量身定制控制阀流量特性的设计.pdf

第 5 O卷第 5 期 2 0 1 4年 1 O月 石油化工自动化 AUT0MATI ON I N P ETR - CHEMI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 5 O ，No ． 5 0t c ．2 0 1 4 量身定制控制阀流量特性 的设计 陈迎宪 ， 龚飞鹰 上海长成自控设备有限公司， 2 0 0 4 3 3上海 摘要 控制阀固有流量特性是制造商出厂时所具有的， 当安装到现场后， 由于阀两端压降与系统压降之比不为 1 ， 造成固有流 量特性发生畸变， 因而控制系统开环增益不能保持恒定 ， 使控制系统稳定性变差。采用被控对象静态特性确定控制阀工作流量 特性 ， 然后根据应用条件下的压降 比， “ 量身定制” 控制阀固有流量 特性 ， 改进后 的控制 阀应用在实 际条件时 ， 其工作流量特性能 够精确补偿被控过程的非线性 ， 即使在压降 比有 改变时 ， 仍 可较好地 补偿被 控对 象的非 线性 ， 从 而可有 效改 善控 制系统 的稳 定性 。 关键词 控制阀流量特性压降比静态特性 中图分类号 T H1 3 8 ． 5 2 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 4 0 5 ～ 0 0 6 3 0 4 De s i g n o n Fl o w Cha r a c t e r i s t i c of Ta i l o r - ma d e Co n t r o l Va l v e Che n Yi ng xi a n，Gon g Fe i yi ng S h a n g h a i C h a n g e h e n g Au t o ma t i o n Eq u i p me n t Co ．Lt d ．，S h a n g h a i ，2 0 0 4 3 3，Ch i n a Ab s t r a c t s Th e i n h e r e n t f l o w c h a r a c t e r i s t i c i s i t s p r o p e r t y wh e n c o n t r o l v a l v e l e a v e s ma n u f a c t u r e p l a n t ．Af t e r i n s t a l l a t i o n a t s i t e ，t h e i n h e r e n t f l o w c h a r a c t e r i s t i c wi l l b e d i s t o r t e d b e c a u s e r a t i o o f p r e s s u r e d r o p f r o m b o t h s i d e o f v a l v e a n d s y s t e m p r e s s u r e d r o p i s n o t e q u a l t o 1 ．As a r e s u l t ，c o n t r o l v a l v e o p e n - l o o p g a i n c a n ’ t k e e p s t a b l e ，a n d ma k e s s t a b i l i t y o f c o n t r o l s y s t e m p o o r ．Th e s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c o f c o n t r o l l e d o b j e c t i s a d o p t e d t o d e t e r mi n e c o n t r o l v a l v e wo r k f l o w c h a r a c t e r i s t i c ，i n h e r e n t f l o w c h a r a c t e r i s t i c o f c o n t r o l v a l v e i S t a i l o r - ma d e b a s e d o n p r e s s u r e d r o p r a t i o u n d e r a c t u a l a p p l i c a t i o n c o n d i t i o n ． Th e wo r k f l o w c h a r a c t e r i s t i c o f i mp r o v e d c o n t r o l v a l v e c a n c o mp e n s a t e n o n - l i n e a r o f c o n t r o l p r o c e s s u n d e r a c t u a l c o n d i t i o n ．I t c a n s t i l l c o mp e n s a t e n o n - l i n e a r p r o p e r t y o f c o n t r o l l e d o b j e c t p r e f e r a b l y e v e n i f p r e s s u r e d r o p r a t i o i s c h a n g e d ．Co n t r o l s y s t e m s t a b i l i t y c a n b e e f f e c t i v e l y i mp r o v e d ． Ke y wo r d s c o n t r o l v a l v e ；f l o w c h a r a c t e r i s t i c ；p r e s s u r e d r o p r a t i o；s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c 1 问题的提 出 控制阀固有流量特性是制造商 出厂时提供的。 当控制阀在工业生产过程中使用时， 由于存在压降 比 S ， 使 固有流量特性发生了畸变 ， 流量特性上凸， 造成 闭环控制系统的稳定性等指标变差 。通常 ， 只 能根据所需工作流量特性 ， 按经验法或根据压降比 法选用合适的固有流量特性_ 1 j 。 根据控制系统稳定运行准则 ， 是否可根据被控 生产过程的数学模型， 先确定其合适的控制阀工作 流量特性 ， 满足稳定性要求 ， 提高控制 系统 的性能 例如 ， 偏离度指标[ 3 ； 然后 ， 根据所需控制阀工作 流量特性和工况下 的压降 比设计控制 阀的固有流 量特性 ， 以实现量身定制控制 阀流量特性 ， 满足应 用要求。 笔 者根据 控 制 阀 工作 流量 特 性 、 固有 流量 特性 和压 降 比 的函数 关 系 ， 设计 了控 制 阀 固有 流量特性 ， 进行预 畸 ， 使工作 流量特性 满足应用 要求 。 当前 ， 随着对控制精度要求的不断提高 ， 对控 制阀的流量特性也提出了更高要求， 本文讨论的方 法对提高控制系统控制品质具有重要意义。为此， 笔者对“ 量身定制” 工作流量特性进行研究 ， 并据此 设计控制阀固有流量特性 。 2 工作流量特性的设计 控制阀安装在现场后 ， 其固有流量特性畸变成 为工作流量特性 ， 设 固有流量特性用 q一 ．厂 z 表 示， 工作流量特性用 q g z 表示。其中， q 相对流量 ； z 相对行程 ； s 控制 阀全 开时两 端压降与系统压降之比。因此， 它们均为量纲一的 稿件收到 日期 2 0 1 4 0 8 1 3 。 作者简介 陈迎 宪 1 9 5 4 ， 男 ， 现工作于上 海长成 自控 设备有 限 公 司， 研究方 向为控制阀设计和工业应用 ， 任 总经理 、 总工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 4 石油化工 自动化 第 5 O 卷 量 ， 变化范围是 0 ～1 。则考虑 S 后 的工作流量特 性可表示为 fr，、 Z 一 1 ／ 5 1 5 f 。 z 图 1显示控制 阀工作状况 固有流量特性 的畸 变 。可见， 控制阀工作状况下固有流量特性发生变 化 ， 其特点如下 1 S 一1 表示管道压降为零， 工作流量特性与 固有流量特性相同， 即系统压降全部降落在控制阀 两端时 ， 工作流量特性不发生畸变 。 2 随 S 的减小 ， 管道压 降增加 ， 控制阀两端压 降减小 ， 使控制阀全开时的最大流量下降 ， 实际可 调 比下降。 3 随 S 的减小 ， 工作流量特性 与固有 流量特 性之间的差异变大 ， 工作流量特性上 凸， S 越小 ， 上 凸越严重， 流量特性 的畸变使原有控制系统 的总开 环增益变化 ， 会严重影响系统控制 品质。 为此 ， 常用 的方法是根据所需工作流量特性确 定控制阀固有流量特性。解决 固有 流量特性畸变 的设计思路是根据压 降比设计控制阀固有流量特 性 。其设计依 据根据节 能要求 ， 在工 艺设计 时， 通常以压降 比为 0 ． 3 ～0 ． 5 设计管路和选用供能设 备_ 4 ； 控制 阀阀瓣 的设 计依据是流 量特性 函数 ， 只要 有所 需 的 流量 特性 函数关 系 ， 就 可设 计 阀 瓣E 6 9 ] ； 数控机床等加工设备 的广泛应用使复杂 函 数关系的阀瓣设计变得容易。 因此 ， 能否根据 S 的要求 ， 设计所需工作流量 特性是关键问题l 1 。 ， ， a 线性 b 等百分比 图 1 控制阀3 - ． 作状况下流量特性的畸变 厂 ， 与 g z 的关系如式 2 所示 ㈣一 2 、 二 二 根据式 2 ， 可确定不 同可调 比 R 下， 为达到 线性或对数工作流量特性 时控制 阀的固有流量特 O ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 c 快开 性。表 1 是根据不同压降比下为达到线性工作流 量特性时控制阀的固有流量特性值 ； 图 2是为达到 线性工作流量特性应采用 的控制 阀固有流量特性 曲线 ； 图 3 是为达到等百分 比工作流量特性应采用 的控制 阀固有流量特性 曲线 。表 2是等百分比工 作流量特性时的控制阀固有流量特性数据 。 表 1 线性工作流量特性时控制阀固有流量特性数据 R3 o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 陈迎宪等．量身定制控制阀流量特性的设计 1 ．0 O ． 8 O ． 2 O ．4 0 ． 6 0 ． 8 1 ．O 图 2 线性 工作特性控制阀所需 固有流量特性 1 ． 0 0 ． 8 0 ． 6 Ⅲ 悠 0 ． 4 围 O ．2 O f 图 3 等百分比工作特性控制阀所需 固有流量特性 表 2 等百分比工作流量特性时控制 阀固有流量特 性数 据 R3 o 3 按工作流量特性设计控制阀的效果分析 按上述设计方法 ， 可绘制不同 S 下的实际流量 特性 。图 4是按 s O ． 4设计 的线性流量特性的控 制阀， 并用于不同 S 时 的流量特性 ， 可见 在 S 一0 ． 4 时是标准线性 流量特性 。同样 ， 图 5是按 S 一0 ． 4 设计 的对数流量特性的控制阀， 并用 于不同 S 时的 流量特性 ， 在 5 0 ． 4时是标 准 的等 百分 比流 量 特性。 ， 图 4 线性工作特性控制 阀实际流量特性 ， 图 5 对数工作特性控制阀实际流量特性 与图 1比较 ， 可以发现 ， 按 s 一0 ． 4设计的控制 阀线性工作流量特性和对数流量特性 ， 在其他 S 值 下 ， 其曲线的畸变 明显减小 。在 S 一0 ． 4时能够获 得标准的线性工作流量特性和标准 的对数流量特 性 ， 满足应用要求。由于特性 曲线的畸变减小 ， 使 控制系统开环增益的变化减小。因此， 明显改善了 控制系统稳定性 ， 控制系统的偏离度得到改善 。 4 控制阀工作流量特性的确定 控制阀工作流量特性与被控生产过程特性有 6 4 2 0 O O O 掣 删堰 囤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 第 5 0卷 关 。下面以换热器生产过程为例， 说 明如何确定控 制 阀的工作流量特性l 2 ] 。 如图 6所示的单程、 逆流、 列管式换热器 ， 换热 器两侧没有发生相变 ， 列 出热量衡算式为 C 2 丁2 。 一 T2 。 一 q m C l T1 。 一 T1 3 式中 卜流体温度； ‰相应流体的质量流 量 ， k g ／ h ； r 一相应 流体 的比热容 ， k c a l ／ k g ℃ ； 下标 1 冷流体参数 ； 2 载热体参数 ； i 该流体进入传热设备的参数； o 该流体离开传 热设备的参数 。 睁 图 6 换 热 器换 热原理 示 意 换热器 的传热速率方程式可表示为 一 UA △丁m 4 式 中 U一 一传 热 系 数 ；A 传 热 面 积 ； △ 平均温度差 ， 对单程、 逆流换热器 ， 采用对 数平均值 ， 即 △ 一 等 ㈤ m 换热器 的静态特性基本方程可表示为 一 L 一 6 i “ U A 2 ＼ 一q f 2 ／ 因此 ， 载热体流量 q 到 出口温度 T1 。 通道增 益可表示为 ATl o一 曩 T in -- T li qm1 C1 图 7显示该环 节的增益 曲线 。从 图 7可见 ， K0 ， 即载热体流量增 大时， 出 E l 温度增大 。换 热器生产过程是一个具有饱和非线性特性的过程 ， 实际应用 中， 可根据图 7确定控制 阀的工作流量特 性 。图 8是所需工作流量特性曲线 ， 由于设计换热 器时， 当加热量不足时， 会增大传热面积， 因而， 对 进入饱和区有一定限制。图 8中还画出了等百分 比流量特性曲线 ， 可见两者的特性十分接近 ， 通常 在 2 0 ％以下 ， 等 百分 比流 量特 性 的数值 要 大些 R一3 0时的最大偏差为 3 ． 3 3 3 。 姑 H ．q ． ． ． m ．．2． C 2 [ 图 7 换 热 器 的特 性 注 曲线 1 ，2 ， 3 ，4表示 q m 1 C 1的值 ， 图 8 控制阀工作流量特性示意 需注意 ， 上述设 计是根据 q c 一 U A 确定 的。 可见选择等百分 比流量特性是正确 的。当设 计 的换热器进入饱和区的区域较大时 ， 计算得到的 控制阀工作流量特性会有较大差别 ， 但曲线的形状 仍相接近 。 因此 ， 如果控制 阀的工作流量特性是等百分 比 流量特性 ， 就可 以很好地补偿被控对象的非线性 ， 大幅提高控制系统稳定性， 明显改善控制系统的偏 离度 。 Ⅲ ] 。 5 结束语 考虑 到工 艺 管 路设 计 ， 通 常 以 压 降 比 为 0 ． 3 ～0 ． 5为设计依据， 因此， 用 S一 0 ． 3时线性和 等百分 比工作流量特性作为依据 ， 设计控制 阀固有 流量特性 ， 可以获得很好 的控制效果 。这种 “ 量身 定制” 的设计方法 ， 还可 以根据实际应用 的压降 比 和被控对象的静态特性确定所需工作流量特性 ， 并 设计合适 的控制阀固有流量特性 ， 为控制阀的应用 提供精确控制。 下转 第 8 7页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 张炜．精馏塔塔板液位的密度修正算法 8 7 De l t a b a r F MD7 2电子差压液位计上市 全球物位测量技术创始者之一 E n d r e s s Ha u s e r日前在中国发布了全新电子差压液位测量系统D e l t a b a r F MD 7 2 电子差压液位计。与传统差压液位计不同， 该产品的2个压力传感器直接连接到过程设备 ， 以无导压管、 无毛细管的新颖 设计 ， 消除了传统液位计受到环境温度影响导致的测量误差， 使带压罐体的液位测量更加可靠、 安全而经济。 该产品不再使用导压管和毛细管， 取而代之的是电缆， 从而克服环境温度变化对于 测量结果的影响。并可实现差压、 气相压力、 传感器温度 的多参数测量， 通过 HAR T诊 断功能实现对仪表的持续监控 ， 比传统毛细管系统的响应时间快 1 O倍。同时， 由于传感 器和变送器之间采用电缆互连 ， 没有了毛细管长度的局限性， 更可适用于超高罐体的液 位测量。另外， 它在安全性上提供更好的保障 消除了传统导压管系统常见的泄漏问题， 消除了导压管系统冷凝、 堵塞以及蒸发等问题， 减小现场工作人员的操作安全风险。此外 ， 各个部件可单独更换， 大大减少 备品备件库存， 比传统的差压液位计更加经济实用。 该产品已在北美地区受到用户的广泛认可和好评。特别是经过北美地区寒冷冬季的考验， 体现了卓越的实用价值。 J k 海恩德斯一 豪斯自动化设备有限公司 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m