝變化的能力很差。

     顯而易見，磨擦是控制閥產生死區的一個主要原因，所有控制閥組件的摩擦力與推力之比是過程優化的一個重要考慮因素。旋轉閥經常產生磨擦問題，因為閥腔容量大，需要一些密封處理使其密封，廠家通常在制造時就對旋轉閥的密封處進行潤滑，但是幾百次循環轉動后，潤滑層脫落，閥門的摩擦力增大至設計值的4倍或更多。

     對直行程的閥而言，填料是主要的磨擦源，這類閥中，測得的摩擦力因閥門類型和填料不同而變化很大。

     執行機構的種類也對控制閥組件的磨擦起著重要影響，通常，彈簧和膜片式執行機構對控制閥產生的磨擦小于氣缸式執行機構。這就是彈簧和膜片式執行機構比氣缸式執行機構在被施加了小的控制信號時響應更快的原因之一，以下還會詳述。

     彈簧和膜片式執行機構另一個優點是隨時間增長，磨擦特性不變。而氣缸式執行機構的磨擦則隨“O”型圈磨損和潤滑油的消耗很快增大。在實際使用中，氣缸式執行機構維修頻率高于彈簧和膜片式執行機構。

     無效行程通指松動或機械機構的不緊密連接，由于松動導致機械反向動作時呈現非連續性。無效行程通常產生于不同配置的齒輪驅動器，導軌式和齒輪式執行機構尤其可能因為無效行程易產生死區，很多閥桿連接也存在死區，齒槽連接通常比螺桿連接和雙“D”型連接產生的死區小。

     然而磨擦是難于完全消除的現象，一個性能良好的工程用控制閥應該能夠從本質上消除因無效行程而產生的死區。

      4 執行機構－定位器設計

     執行機構與定位器的設計必須一起考慮，這兩個部分的結合對控制閥組件靜態特性（死區）產生極大影響，也影響動態響應和整臺閥的儀表風耗量。

     一個好的定位器對于減少工藝波動來說最重要的特點是二級設計，即氣源能量放大后信號再放大。

     在傳統二級式氣動定位器中，第一級是典型的噴嘴－擋板機構，該機構相當于一個高放大倍數的功率預放大器，這個功率預放大器提高了定位器對一個非常小的輸入信號變化的敏感程度，而這對于減少工藝波動又是非常重要的，該功率預放大器也允許定位器在動態條件下在較寬范圍內維持高放大倍數。因為第一級預放大后能量非常小，必須緊接著進行能量放大階段，這樣能量才足以驅動執行機構，這種能量放大器是一個繼動器或一個小滑閥。

     單級滑閥式的定位器因為結構簡單近來頗為流行，該設計比二級式設計更易于持續工作且造價更低，缺點是，大多數滑閥式定位器取得一定的優越性但犧牲了設計中的第一級預放大。這個定位器的輸入是一個很簡單的轉換模塊，能夠將輸入信號（電或氣）轉化為滑閥的動作。這種結構對小信號變化極不敏感，導致了控制閥組件死區的增加。

     一些制造廠企圖使用增大滑閥口徑，減小閥氣門重疊來改善性能，這樣增加了調節設備能量的放大倍數，從一定程度上改善了性能，但也由于所謂的“高放大倍數”滑閥的存在而增大了氣源的消耗，許多“高放大倍數”的滑閥式定位器有比高性能的二級式定位器高出5倍的儀表風耗量。

     二級式定位器給幾乎每一臺閥提供最好的動態性能，相比之下，單級式定位器限制了控制閥的動態性能。

圖2 各種執行機構性能響應圖

     圖2顯示了在小的控制范圍內，彈簧和膜片式且帶有二級定位器的執行機構的性能優于帶有單級定位器的氣缸式執行機構。這主要由2個因素造成：彈簧和膜片組件靈敏度愈來愈高且磨擦力��；二級定位器的動態性能愈來愈好。在常規工藝控制應用中，小的輸入信號的變化2%其響應死區時間更短，響應時間更快。筆者注意到帶有二級定位器的氣缸式執行機構性能也優于帶單級滑閥式定位器的氣缸式執行機構，總之，帶有二級式定位器的彈簧和膜片式執行機構的性能最好。

      5儀表供風壓力
   
     儀表供風壓力對控制閥組件的動態特性有重要影響，例如它可以顯著影響定位器的放大倍數和總儀表風耗量。
   
     固定放大倍數的定位器通常通過工作于特定的供風壓力來優化其性能，該放大倍數可以因為一些因素（小范圍風壓波動）而變化。例如，一個經過優化且由138kPa供風壓力供風的定位器，當供風壓力突升至241kPa時，發現放大倍數降了一半，一個可調放大倍數的定位器需要以實際供風壓力、執行機構的氣容、組件的摩擦力和控制閥的應用場合來優化放大倍數以提高靈敏度。
   
     供風壓力決定了傳遞到執行機構的氣體量，然后由它最終決定行程速度，它與儀表風的消耗指標也直接相關。

      6控制閥的種類和特性
   
     控制閥的種類和口徑可以對系統中控制閥組件的特性產生很大的影響。許多人擔心是否在任伺可能的情況下控制閥的口徑都足以通過所需的流量，然而，對于特定應用場合，閥口徑過大也對過程工藝優化不利。
   
     控制閥的流通能力與控制閥種類的固有特性相關。典型的閥特性有：“線性”，“等百分比”和“快開”。
   
     在恒壓降的特定條件下，閥流量僅與閥桿的行程及固有的閥芯形狀設計有關。這就是這些特性被稱為閥的固有特性的原因。
   
     流量的微增量（輸出）與引起該變化的閥桿行程微增量（輸入）之比率定義為閥的放大倍數。
   
      閥放大倍數=流量變化/行程變化=斜率
   
     線性特性在整個行程范圍內均有恒定的閥放大倍數，快開特性在小開度時有固定的最大放大倍數。對等百分比閥而言，閥的最大放大倍數產生于開度最大時。
   
     閥的特性是由閥流通件的幾何尺寸所造成，不會變化。對固有特性的了解是很有用的，但是更重要的是從工藝優化角度所考慮的整個系統的工作流量特性，包括閥和回路中的所有設備，工作流量特性被定義為通過閥的流量與閥桿行程的關系，此時閥被裝于一個特定的系統中，閥的壓降允許自然變化而不是保持恒定，對工作流量特性的描述如圖3所示。

圖3 控制閥工作流量特性和可調范圍

     7保持回路放大倍數
   
     通過閥芯的設計而使閥放大倍數呈現各種特性，是對整個控制回路中其他環節的放大倍數加以補償的手段。最終目的是維持整個操作范圍內回路放大倍數合理且一致。

     一般而言，被控設備的放大倍數都隨流量變化而變，例如，若單體的放大倍數隨流量的增加而趨于減少，工藝控制工程師將很可能使用一個等百分比閥，該閥隨流量增大而放大倍數增大。理想狀態下，這兩個反向關系將相互平衡以提供更加線性化的工作流量特性。

     理論上講，在某個特定的流量條件下，整定一個回路以取得優化的性能。當流量在設定值附近變化的時候，期望保持回路放大倍數為一個常數來盡可能維持優化性能。如果回路放大倍數因固有閥流量特性的變化而發生變化，不能精確地補償被控單體的放大倍數的變化，則整個回路放大倍數的波動將使過程優化更加困難。另外，也存在因回路增益變化很大而致過程不穩定，或影響其他動態性能。

     通常，可以接受的原則是使回路放大倍數變化不能超過4:1，否則，回路動態性能將會不穩定。這個比例并非隨便給定，是由許多自控專業人員認可，這樣在大多數控制回路中，放大倍數的變化裕度是可以接受的。由于它普遍地被接受，該原則形成了以下公式的基礎。

     回路過程放大倍數=1.0對應變送器量程，%/調節器輸出，%

      通常范圍為：0.5～2.0

     注意，該“回路過程”概念包括除調節器外的回路中的每一個環節，例如，控制閥的放大倍數，被控設備和變送器，因為控制閥是回路過程的一部分，它的類型和口徑選擇非常重要，這樣將在整個系統操作范圍的特定放大倍數限度內，使系統工作流量特性足夠線性化。如果閥本身產生太大的放大倍數的變化，調節器可調節的靈活性就較小，經驗告訴人們保持調節器的回路放大倍數盡可能大。

     當4:1的回路放大倍數比己被廣泛接受時，并不是每個人都接受0.5～2.0的放大倍數幅度，一些過程專家實際使用的放大倍數幅度范圍為0.2～0.8，這也是4:1的比率。然而，使用小的比例范圍有一種潛在的危險，那就是低限導致正常操作時控制閥大幅度振蕩。通常操作經驗是保持閥的振蕩小于5%。0.5～2.0的范圍是較合理的，除非因一些邏輯上的原因而有其他選擇。然而，最重要的是，過程優化仍需選擇合適閥類型及口徑以在最寬可操作范圍內使放大倍數保持在可選幅度內。

      圖3、4中的工作流量特性曲線是根據一個控制回路得到，在手動狀態的調節器中（開環），正常操作條件下，隨著控制閥保持穩定，流量也穩定下來，在這種工況下，閥輸入信號在正常行程范圍內變化且流量響應也可測。

     一旦工作流量特性被建立起來，每一行程對應曲線的斜率都能確定，工作流量特性曲線的斜率稱為系統工作過程放大倍數。如圖4所示，可能回路放大倍數可接受范圍為0.5～2.0。

圖4控制閥的可調范圍因閥型而異

     如圖4所示，特殊蝶閥安裝于特殊回路中，它只能在可接受的特定增益范圍內操作，行程范圍（29%～50%）大約對應為20°的變化。一個閥能在可接受范圍裕度內工作，該范圍稱為閥的“可調比”。
   
     閥的可調比隨閥的類型而顯著變化，柱塞閥的可調比比蝶閥寬，實際上，在控制閥的性能體系上，柱塞閥顯出最寬的可調比，其次是V型球閥。偏心旋轉閥可調比與球閥和V型球閥相比更窄，蝶閥通�？烧{范圍最窄且適用于流量固定的場合。此外，在定流量使用時，必須仔細選擇其口徑以用于過程性能優化。

     如果閥的固有特性是可選的，這樣可以隨流量變化對設備的放大倍數進行補償，然后大家希望控制閥的工作流量特性幾乎是一條值為1.0的直線。

     然而，這樣一個精確的數字是幾乎不可能的，因為有對數特性的限制而閥芯固定特性不能無限制變化，另外，一些類型的閥，例如蝶閥和球閥都不能改變閥芯而將閥固有特性改變。

     通常希望通過定位器反饋機構內凸輪的非線性化來改變閥的固有特性以改善上述狀況。本質上講，希望凸輪的非線性性能改變閥輸入信號和閥桿位置之間的關系，對于閥整體而言，可以得到一個固有特性，這樣可以替代簡單地依靠閥芯設計改變特性的方法。

     盡管使用定位器凸輪對改變閥的特性有相當效果，但使用“凸輪特性”的效果在許多場合具有相當的局限性。因為凸輪也顯著地改變了定位器回路的放大倍數，而該放大倍數又嚴格限制了定位器的動態響應。使用凸輪實現閥特性不如由閥芯實現優越，但對于旋轉式閥對流量特性無法改變來說己進了一步。

     一些電子設備可以改變閥特性，它們在I/P定位器輸入信號進入定位器回路之前就電子“定位”。實際上，這種技術“重新整定”了閥的輸入信號，方法是將線性4～20mA調節器信號依據數值表預編程，用這種方式產生閥的輸入達到了希望獲得的閥的特性。這種技術有時與“前饋”或“設定點”特性有關。

     因為這種特性的確發生于定位器反饋回路之外，這種“前饋”或“設定點”的特性與定位器凸輪定義的特性相比有相當的優越性。它避兔了定位器回路放大倍數的變化，然而，這種方法并不總是有效，因為它也有自己的動態限制。例如，閥的調節范圍可能有局限性，1.0%工藝信號的改變可能變得很窄，可能導致0.1%的閥信號的變化（例如在特性曲線的平坦區），許多閥在信號變化如此小時均無響應。

    最好的工藝性能是通過改變閥芯達到理想的流量性能，而不是使用凸輪或其他方式。在系統操作范圍內，對所設計的控制閥合理選型使工作流量特性線性化可確保工藝性能優化。

     8閥的口徑

     如果通過減小工藝過程的波動來優化過程性能，最常見的問題是閥口徑過大。這通常由于使用了線性特性的閥，尤其是使用了流通能力大的旋轉式閥，另外的原因是在工藝設計的不同階段對多種安全因素有保守的考慮。

     擴大閥的口徑在兩個方面導致了過程的波動，首先，大閥的放大倍數過大，給調節器所留的靈活性較小，而大多數回路增益來自于調節器時性能總是最好。

      其次，大口徑閥使工藝過程波動的原因是大閥很可能在小開度頻繁動作，這樣閥的密封摩擦會更大，尤其對于旋轉式閥。

     另外，不管閥實際流量特性是什么，一個超大口徑的閥的特性趨于快開，尤其在小流量場合且閥門放大倍數很高時尤為如此。這通常使閥操作偏離可接受的過程放大倍數幅度，導致對閥而言可調比較為狹窄。

     最后，因為一個大口徑閥對于一個給定信號的微小增加卻導致不成比例地大流量變化，這種現象能擴大由于摩擦等因素產生的死區導致的工藝過程的波動。

     9結論

     整個回路的優化始終貫穿工藝過程的優化，包括回路的硬件和軟件，為了取得切實的過程優化，控制閥組件必須正確設計和選型，應當注意多考慮回路的動態性能而不是靜態性能。

     當大家重視以上所述時，過程優化的經濟效益就在總的經濟效益中體現出重要的地位