孫魯

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

調(diào)節(jié)閥增益的工程研究

孫魯

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

從影響控制回路穩(wěn)定的因素分析入手，研究調(diào)節(jié)閥增益在穩(wěn)定工藝操作、控制中所起的作用，提出通過調(diào)整調(diào)節(jié)閥增益來穩(wěn)定負(fù)荷變化帶來的控制回路波動(dòng)。針對調(diào)節(jié)閥安裝使用后的特性和理論特性存在較大偏離，研究如何獲得實(shí)際的安裝增益，并根據(jù)工程實(shí)例分析加以說明。

回路增益；工藝增益；調(diào)節(jié)閥增益；閥阻比；調(diào)節(jié)閥流量特性

近年來，實(shí)時(shí)優(yōu)化已經(jīng)成為流程工業(yè)的趨勢，國內(nèi)大型石化企業(yè)的主要裝置普遍采用優(yōu)化控制技術(shù)，以平衡產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。石化裝置工程設(shè)計(jì)中為滿足整體或者局部單元設(shè)備的負(fù)荷變化要求（含開/停車工況），需要考慮一定的彈性操作范圍，而在生產(chǎn)負(fù)荷變化范圍內(nèi)，控制回路持續(xù)的穩(wěn)定性是優(yōu)化控制的基本條件。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，控制回路常常會(huì)遇到因修改負(fù)荷的設(shè)定值后，系統(tǒng)振蕩而無法投入自動(dòng)，或者投自動(dòng)后達(dá)不到規(guī)定的指標(biāo)。為何改變負(fù)荷后，原來指標(biāo)合格的控制回路趨向不可控？我們?nèi)绾卧诠こ淘O(shè)計(jì)階段，提前考慮導(dǎo)致不可控的因素？通過何種有效措施避免控制回路的失控？這些問題是本文研究的核心所在。

1 控制回路的穩(wěn)定條件

根據(jù)經(jīng)典控制理論[1]，線性負(fù)反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件，為系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的增益之積數(shù)值在0.5附近，系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的增益之積稱為控制回路增益（GLOOP），如圖1所示。各環(huán)節(jié)增益指測量元件的增益（GS），通常指變送器或轉(zhuǎn)換器；控制器的增益（GC），通常指 PID 算法中的P值；調(diào)節(jié)閥增益（GV）和工藝過程增益（GP）。當(dāng)GLOOP增大回路趨向震蕩，而 GLOOP變小則控制響應(yīng)遲鈍。

大部分工藝增益GP會(huì)隨負(fù)荷變化，尤其換熱過程的工藝增益還存在著非線性。通常，工藝負(fù)荷變化采用GP來表征。當(dāng)GP變化時(shí)，需要通過改變GC或者GV來維持GLOOP為0.5理想值基本不變，以保持控制回路的線性特征。需要說明的是，變送器的增益GS可以認(rèn)為是不變的。

圖1 控制回路增益（GLOOP）Fig.1 Control loop gain

1.1 調(diào)節(jié)閥增益（GV）的作用

根據(jù)以上描述，GP的變化需要GC或者GV去補(bǔ)償。GP隨負(fù)荷而變化，如蒸汽加熱系統(tǒng)的GP隨著負(fù)荷的增大而減小?？紤]GC作補(bǔ)償?shù)脑?，?shí)際情況是，PID參數(shù)是根據(jù)某個(gè)操作工況設(shè)置的，即經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試后GC能滿足當(dāng)時(shí)的控制指標(biāo)，但在大負(fù)荷下所設(shè)定的PID參數(shù)可能在低負(fù)荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩，而在小負(fù)荷下所設(shè)定的PID參數(shù)在提高負(fù)荷時(shí)控制作用偏弱。在工程實(shí)踐中，通常不會(huì)采用改變GC的方式來調(diào)整回路的穩(wěn)定性，首先是因?yàn)橐@得合適的GC需要連續(xù)改變生產(chǎn)負(fù)荷，記錄下每個(gè)工藝特性GP的變化曲線，利用自整定軟件去尋找最優(yōu)參數(shù)，這對投運(yùn)中的裝置來說很難全部實(shí)現(xiàn)，比如不允許頻繁改變運(yùn)行中的燃料燒嘴負(fù)荷，其次是為避免頻繁修改參數(shù)而出錯(cuò)，工廠一般會(huì)規(guī)定PID參數(shù)整定后不多作調(diào)整。然而，通過選用合適的調(diào)節(jié)閥使GV和GP的乘積成為線性或者近似線性，這種利用GV隨負(fù)荷的變化去補(bǔ)償GP的方法更加合理可行，這就決定GV在控制回路中的特殊地位。

1.2 GV的定義

GV是指流量Q的變化量和閥桿行程L變化量之間的比值[2]，即GV= dQ/dL。選擇GV的大小是與GC相互關(guān)聯(lián)的，理論上GC的大致設(shè)定范圍是0.2 ～ 5，因?yàn)檫^小的GC導(dǎo)致控制器輸出變化偏小，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥脫離不了死區(qū)而不動(dòng)作；而過大的GC導(dǎo)致控制器輸出變化偏大，控制作用太大導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。結(jié)合GLOOP的要求，GV必須控制在某個(gè)范圍內(nèi)。

需要說明的是，控制器的輸出范圍對應(yīng)了行程的變化范圍。對于直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言，4 ～ 20 mA電流對應(yīng)了0 ～ 100 %行程L的變化范圍；對于角型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，4 ～ 20 mA 電流對應(yīng)了閥桿轉(zhuǎn)角φ的范圍。

1.3 決定GV的因素

調(diào)節(jié)閥的口徑、安裝流量特性和行程，三者決定了GV的大小，下面作各個(gè)分析。

1.3.1 調(diào)節(jié)閥的口徑

對于相同的行程變化，大口徑的調(diào)節(jié)閥具有更大的GV。可以理解為，對于控制器輸出的相同的電流變化量，大口徑調(diào)節(jié)閥能提供更多的流量增量。

1.3.2 調(diào)節(jié)閥的固有流量特性

流量特性指閥桿位移與流量之間的關(guān)系，常用的有等百分比、線性、快開三種流量特性。

1.3.2.1 等百分比流量特性

等百分比特性，其流量與行程的關(guān)系呈對數(shù)曲線。這種特性在行程的每一點(diǎn)，行程變化的百分?jǐn)?shù)和該點(diǎn)流量變化的百分?jǐn)?shù)是相等的，特點(diǎn)是開度小時(shí)流量變化小，開度大時(shí)流量變化大。見式（1）。

1.3.2.2 線性流量特性

線性特性，其流量與行程呈直線關(guān)系。這種特性，行程的百分?jǐn)?shù)和流量的百分?jǐn)?shù)呈線性比例，n%的行程基本上對應(yīng)n%的流通能力，特點(diǎn)是單位行程的變化所引起的流量變化量是不變的。見式（2）。

1.3.2.3 快開流量特性

快開特性接近于反向的等百分比流量特性。見式（3）。

式中Q——流量；

Qmax——全開流量；

L——全行程；

R——可調(diào)比。

制造廠提供的流量特性是在閥二端壓降恒定情況下測得的，被稱為“固有流量特性”，見圖2。根據(jù)GV的定義，這些特性曲線上每一點(diǎn)的斜率，就是該點(diǎn)閥門的增益GV，因此研究這些特性曲線對分析GV很有意義。等百分比特性的GV隨流量（負(fù)荷）的增大而增大；線性特性的GV為恒定值，不隨流量（負(fù)荷）而變化；快開特性的GV隨流量（負(fù)荷）的增大而迅速減小，該流量特性通常用于做切斷工況，本文不展開討論。

圖2 固有流量特性Fig.2 Inherent fl ow characteristics

1.3.3 調(diào)節(jié)閥理想增益

在固有流量特性曲線上求得的閥門增益，可稱為理想增益。根據(jù)式（1）、式（2），可計(jì)算得到調(diào)節(jié)閥的理想增益。

2 調(diào)節(jié)閥安裝增益

2.1 調(diào)節(jié)閥安裝流量特性與閥阻比

固有流量特性是在調(diào)節(jié)閥壓降恒定條件下獲得的，但是調(diào)節(jié)閥安裝投運(yùn)后，由于管路阻力的存在，在流量變化的情況下分配給調(diào)節(jié)閥的壓降是變化的，把閥壓降和管路特性二者關(guān)聯(lián)起來，在考慮閥壓降變化的情況下，重新描述流量和行程之間的關(guān)系，此為調(diào)節(jié)閥的“安裝流量特性”。可以這么說，安裝特性不可能完全吻合固有特性，但我們研究的最終目標(biāo)是安裝特性。

對于常見的調(diào)節(jié)閥串聯(lián)管路，當(dāng)工藝要求提負(fù)荷即加大流量時(shí)，必定會(huì)增加管路上的壓降，因此分配給調(diào)節(jié)閥的壓降就會(huì)減小，流量越大分配給調(diào)節(jié)閥的壓降就越小；反之，流量越小分配給調(diào)節(jié)閥的壓降就越大。

調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，分配給調(diào)節(jié)閥的壓降與系統(tǒng)總阻力降的比值，稱為閥阻比S，也稱為壓降比，系統(tǒng)總阻力降包含調(diào)節(jié)閥和管路所有阻力件的壓降。S的大小取決于工藝專業(yè)的設(shè)計(jì)，它決定了調(diào)節(jié)閥的安裝特性，圖3表示了不同S下的安裝流量特性?？梢钥吹诫S著S的減小，相比于固有特性曲線，安裝特性曲線均向左上方凸出，可以理解為，在大負(fù)荷下增加相同的行程，通過調(diào)節(jié)閥的流量增量都會(huì)減小，由此可見S導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流量可控范圍變小了。

圖3 安裝流量特性Fig.3 Installed fl ow characteristics

2.2 調(diào)節(jié)閥安裝增益的獲取

調(diào)節(jié)閥安裝增益（GVI）定義為安裝流量特性曲線上每點(diǎn)的斜率。以圖3線性調(diào)節(jié)閥為例，它在40 %行程以下的斜率（即安裝增益GVI）大于1，行程越小GVI越大；而對于70 %以上行程則GVI小于1，行程越大GVI越小。如果S為0.5，30 %行程時(shí)已經(jīng)通過50 %的流量，這是因?yàn)樾×髁繒r(shí)分配給調(diào)節(jié)閥的壓降偏大；60 %行程時(shí)已通過75 %的流量，換句話說，余下的40 %行程只能增加25 %流量，這就是S導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥固有特性的畸變，如果S更小則畸變更大。

典型的等百分比特性的安裝增益，如圖4。可以看到該曲線以線性特性為中心“鏡像彎曲”的，S越小，彎曲度越大。值得注意的是，在小行程時(shí)的GVI比理想增益要大，而隨著流量的增大GVI逐步減小，這完全背離了等百分比閥理想增益的特點(diǎn)。

研究調(diào)節(jié)閥安裝增益（GVI）的目的，是為了控制回路的動(dòng)態(tài)特性，應(yīng)該用安裝增益而不是理想增益去補(bǔ)償工藝增益GP。比如在以上例子中，在小行程時(shí)應(yīng)減小控制器的GC避免系統(tǒng)振蕩。

圖4 等百分比特性閥的安裝增益Fig.4 EQ% control valve installed fl ow characteristics

2.3 安裝增益的合理范圍

以下是安裝增益的設(shè)計(jì)原則[3]：

（1）GVI＞0.5且GVI＜3.0。

（2）GVI（max）/GVI（min）＜2.0。

（3）盡量恒定。

（4）盡量接近1.0。

閥門的流量增加量是增益GV與行程變化的乘積。若GV太小則流量變化量很小，這就意味著調(diào)節(jié)閥的控制能力弱，系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍；反之，若GV太大，閥門的流量控制偏差就會(huì)被放大GV的倍數(shù)，這對流量控制精度是非常不利的。

如果按次序遵循以上四個(gè)原則（最好都能滿足），則可以設(shè)置一組PID參數(shù)能夠適應(yīng)負(fù)荷的變化，在這個(gè)范圍內(nèi)，即使GP隨著負(fù)荷的變化很大，我們?nèi)钥稍谝欢ǚ秶鷥?nèi)調(diào)整GC值，使GLOOP數(shù)值回到0.5附近，這就為控制回路的穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。

2.4 GVI與R的關(guān)系

由于S導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥在小行程下分配的壓降變大，而在大行程下分配的壓降變小，因此實(shí)際可調(diào)比要比理論數(shù)值小。我們可以用GVI來預(yù)估實(shí)際可調(diào)比，以圖5為例。

虛線 ① 表示的是一臺(tái)2"等百分比調(diào)節(jié)閥的理想增益，實(shí)線 ② 表示該閥門某工況下的安裝增益。虛線 ③ 表示一臺(tái)2"線性調(diào)節(jié)閥的理想增益，實(shí)線④ 表示該閥門在相同工況下的安裝增益。

我們要求安裝增益不能偏離理想增益的±25 %（即GVI的變化范圍小于1.7），此偏離帶的二條邊界線與安裝增益曲線的交點(diǎn)，就是我們要求的流量范圍?？梢钥闯?，對于2"的等百分比調(diào)節(jié)閥，實(shí)際控制流量在5 % ～ 70 % ，折算成可調(diào)比為14；對于線性調(diào)節(jié)閥，實(shí)際控制流量在4 % ～ 60 % ，折算成可調(diào)比為15。

圖5 GVI的偏差范圍Fig.5 GVI Deviation range

該調(diào)節(jié)閥安裝后的實(shí)際可調(diào)比不到理論值的二分之一，如果再考慮最小可控流量下的開度要求，R基本上是5 ～ 8倍。

3 工程實(shí)例

以一個(gè)典型的泵流量控制回路為例，見圖6。圖中表明了要求控制的流量范圍和壓力數(shù)值，目的是為了在此流量范圍內(nèi)選擇合適的調(diào)節(jié)閥。

圖6 典型的泵流量控制回路Fig.6 Typical fl ow control loop of pump

圖7 安裝流量特性Fig.7 InstalledFlow characteristic

圖8 安裝增益（GVI）Fig.8 InstalledGain

初步選用3"和6"兩臺(tái)V型球閥，固有特性為等百分比。我們使用某公司的計(jì)算軟件Nelprof[4]生成安裝流量特性見圖7、安裝增益見圖8。

從圖7上可以看出，對于相同的流量變化18 ～ 125 m3/ h，3"閥門的行程變化更大，因此它的流量控制精度更高；還可以看到隨著流量的增大，分配給閥門的壓降減小，使得V型球閥的安裝流量特性趨向線性[5]。

從圖 8 上可以分析安裝增益，我們看出，6" 的調(diào)節(jié)閥在流量范圍內(nèi)的GVI都在2以上，最大增益接近3.5，相當(dāng)于1 % 的行程誤差就會(huì)產(chǎn)生3.5 % 的控制流量誤差；3" 的調(diào)節(jié)閥符合安裝增益的選用原則，而且在流量范圍內(nèi)GVI靠近 1.0，更適合于這個(gè)應(yīng)用工況。綜合以上分析，應(yīng)該選用 3" 的調(diào)節(jié)閥。

4 結(jié)論

（1）合適的調(diào)節(jié)閥安裝增益能使控制回路適應(yīng)負(fù)荷變化的要求。

（2）選擇合適口徑和開度的調(diào)節(jié)閥，其最終目的就是選擇其安裝增益。

（3）由于管路阻力的存在，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥流量特性的偏離。尤其是等百分比特性，在大負(fù)荷下的GVI并沒有增加，反而是減小的。

（4）對S接近于1的工況，如防喘振返流、容器泄壓，我們應(yīng)該選用線性特性，等百分比特性反而降低控制性能。

[1]B. G. LIPTáK and A. BáLINT.Process Control and Optimization [M].Springer New York ， 2003.

[2]Fisher EMERSON Process Management. Control Valve Source Book[Z].2013.

[3]Hans D. Baumann.ControlValvePrimer 4THEdition[M].2009.

[4]METSO Nelprof 6 Valve Sizing Software[CP].

[5]ISA-75.25.01. Test Procedure for Control Valve Response Measurement from Step Inputs[S].2000.

Study of Gain of Control valve in Engineering

Sun Lu
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai200120）

With respect to the factors to in fl uence the stability of control loop, the effects of the gain of control valve to the stability of the operation and control were studied. It was proposed in this article that the fl uctuation of control loop due to the change of loads can be adjusted with the gain of control valve. For the problem that in the installation and application of control valve relative large deviations exist in practical characteristics from theoretical ones, the method of obtaining practical gain was studied and explained with the analysis of engineering examples.

gain of loop; process gain; gain of control valve; control valve authority; fl ow characteristics of control valve

TQ 055.8+1

A

2095-817X（2017）06-0009-005

2017-07-26

孫魯（1980—），男，工程碩士，工程師。主要從事石油化工和化工過程自動(dòng)化控制及儀表設(shè)計(jì)工作。