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| 控制閥對過程優(yōu)化的影響 |
| 上海雙旭電子有限公司 |
| 過程優(yōu)化意味著整個過程的優(yōu)化，而不僅僅是在中心控制室的過程控制設(shè)備上實施控制算法。閥門被稱為“zui終控制環(huán)節(jié)”，因為控制閥處于過程控制實施的位置。安裝一套復(fù)雜的過程控制算法和一套能夠?qū)⑦^程控制于設(shè)定值士0.5%以內(nèi)的過程控制儀表硬件系統(tǒng)，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*控制算法是達到過程優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)，然而若工程優(yōu)化于軟件而不考慮硬件的性能，其實際經(jīng)濟效益將難以實現(xiàn)。裝配一臺性能欠佳的控制閥不僅會影響過程發(fā)揮其全部的潛能，更有甚者，它可能使過程控制性能惡化。 調(diào)查過的4000多個控制回路表明，如果依靠控制閥、執(zhí)行機構(gòu)和/或I/P閥門定位器來實現(xiàn)優(yōu)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(shù)情況下，在*控制算法使用的系統(tǒng)上操作時，無一例外地發(fā)現(xiàn)如果zui終控制設(shè)備能優(yōu)化的話，就可以實現(xiàn)整個過程極大的優(yōu)化，另外幾個廠也發(fā)現(xiàn)，30%～67%的*控制應(yīng)用沒有達到預(yù)期的性能，實際上許多己經(jīng)停用。 以上研究結(jié)果表明，工業(yè)過程中，控制閥在回路/裝置/工廠的生產(chǎn)中起著重要的作用，傳統(tǒng)控制閥的工作特性不足以保證過程優(yōu)化的收益。而閥的靜態(tài)性能諸如流量特性、泄漏量、材質(zhì)的適用性和操作性能數(shù)據(jù)表明，它們不足以處理過程控制回路中的動態(tài)特性。 愈來愈多的控制閥的用戶將注意力置于動態(tài)性能參數(shù)例如死區(qū)、響應(yīng)時間和實際放大倍數(shù)（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(huán)狀態(tài)下測量這樣一些動態(tài)性能參數(shù)，這樣，當(dāng)測量閉環(huán)回路的性能時，這些參數(shù)的影響就清楚了。 1現(xiàn)場實例 a）一種新型、高活性的催化劑應(yīng)用于一段加氫裂化反應(yīng)器中，在使用zui初選用的控制閥，出現(xiàn)了士2.22℃這樣一個不允許出現(xiàn)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(jié)果，裝置的產(chǎn)量增加了1000桶/d，基于這種平均增長率，該優(yōu)化方案取得的效益為140萬美元/a。 b）一個化學(xué)反應(yīng)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(chǎn)。由于空氣氣壓的大幅度波動導(dǎo)致了進入反應(yīng)器的空氣－甲醇混合比大幅度波動，從而帶來了爆炸隱患?？諝鈮毫刂崎y被替換后，系統(tǒng)波動從15%減至1%，工藝過程穩(wěn)定，增加了工廠操作員對工藝控制的信心，反應(yīng)器的甲醇進料量因此增加，使產(chǎn)量提高了將近10%。 以上的例子強有力地證明，選擇適當(dāng)?shù)膠ui終環(huán)節(jié)——調(diào)節(jié)設(shè)備，可以使工廠達到zui低能耗水平，從而產(chǎn)生長遠的經(jīng)濟影響，工藝設(shè)備在實際過程中的作用能力得以真正體現(xiàn)。 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(shù)。研究表明，zui后控制環(huán)節(jié)設(shè)備的設(shè)計，包括閥、執(zhí)行機構(gòu)和定位器的設(shè)計，是在動態(tài)條件下取得良好過程控制特性的重要因素。zui重要的是，控制閥組件一定要被優(yōu)化發(fā)展為一臺整體設(shè)備，若將閥的各部件生硬地湊在一起，則不能產(chǎn)生良好的動態(tài)性能，設(shè)計時須考慮的重要因素包括：死區(qū)，執(zhí)行機構(gòu)/定位器的設(shè)計，流量特性，儀表風(fēng)壓力，閥型及尺寸。要仔細考慮每一個部件的設(shè)計特性，以發(fā)揮其*性能，從而zui終組合為1臺完整的控制閥。 3死區(qū)（磨擦及無效行程） 死區(qū)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(chǎn)生死區(qū)的主要原因。 死區(qū)是對一種常見現(xiàn)象的命名，該現(xiàn)象指調(diào)節(jié)器輸出值（CO）在一段區(qū)間變化卻不能對測量過程變量（PV）產(chǎn)生任何反應(yīng)。此時，負載擾動發(fā)生時，PV值將偏離設(shè)定值，偏差則通過工藝過程產(chǎn)生正確的動作，起初，調(diào)節(jié)器輸出的變化并未對過程變量的正確變化產(chǎn)生任伺影響，僅當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出變化大過死區(qū)時，過程變量的響應(yīng)變化才發(fā)生。 有些時候，調(diào)節(jié)器反向調(diào)節(jié)，在過程變量正確變化發(fā)生之前，調(diào)節(jié)器輸出信號必須再一次通過死區(qū)。過程中死區(qū)的確產(chǎn)生了這樣的影響，就是過程變量偏離設(shè)定點的偏差一定要持續(xù)增大，直至它大得足以通過死區(qū)。只有這樣，才能產(chǎn)生正確的動作。 死區(qū)是一種常見的現(xiàn)象，其原因有多種，而控制閥的磨擦及無效行程是兩種zui常見的因素。因為大多數(shù)常規(guī)調(diào)節(jié)器的動作是由微小的變化所產(chǎn)生的（例如1%或更少），一個存在很大死區(qū)的控制閥可能對許多這樣小的變化都沒有響應(yīng)。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(yīng)，這樣可以有效地減少過程的波動。然而，控制閥的死區(qū)達到5%或更高的現(xiàn)象卻非常普遍，zui近一個對煉油廠氣體分餾裝置的調(diào)查表明，30%的控制閥的死區(qū)超過4%，實際上，所調(diào)查回路中65%以上死區(qū)大于2%。對汽油調(diào)和裝置的另一項調(diào)查表明，多于50%的回路死區(qū)超過2%。 顯而易見，磨擦是控制閥產(chǎn)生死區(qū)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(yōu)化的一個重要考慮因素。旋轉(zhuǎn)閥經(jīng)常產(chǎn)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(zhuǎn)閥的密封處進行潤滑，但是幾百次循環(huán)轉(zhuǎn)動后，潤滑層脫落，閥門的摩擦力增大至設(shè)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(zhí)行機構(gòu)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(zhí)行機構(gòu)對控制閥產(chǎn)生的磨擦小于氣缸式執(zhí)行機構(gòu)。這就是彈簧和膜片式執(zhí)行機構(gòu)比氣缸式執(zhí)行機構(gòu)在被施加了小的控制信號時響應(yīng)更快的原因之一，以下還會詳述。 彈簧和膜片式執(zhí)行機構(gòu)另一個優(yōu)點是隨時間增長，磨擦特性不變。而氣缸式執(zhí)行機構(gòu)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(zhí)行機構(gòu)維修頻率高于彈簧和膜片式執(zhí)行機構(gòu)。 無效行程通指松動或機械機構(gòu)的不緊密連接，由于松動導(dǎo)致機械反向動作時呈現(xiàn)非連續(xù)性。無效行程通常產(chǎn)生于不同配置的齒輪驅(qū)動器，導(dǎo)軌式和齒輪式執(zhí)行機構(gòu)尤其可能因為無效行程易產(chǎn)生死區(qū)，很多閥桿連接也存在死區(qū)，齒槽連接通常比螺桿連接和雙“D”型連接產(chǎn)生的死區(qū)小。 然而磨擦是難于*消除的現(xiàn)象，一個性能良好的工程用控制閥應(yīng)該能夠從本質(zhì)上消除因無效行程而產(chǎn)生的死區(qū)。 4 執(zhí)行機構(gòu)－定位器設(shè)計 執(zhí)行機構(gòu)與定位器的設(shè)計必須一起考慮，這兩個部分的結(jié)合對控制閥組件靜態(tài)特性（死區(qū)）產(chǎn)生極大影響，也影響動態(tài)響應(yīng)和整臺閥的儀表風(fēng)耗量。 一個好的定位器對于減少工藝波動來說zui重要的特點是二級設(shè)計，即氣源能量放大后信號再放大。 在傳統(tǒng)二級式氣動定位器中，*級是典型的噴嘴－擋板機構(gòu)，該機構(gòu)相當(dāng)于一個高放大倍數(shù)的功率預(yù)放大器，這個功率預(yù)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(yù)放大器也允許定位器在動態(tài)條件下在較寬范圍內(nèi)維持高放大倍數(shù)。因為*級預(yù)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(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，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(jié)構(gòu)簡單近來頗為流行，該設(shè)計比二級式設(shè)計更易于持續(xù)工作且造價更低，缺點是，大多數(shù)滑閥式定位器取得一定的*性但犧牲了設(shè)計中的*級預(yù)放大。這個定位器的輸入是一個很簡單的轉(zhuǎn)換模塊，能夠?qū)⑤斎胄盘枺娀驓猓┺D(zhuǎn)化為滑閥的動作。這種結(jié)構(gòu)對小信號變化極不敏感，導(dǎo)致了控制閥組件死區(qū)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(diào)節(jié)設(shè)備能量的放大倍數(shù)，從一定程度上改善了性能，但也由于所謂的“高放大倍數(shù)”滑閥的存在而增大了氣源的消耗，許多“高放大倍數(shù)”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(fēng)耗量。 二級式定位器給幾乎每一臺閥提供的動態(tài)性能，相比之下，單級式定位器限制了控制閥的動態(tài)性能。 5儀表供風(fēng)壓力 儀表供風(fēng)壓力對控制閥組件的動態(tài)特性有重要影響，例如它可以顯著影響定位器的放大倍數(shù)和總儀表風(fēng)耗量。 固定放大倍數(shù)的定位器通常通過工作于特定的供風(fēng)壓力來優(yōu)化其性能，該放大倍數(shù)可以因為一些因素（小范圍風(fēng)壓波動）而變化。例如，一個經(jīng)過優(yōu)化且由138kPa供風(fēng)壓力供風(fēng)的定位器，當(dāng)供風(fēng)壓力突升至241kPa時，發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)降了一半，一個可調(diào)放大倍數(shù)的定位器需要以實際供風(fēng)壓力、執(zhí)行機構(gòu)的氣容、組件的摩擦力和控制閥的應(yīng)用場合來優(yōu)化放大倍數(shù)以提高靈敏度。 供風(fēng)壓力決定了傳遞到執(zhí)行機構(gòu)的氣體量，然后由它zui終決定行程速度，它與儀表風(fēng)的消耗指標(biāo)也直接相關(guān)。 6控制閥的種類和特性 控制閥的種類和口徑可以對系統(tǒng)中控制閥組件的特性產(chǎn)生很大的影響。許多人擔(dān)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(yīng)用場合，閥口徑過大也對過程工藝優(yōu)化不利。 控制閥的流通能力與控制閥種類的固有特性相關(guān)。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(shè)計有關(guān)。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(shù)。 閥放大倍數(shù)=流量變化/行程變化=斜率 線性特性在整個行程范圍內(nèi)均有恒定的閥放大倍數(shù)，快開特性在小開度時有固定的zui大放大倍數(shù)。對等百分比閥而言，閥的zui大放大倍數(shù)產(chǎn)生于開度zui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(yōu)化角度所考慮的整個系統(tǒng)的工作流量特性，包括閥和回路中的所有設(shè)備，工作流量特性被定義為通過閥的流量與閥桿行程的關(guān)系，此時閥被裝于一個特定的系統(tǒng)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。 7保持回路放大倍數(shù) 通過閥芯的設(shè)計而使閥放大倍數(shù)呈現(xiàn)各種特性，是對整個控制回路中其他環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)加以補償?shù)氖侄巍ui終目的是維持整個操作范圍內(nèi)回路放大倍數(shù)合理且一致。 一般而言，被控設(shè)備的放大倍數(shù)都隨流量變化而變，例如，若單體的放大倍數(shù)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(shù)增大。理想狀態(tài)下，這兩個反向關(guān)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(yōu)化的性能。當(dāng)流量在設(shè)定值附近變化的時候，期望保持回路放大倍數(shù)為一個常數(shù)來盡可能維持優(yōu)化性能。如果回路放大倍數(shù)因固有閥流量特性的變化而發(fā)生變化，不能地補償被控單體的放大倍數(shù)的變化，則整個回路放大倍數(shù)的波動將使過程優(yōu)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(wěn)定，或影響其他動態(tài)性能。 通常，可以接受的原則是使回路放大倍數(shù)變化不能超過4:1，否則，回路動態(tài)性能將會不穩(wěn)定。這個比例并非隨便給定，是由許多自控專業(yè)人員認可，這樣在大多數(shù)控制回路中，放大倍數(shù)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(chǔ)。 回路過程放大倍數(shù)=1.0對應(yīng)變送器量程，%/調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器外的回路中的每一個環(huán)節(jié)，例如，控制閥的放大倍數(shù)，被控設(shè)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(tǒng)操作范圍的特定放大倍數(shù)限度內(nèi)，使系統(tǒng)工作流量特性足夠線性化。如果閥本身產(chǎn)生太大的放大倍數(shù)的變化，調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)的靈活性就較小，經(jīng)驗告訴人們保持調(diào)節(jié)器的回路放大倍數(shù)盡可能大。 當(dāng)4:1的回路放大倍數(shù)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(shù)幅度，一些過程專家實際使用的放大倍數(shù)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(dǎo)致正常操作時控制閥大幅度振蕩。通常操作經(jīng)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，zui重要的是，過程優(yōu)化仍需選擇合適閥類型及口徑以在zui寬可操作范圍內(nèi)使放大倍數(shù)保持在可選幅度內(nèi)。 閥的可調(diào)比隨閥的類型而顯著變化，柱塞閥的可調(diào)比比蝶閥寬，實際上，在控制閥的性能體系上，柱塞閥顯出zui寬的可調(diào)比，其次是V型球閥。偏心旋轉(zhuǎn)閥可調(diào)比與球閥和V型球閥相比更窄，蝶閥通?？烧{(diào)范圍zui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(yōu)化。 如果閥的固有特性是可選的，這樣可以隨流量變化對設(shè)備的放大倍數(shù)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，這樣一個的數(shù)字是幾乎不可能的，因為有對數(shù)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(gòu)內(nèi)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(zhì)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(guān)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(shè)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(dāng)效果，但使用“凸輪特性”的效果在許多場合具有相當(dāng)?shù)木窒扌浴Ｒ驗橥馆喴诧@著地改變了定位器回路的放大倍數(shù)，而該放大倍數(shù)又嚴格限制了定位器的動態(tài)響應(yīng)。使用凸輪實現(xiàn)閥特性不如由閥芯實現(xiàn)*，但對于旋轉(zhuǎn)式閥對流量特性無法改變來說己進了一步。 一些電子設(shè)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(shù)“重新整定”了閥的輸入信號，方法是將線性4～20mA調(diào)節(jié)器信號依據(jù)數(shù)值表預(yù)編程，用這種方式產(chǎn)生閥的輸入達到了希望獲得的閥的特性。這種技術(shù)有時與“前饋”或“設(shè)定點”特性有關(guān)。 因為這種特性的確發(fā)生于定位器反饋回路之外，這種“前饋”或“設(shè)定點”的特性與定位器凸輪定義的特性相比有相當(dāng)?shù)?性。它避兔了定位器回路放大倍數(shù)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(tài)限制。例如，閥的調(diào)節(jié)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(dǎo)致0.1%的閥信號的變化（例如在特性曲線的平坦區(qū)），許多閥在信號變化如此小時均無響應(yīng)。 8閥的口徑 如果通過減小工藝過程的波動來優(yōu)化過程性能，zui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(zhuǎn)式閥，另外的原因是在工藝設(shè)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(dǎo)致了過程的波動，首先，大閥的放大倍數(shù)過大，給調(diào)節(jié)器所留的靈活性較小，而大多數(shù)回路增益來自于調(diào)節(jié)器時性能總是。 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?xí)?，尤其對于旋轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)幅度，導(dǎo)致對閥而言可調(diào)比較為狹窄。 zui后，因為一個大口徑閥對于一個給定信號的微小增加卻導(dǎo)致不成比例地大流量變化，這種現(xiàn)象能擴大由于摩擦等因素產(chǎn)生的死區(qū)導(dǎo)致的工藝過程的波動。 9結(jié)論 整個回路的優(yōu)化始終貫穿工藝過程的優(yōu)化，包括回路的硬件和軟件，為了取得切實的過程優(yōu)化，控制閥組件必須正確設(shè)計和選型，應(yīng)當(dāng)注意多考慮回路的動態(tài)性能而不是靜態(tài)性能。 當(dāng)大家重視以上所述時，過程優(yōu)化的經(jīng)濟效益就在總的經(jīng)濟效益中體現(xiàn)出重要的地位 |
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