标题控制阀对过程优化的影响

     过程优化意味着整个过程的优化，而不仅仅是在中心控制室的过程控制设备上实施控制算法。阀门被称为“最终控制环节”，因为控制阀处于过程控制实施的位置。安装一套复杂的过程控制算法和一套能够将过程控制于设定值士0.5%以内的过程控制仪表硬件系统，然后以控制精度5.0%或更低的控制阀来实施控制是毫无意义的。
   
     大型控制和先进控制算法是达到过程优化的重要环节，然而若工程优化仅限于软件而不考虑硬件的性能，其实际经济效益将难以实现。装配一台性能欠佳的控制阀不仅会影响过程发挥其全部的潜能，更有甚者，它可能使过程控制性能恶化。
   
     调查过的4000多个控制回路表明，如果依靠控制阀、执行机构和/或I/P阀门定位器来实现优化，则50%以上的回路将会有显著改观。过去一年中，通过对某炼油厂中的控制回路性能重新剖析，大多数情况下，在先进控制算法使用的系统上操作时，无一例外地发现如果最终控制设备能优化的话，就可以实现整个过程极大的优化，另外几个厂也发现，30%～67%的先进控制应用没有达到预期的性能，实际上许多己经停用。
   
      以上研究结果表明，工业过程中，控制阀在回路/装置/工厂的生产中起着重要的作用，传统控制阀的工作特性不足以保证过程优化的收益。而阀的静态性能诸如流量特性、泄漏量、材质的适用性和操作性能数据表明，它们不足以处理过程控制回路中的动态特性。
   
     愈来愈多的控制阀的用户将注意力置于动态性能参数例如死区、响应时间和实际放大倍数（在实际工况下），将其作为改善过程回路性能的方式，为此，很可能在开环状态下测量这样一些动态性能参数，这样，当测量闭环回路的性能时，这些参数的影响就清楚了。

     1现场实例
   
     a）一种新型、高活性的催化剂应用于一段加氢裂化反应器中，在使用最初选用的控制阀，出现了士2.22℃这样一个不允许出现的温度波动，使用高性能控制阀取代初期装于氢气线上的控制阀后，温度的波动减少至士0.28℃，结果，装置的产量增加了1000桶/d，基于这种平均增长率，该优化方案取得的效益为140万美元/a。
   
     b）一个化学反应在实施压力控制时遇到了问题，该问题影响到了装置整体的控制及生产。由于空气气压的大幅度波动导致了进入反应器的空气－甲醇混合比大幅度波动，从而带来了爆炸隐患。空气压力控制阀被替换后，系统波动从15%减至1%，工艺过程稳定，增加了工厂操作员对工艺控制的信心，反应器的甲醇进料量因此增加，使产量提高了将近10%。
   
     以上的例子强有力地证明，选择适当的最终环节——调节设备，可以使工厂达到最低能耗水平，从而产生长远的经济影响，工艺设备在实际过程中的作用能力得以真正体现。

     2减小过程波动
   
     控制阀减小过程波动的能力取决于多种因素，不能只孤立地看其中任何一个参数。研究表明，最后控制环节设备的设计，包括阀、执行机构和定位器的设计，是在动态条件下取得良好过程控制特性的重要因素。最重要的是，控制阀组件一定要被优化发展为一台整体设备，若将阀的各部件生硬地凑在一起，则不能产生良好的动态性能，设计时须考虑的重要因素包括：死区，执行机构/定位器的设计，流量特性，仪表风压力，阀型及尺寸。要仔细考虑每一个部件的设计特性，以发挥其最佳性能，从而最终组合为1台完整的控制阀。

      3死区（磨擦及无效行程）
   
     死区是过程波动过大的一个主要原因，因为控制阀存在磨擦及无效行程，因此这可能是一个仪表控制回路中产生死区的主要原因。
   
     死区是对一种常见现象的命名，该现象指调节器输出值（CO）在一段区间变化却不能对测量过程变量（PV）产生任何反应。此时，负载扰动发生时，PV值将偏离设定值，偏差则通过工艺过程产生正确的动作，起初，调节器输出的变化并未对过程变量的正确变化产生任伺影响，仅当调节器输出变化大过死区时，过程变量的响应变化才发生。
   
     有些时候，调节器反向调节，在过程变量正确变化发生之前，调节器输出信号必须再一次通过死区。过程中死区的确产生了这样的影响，就是过程变量偏离设定点的偏差一定要持续增大，直至它大得足以通过死区。只有这样，才能产生正确的动作。
   
     死区是一种常见的现象，其原因有多种，而控制阀的磨擦及无效行程是两种最常见的因素。因为大多数常规调节器的动作是由微小的变化所产生的（例如1%或更少），一个存在很大死区的控制阀可能对许多这样小的变化都没有响应。一个机械性能良好的控制阀可能对1%或更小的信号变化做出响应，这样可以有效地减少过程的波动。然而，控制阀的死区达到5%或更高的现象却非常普遍，最近一个对炼油厂气体分馏装置的调查表明，30%的控制阀的死区超过4%，实际上，所调查回路中65%以上死区大于2%。对汽油调和装置的另一项调查表明，多于50%的回路死区超过2%。

图1 无效行程及磨擦使阀影响过程变量变化图

     图1显示了由于磨擦及无效行程同时作用带来的明显后果。图1显示了一个控制阀在正常工况下的开环测试，该阀接受了从0.5%～10%的一系列阶跃输入，对于0.5%这样的低信号，阀行程响应很好，但是显然，从过程变量的信号看，无效行程及磨擦使阀影响过程变量变化小于5%～10%，该阀改善工艺变化的能力很差。

     显而易见，磨擦是控制阀产生死区的一个主要原因，所有控制阀组件的摩擦力与推力之比是过程优化的一个重要考虑因素。旋转阀经常产生磨擦问题，因为阀腔容量大，需要一些密封处理使其密封，厂家通常在制造时就对旋转阀的密封处进行润滑，但是几百次循环转动后，润滑层脱落，阀门的摩擦力增大至设计值的4倍或更多。

     对直行程的阀而言，填料是主要的磨擦源，这类阀中，测得的摩擦力因阀门类型和填料不同而变化很大。

     执行机构的种类也对控制阀组件的磨擦起着重要影响，通常，弹簧和膜片式执行机构对控制阀产生的磨擦小于气缸式执行机构。这就是弹簧和膜片式执行机构比气缸式执行机构在被施加了小的控制信号时响应更快的原因之一，以下还会详述。

     弹簧和膜片式执行机构另一个优点是随时间增长，磨擦特性不变。而气缸式执行机构的磨擦则随“O”型圈磨损和润滑油的消耗很快增大。在实际使用中，气缸式执行机构维修频率高于弹簧和膜片式执行机构。

     无效行程通指松动或机械机构的不紧密连接，由于松动导致机械反向动作时呈现非连续性。无效行程通常产生于不同配置的齿轮驱动器，导轨式和齿轮式执行机构尤其可能因为无效行程易产生死区，很多阀杆连接也存在死区，齿槽连接通常比螺杆连接和双“D”型连接产生的死区小。

     然而磨擦是难于完全消除的现象，一个性能良好的工程用控制阀应该能够从本质上消除因无效行程而产生的死区。

      4 执行机构－定位器设计

     执行机构与定位器的设计必须一起考虑，这两个部分的结合对控制阀组件静态特性（死区）产生极大影响，也影响动态响应和整台阀的仪表风耗量。

     一个好的定位器对于减少工艺波动来说最重要的特点是二级设计，即气源能量放大后信号再放大。

     在传统二级式气动定位器中，第一级是典型的喷嘴－挡板机构，该机构相当于一个高放大倍数的功率预放大器，这个功率预放大器提高了定位器对一个非常小的输入信号变化的敏感程度，而这对于减少工艺波动又是非常重要的，该功率预放大器也允许定位器在动态条件下在较宽范围内维持高放大倍数。因为第一级预放大后能量非常小，必须紧接着进行能量放大阶段，这样能量才足以驱动执行机构，这种能量放大器是一个继动器或一个小滑阀。

     单级滑阀式的定位器因为结构简单近来颇为流行，该设计比二级式设计更易于持续工作且造价更低，缺点是，大多数滑阀式定位器取得一定的优越性但牺牲了设计中的第一级预放大。这个定位器的输入是一个很简单的转换模块，能够将输入信号（电或气）转化为滑阀的动作。这种结构对小信号变化极不敏感，导致了控制阀组件死区的增加。

     一些制造厂企图使用增大滑阀口径，减小阀气门重叠来改善性能，这样增加了调节设备能量的放大倍数，从一定程度上改善了性能，但也由于所谓的“高放大倍数”滑阀的存在而增大了气源的消耗，许多“高放大倍数”的滑阀式定位器有比高性能的二级式定位器高出5倍的仪表风耗量。

     二级式定位器给几乎每一台阀提供最好的动态性能，相比之下，单级式定位器限制了控制阀的动态性能。

图2 各种执行机构性能响应图

     图2显示了在小的控制范围内，弹簧和膜片式且带有二级定位器的执行机构的性能优于带有单级定位器的气缸式执行机构。这主要由2个因素造成：弹簧和膜片组件灵敏度愈来愈高且磨擦力小；二级定位器的动态性能愈来愈好。在常规工艺控制应用中，小的输入信号的变化2%其响应死区时间更短，响应时间更快。笔者注意到带有二级定位器的气缸式执行机构性能也优于带单级滑阀式定位器的气缸式执行机构，总之，带有二级式定位器的弹簧和膜片式执行机构的性能最好。

      5仪表供风压力
   
     仪表供风压力对控制阀组件的动态特性有重要影响，例如它可以显著影响定位器的放大倍数和总仪表风耗量。
   
     固定放大倍数的定位器通常通过工作于特定的供风压力来优化其性能，该放大倍数可以因为一些因素（小范围风压波动）而变化。例如，一个经过优化且由138kPa供风压力供风的定位器，当供风压力突升至241kPa时，发现放大倍数降了一半，一个可调放大倍数的定位器需要以实际供风压力、执行机构的气容、组件的摩擦力和控制阀的应用场合来优化放大倍数以提高灵敏度。
   
     供风压力决定了传递到执行机构的气体量，然后由它最终决定行程速度，它与仪表风的消耗指标也直接相关。

      6控制阀的种类和特性
   
     控制阀的种类和口径可以对系统中控制阀组件的特性产生很大的影响。许多人担心是否在任伺可能的情况下控制阀的口径都足以通过所需的流量，然而，对于特定应用场合，阀口径过大也对过程工艺优化不利。
   
     控制阀的流通能力与控制阀种类的固有特性相关。典型的阀特性有：“线性”，“等百分比”和“快开”。
   
     在恒压降的特定条件下，阀流量仅与阀杆的行程及固有的阀芯形状设计有关。这就是这些特性被称为阀的固有特性的原因。
   
     流量的微增量（输出）与引起该变化的阀杆行程微增量（输入）之比率定义为阀的放大倍数。
   
      阀放大倍数=流量变化/行程变化=斜率
   
     线性特性在整个行程范围内均有恒定的阀放大倍数，快开特性在小开度时有固定的最大放大倍数。对等百分比阀而言，阀的最大放大倍数产生于开度最大时。
   
     阀的特性是由阀流通件的几何尺寸所造成，不会变化。对固有特性的了解是很有用的，但是更重要的是从工艺优化角度所考虑的整个系统的工作流量特性，包括阀和回路中的所有设备，工作流量特性被定义为通过阀的流量与阀杆行程的关系，此时阀被装于一个特定的系统中，阀的压降允许自然变化而不是保持恒定，对工作流量特性的描述如图3所示。

图3 控制阀工作流量特性和可调范围

     7保持回路放大倍数
   
     通过阀芯的设计而使阀放大倍数呈现各种特性，是对整个控制回路中其他环节的放大倍数加以补偿的手段。最终目的是维持整个操作范围内回路放大倍数合理且一致。

     一般而言，被控设备的放大倍数都随流量变化而变，例如，若单体的放大倍数随流量的增加而趋于减少，工艺控制工程师将很可能使用一个等百分比阀，该阀随流量增大而放大倍数增大。理想状态下，这两个反向关系将相互平衡以提供更加线性化的工作流量特性。

     理论上讲，在某个特定的流量条件下，整定一个回路以取得优化的性能。当流量在设定值附近变化的时候，期望保持回路放大倍数为一个常数来尽可能维持优化性能。如果回路放大倍数因固有阀流量特性的变化而发生变化，不能精确地补偿被控单体的放大倍数的变化，则整个回路放大倍数的波动将使过程优化更加困难。另外，也存在因回路增益变化很大而致过程不稳定，或影响其他动态性能。

     通常，可以接受的原则是使回路放大倍数变化不能超过4:1，否则，回路动态性能将会不稳定。这个比例并非随便给定，是由许多自控专业人员认可，这样在大多数控制回路中，放大倍数的变化裕度是可以接受的。由于它普遍地被接受，该原则形成了以下公式的基础。

     回路过程放大倍数=1.0对应变送器量程，%/调节器输出，%

      通常范围为：0.5～2.0

     注意，该“回路过程”概念包括除调节器外的回路中的每一个环节，例如，控制阀的放大倍数，被控设备和变送器，因为控制阀是回路过程的一部分，它的类型和口径选择非常重要，这样将在整个系统操作范围的特定放大倍数限度内，使系统工作流量特性足够线性化。如果阀本身产生太大的放大倍数的变化，调节器可调节的灵活性就较小，经验告诉人们保持调节器的回路放大倍数尽可能大。

     当4:1的回路放大倍数比己被广泛接受时，并不是每个人都接受0.5～2.0的放大倍数幅度，一些过程专家实际使用的放大倍数幅度范围为0.2～0.8，这也是4:1的比率。然而，使用小的比例范围有一种潜在的危险，那就是低限导致正常操作时控制阀大幅度振荡。通常操作经验是保持阀的振荡小于5%。0.5～2.0的范围是较合理的，除非因一些逻辑上的原因而有其他选择。然而，最重要的是，过程优化仍需选择合适阀类型及口径以在最宽可操作范围内使放大倍数保持在可选幅度内。

      图3、4中的工作流量特性曲线是根据一个控制回路得到，在手动状态的调节器中（开环），正常操作条件下，随着控制阀保持稳定，流量也稳定下来，在这种工况下，阀输入信号在正常行程范围内变化且流量响应也可测。

     一旦工作流量特性被建立起来，每一行程对应曲线的斜率都能确定，工作流量特性曲线的斜率称为系统工作过程放大倍数。如图4所示，可能回路放大倍数可接受范围为0.5～2.0。

图4控制阀的可调范围因阀型而异

     如图4所示，特殊蝶阀安装于特殊回路中，它只能在可接受的特定增益范围内操作，行程范围（29%～50%）大约对应为20°的变化。一个阀能在可接受范围裕度内工作，该范围称为阀的“可调比”。
   
     阀的可调比随阀的类型而显著变化，柱塞阀的可调比比蝶阀宽，实际上，在控制阀的性能体系上，柱塞阀显出最宽的可调比，其次是V型球阀。偏心旋转阀可调比与球阀和V型球阀相比更窄，蝶阀通常可调范围最窄且适用于流量固定的场合。此外，在定流量使用时，必须仔细选择其口径以用于过程性能优化。

     如果阀的固有特性是可选的，这样可以随流量变化对设备的放大倍数进行补偿，然后大家希望控制阀的工作流量特性几乎是一条值为1.0的直线。

     然而，这样一个精确的数字是几乎不可能的，因为有对数特性的限制而阀芯固定特性不能无限制变化，另外，一些类型的阀，例如蝶阀和球阀都不能改变阀芯而将阀固有特性改变。

     通常希望通过定位器反馈机构内凸轮的非线性化来改变阀的固有特性以改善上述状况。本质上讲，希望凸轮的非线性性能改变阀输入信号和阀杆位置之间的关系，对于阀整体而言，可以得到一个固有特性，这样可以替代简单地依靠阀芯设计改变特性的方法。

     尽管使用定位器凸轮对改变阀的特性有相当效果，但使用“凸轮特性”的效果在许多场合具有相当的局限性。因为凸轮也显著地改变了定位器回路的放大倍数，而该放大倍数又严格限制了定位器的动态响应。使用凸轮实现阀特性不如由阀芯实现优越，但对于旋转式阀对流量特性无法改变来说己进了一步。

     一些电子设备可以改变阀特性，它们在I/P定位器输入信号进入定位器回路之前就电子“定位”。实际上，这种技术“重新整定”了阀的输入信号，方法是将线性4～20mA调节器信号依据数值表预编程，用这种方式产生阀的输入达到了希望获得的阀的特性。这种技术有时与“前馈”或“设定点”特性有关。

     因为这种特性的确发生于定位器反馈回路之外，这种“前馈”或“设定点”的特性与定位器凸轮定义的特性相比有相当的优越性。它避兔了定位器回路放大倍数的变化，然而，这种方法并不总是有效，因为它也有自己的动态限制。例如，阀的调节范围可能有局限性，1.0%工艺信号的改变可能变得很窄，可能导致0.1%的阀信号的变化（例如在特性曲线的平坦区），许多阀在信号变化如此小时均无响应。

    最好的工艺性能是通过改变阀芯达到理想的流量性能，而不是使用凸轮或其他方式。在系统操作范围内，对所设计的控制阀合理选型使工作流量特性线性化可确保工艺性能优化。

     8阀的口径

     如果通过减小工艺过程的波动来优化过程性能，最常见的问题是阀口径过大。这通常由于使用了线性特性的阀，尤其是使用了流通能力大的旋转式阀，另外的原因是在工艺设计的不同阶段对多种安全因素有保守的考虑。

     扩大阀的口径在两个方面导致了过程的波动，首先，大阀的放大倍数过大，给调节器所留的灵活性较小，而大多数回路增益来自于调节器时性能总是最好。

      其次，大口径阀使工艺过程波动的原因是大阀很可能在小开度频繁动作，这样阀的密封摩擦会更大，尤其对于旋转式阀。

     另外，不管阀实际流量特性是什么，一个超大口径的阀的特性趋于快开，尤其在小流量场合且阀门放大倍数很高时尤为如此。这通常使阀操作偏离可接受的过程放大倍数幅度，导致对阀而言可调比较为狭窄。

     最后，因为一个大口径阀对于一个给定信号的微小增加却导致不成比例地大流量变化，这种现象能扩大由于摩擦等因素产生的死区导致的工艺过程的波动。

     9结论

     整个回路的优化始终贯穿工艺过程的优化，包括回路的硬件和软件，为了取得切实的过程优化，控制阀组件必须正确设计和选型，应当注意多考虑回路的动态性能而不是静态性能。

     当大家重视以上所述时，过程优化的经济效益就在总的经济效益中体现出重要的地位