控制阀安装性能
2.1一般
在本章中，我们将介绍一个过程管道模型和计算过程，使用阀门尺寸和选择软件可以快速准确地预测控制阀安装性能。所有计算点都考虑了阻塞流条件，这一因素在先前提出的模型中被列为限制因素。详细讨论了结果及其应用，并给出了如何使用数字控制器信号修正块修正非线性安装流量特性的实用指南。
同样需要注意的是，控制阀安装精度是应该用来判断控制阀精度的方法，而不仅仅是机械精度。安装增益乘以机械精度得到安装流量精度。
2.2运行条件
成功的控制阀的尺寸和选择取决于了解将要安装阀门的系统中的实际工艺条件。众所周知，很少有关于操作条件的明确资料。对流量条件的假设越多，控制阀的通径就越不准确。幸运的是，当精确地知道一些流量条件时，可以找到一种算法来模拟给定控制阀在整个流量范围内的行为。
2.3选择控制阀
调节阀的选择分为两部分。首先是机械选择，根据良好的工程实践和当地法律法规，选择合适的阀门类型、材料和压力等级，以确保安全可靠的性能。这种选择应该根据每种阀门类型的公告和技术信息进行。其次，是所选阀门的尺寸，在确定给定阀门类型的尺寸的同时，要尽量防止不必要的现象，如过度噪音或液体空化。在确定阀门通径后，进一步预测阀门的安装性能，以淘汰控制性能差的阀门，如狩猎、响应过慢或过快以及精度差。
这种控制阀的选择主要考虑尺寸和安装性能。应该注意的是，这些计算本身并不能保证选择正确的阀门。因此，仔细的机械和材料评估应始终在尺寸计算之前。
2.4控制阀流量特性
在过去，控制阀的选择主要是基于近似估计方法和实际经验。现代尺寸和选择软件能够更快、更准确地计算方法，为每个单独的工艺应用选择具有最佳可控性和准确性的控制阀。该方法基于对所安装阀门的实际流量特性和增益的建模或预测。
2.4.1固有流量特性
控制阀的最佳通径和类型的选择从阀门的固有流量特性开始。因此，所有控制阀类型都必须经过实验室测试，以确定其确切的固有流量特性。
阀门固有流量特性的定义是为了保持阀门上的压差(∆p)恒定。由于压差(∆p)恒定，通过阀门的流量(q)与阀门流量系数(C)成正比v)，如简化式(8)所示。
因为阀门流量系数(Cv)反映了阀门的有效流量横截面，阀门固有流量特性反映了有效流量横截面随相对行程(h)的变化情况。
图16显示了最常见的阀门固有流量特性。相对流量系数F的确定如式(9)所示。
固有的流动特性是通过阀门的流动曲线的形状，在阀门上有恒定的压降。请注意，在任何情况下，如果工艺管道连接到阀门上，管道压力损失(流量的函数)将导致阀门压降作为流量的函数变化，即使源和接收端的压力是恒定的。
A.快开固有流量特性
用很小的开口达到接近最大值的流量特性。最常用于截止阀的开关和由于执行器的性质而只能提供有限行程的情况下，如在泵调节器的情况下。
B.线性固有流动特性
阀门相对开度与流量百分比直接相关的一种流量特性。例如，一个开度为50%的阀门提供50%的最大流量，阀门上的压降恒定。如果通过阀门的压降保持绝对恒定，与流量无关，这将是最优的固有流量特性，因为在这种情况下，固有流量特性等于安装流量特性。
C.等百分比固有流量特性
一种流量特性，在这种特性中，阀门开度的等量增量导致流量的恒定百分比增加，同时阀门上的压降恒定。在正常控制阀应用中，由于系统其他部分(如管道、泵、热交换器等)的压力损失增加，控制阀可用的压降量随着阀门的打开而减小，其设计用于线性化安装流量特性。
2.4.2安装流量特性
在操作条件下，控制阀是工艺管道的一部分。在阀门行程范围内，跨阀门的压差很少是恒定的，因为随着流量的增加，流动中的动态压力损失导致阀门进口压力下降，出口压力上升。对于安装的阀门，流量(q)对行程(h)的依赖关系，即安装流量特性曲线的形状，因此是工艺管道和阀门固有流量特性的函数。图17说明了安装在工艺管道上的控制阀所发生的压差变化。
图17。由于流量的变化而导致的通过阀门的有效压差的变化。
用工艺压力比系数DP来描述工艺管道的特性f或DP米。下标表示阀门全开的情况(下标f)或打开以启用最大流量(下标米)过程所需要的。工艺压力比因子DP米为工艺最大流量时通过阀门的压差除以阀门关闭时通过阀门的压差，如式(10)所示。
当工艺中至少有两种不同的流动条件已知或工艺压比因子DP时，可以通过定径和选择软件确定工艺管道的特性米描述了管道的特性和已知的最大流量条件。
工艺压力损失相对于流速的平方，流速又对应于流量的平方。这一基本假设有助于建立阀门进口和出口压力变化的模型。
图18显示了在工艺应用中使用偏心旋转旋塞控制阀的尺寸和选择软件计算的安装流量特性曲线。
2.4.3安装增益
安装流量特性曲线的质量，相对于阀门的可控性和准确性，可以通过阀门增益曲线的手段来检查。它描述了在不同的阀门行程量下，安装流量特性曲线斜率所发生的变化。安装的阀门的增益是相对流量(dQ)的变化p= d (q / q米)除以相对行程变化量dh，如式(11)所示。
安装增益给出流量变化率作为信号变化的函数。增益1意味着阀门开度的1%变化导致流量变化为最大流量的1%。增益2意味着信号1%的变化导致相对流量(dQ) 2%的变化p)，等等。
流量变化(dQp)可表示为式(12)。
换句话说，流量的变化(dQp)为增益(G)乘以气门行程变化(dh)。
由式(12)可以看出，增益(G)在所需流量范围内的变化引起不同的相对流量变化(dQ)p)表示相同的相对信号变化。对于流程可控性来说，这通常是不可取的。
安装的阀门增益是选择最优控制阀通径和特定工艺应用的固有流量特性的起点。对于大多数控制回路中的标准PID控制器，最好的固有流量特性是在所需流量范围内提供最接近恒定的安装增益。在这种情况下，即使在过程工作范围内负载发生变化，控制器的参数调优也能保持最优和不变。然而，在应用上述规则时，必须注意的是，只有对控制回路进行全面的动态分析才足以包括过程和设备的所有非线性，并绝对保证选择最佳控制阀。这种分析方法在控制阀仿真程序中是可行的。
安装增益允许极限的经验法则是，在工艺操作范围内应避免增益变化大于2(式(13))或相对增益小于0.5(式(14))。
图19和图20说明了为每种应用选择合适通径的控制阀的重要性。如图19所示，过大的控制阀会导致小流量的高增益，从而导致较差的控制精度和可能的猎空。选择较小的阀将降低增益，从而实现高精度和稳定的控制，如图20所示。
图21显示了一种新型偏心旋转旋塞控制阀的安装增益曲线示例。从图中可以看出，偏心旋转旋塞控制阀的固有流量特性获得了几乎恒定的增益。这通常是工艺操作范围内的最佳增益。此外，平滑增益的结果在优秀的控制精度。
2.4.4计算方法
使用尺寸和选择软件，如果至少有两组独立的流量条件，或者如果工艺最大流量和DP，则可以预测所安装的控制阀流量特性和增益曲线米因素是已知的。
该程序准确地预测安装的控制阀性能，如果以下条件是真的:
条件1:过程是这样的，特定的流量对应于通过阀门的特定压降。
条件2:通过控制阀的压降变化取决于管道系统中的压力损失，这些压力损失的总和与流速的平方成正比。
该程序通过以下步骤计算安装流量特性和增益:
- 使用给定的流量数据，程序生成压力的过程模型，并检查上述条件1和2是否满足。使用“最小二乘和”方法建立了阀门进口和出口压力的过程模型，使其在压力原点处的导数为零
- 该程序预测流量通过全开的控制阀(qf)，利用过程模型来确定全开控制阀的压降。可能堵塞的液体流量，由压力恢复系数(Fl)，或临界气体流量，由压降比因子(xT)，在确定通过全开控制阀(qf)．
- 整个流量范围内的阀门压降、开度和预测噪声水平以最大流量(qf)．屏幕上显示的安装流量特性为相对流量(q/qf)，即实际流量除以全开阀门内的流量，给出相对行程(h)的函数。
- 安装控制阀增益是用有限差分法定义的安装流量特性曲线的斜率。值得注意的是，安装增益曲线是作为最大工艺流量(q/q)的函数计算和绘制的米)，而不是阀门全开时流量的函数(q/qf)．这很重要，因为它允许根据工艺要求比较不同的阀门类型和通径，而不仅仅是从阀门。值得一提的是，与全开阀门中作为流量函数呈现的增益相比，这种方法增加了增益。
过程模型和DP米选择
为了计算安装的控制阀流量特性和增益，必须有一个过程模型，根据该模型，过程管道中涉及的压力发生变化，因为程序根据流量数据确定过程模型。在大多数情况下，所使用的过程压力模型是这样的:通过控制阀的压降随着打开控制阀引起的流量增加而减小。
当已知至少两种流动条件(如最大流量和最小流量)的压力条件(上游压力、阀门压降)和流量时，工艺的压力行为可以足够准确地用于实际目的。如果只有最大流量的过程(q米)和相应的压降(∆p .米)为已知时，可通过工艺压力比DP求得工艺模型米，如图22所示。
图22。过程压力模型。
DP米是系统最大工艺流量时总动压损失中阀门压力损失的部分。DP的米因此，从系统压力损失计算中应该很容易获得信息。
该程序能够计算压力过程模型使用两个或多个给定的流动条件，如果这些流动条件符合条件1和2的程序。图23给出了程序可以处理的已定义流程模型的示例，以及程序不能处理的未定义流程模型的示例。
图23。已定义和未定义流程模型的示例。
工艺压力比DP米受管道内动压损失的影响。管道压力损失由管道长度、管径、表面粗糙度和管道构件的个别阻力产生。此外，通过控制阀的压降取决于流速和管道边界条件，例如，如果流体是液体，在评估通过阀门的压降变化时，需要考虑泵曲线。
DP米Ratio使程序用户有机会评估和优化管道结构选项以及不同阀门对整个过程总体功能的影响。DP的米可以优化比例，使控制阀使用的能量最少，从而显著节省泵送的能源成本。下面的A和B给出了DP选择的例子米液体和气体的比例。
A.液体流动
在实践中，大多数工艺管道系统现在的设计使控制阀在最大设计流量下的压力损失大约是管道中总动态压力损失的三分之一。在这种情况下，DP米作为液体管道的经验法则，比例如式(15)所示。
如前所述，管道设计人员是计算实际DP的宝贵资产米因素，特别是对于新的管道系统。旧系统可以用常识来评估，以确定DP米对于目前的目的来说，比率足够精确。图24给出了DP的估计米两种不同工艺管道的比例。
图24。评估DP米液流量比。
B.气体流量
对于可压缩流，例如气体和蒸汽，控制阀上的压降变化通常比液体流的压降变化小。提出气体和蒸汽流动的“经验法则”的困难在于，首先，在不同的工艺和管道系统中有巨大的变化，其次，流体的压缩性，特别是在大流速时，对控制阀上的压降有很大的影响。式(16)给出了“经验法则”，可以在没有准确信息可用时使用。
尝试几种可能的DP米在这种情况下，建议使用比率来查看这对安装流量特性和增益的影响。DP的一些例子米图25给出了不同工艺管道系统中气体或蒸汽流量的比值。
图25。DP评价米气体和蒸汽流量的比率。
2.4.5控制阀精度
控制回路中的控制阀在很大程度上决定了整个控制回路功能的质量。因此，应特别注意控制阀的选择，以便从控制回路的其他组件(如测量装置和DCS过程控制系统)的广泛产品开发中获得充分的好处。
控制阀是最后的控制元件，它是一种机械装置，用于控制流量或压力的变化。因此，控制阀的精度是定义整个控制回路精度的一个主要因素。
式(17)中的安装增益(G)为控制阀安装增益，可通过定径选型软件计算得到。
控制阀控制流量的精度是控制阀总成的机械误差乘以安装流量增益。单独的机械误差数字并不能表明所控制的流量的准确性。
2.4.6控制阀特性
控制阀的固有流量特性通常选择在过程操作范围内，尽管负载变化，控制器调谐可以保持不变。如果被控制的过程是非线性的，控制阀的流量特性也应该是非线性的。因此，控制阀的流量特性将补偿非线性过程。
然而，过程控制系统的快速发展使得应用高度发达的控制策略和算法成为可能。在这种情况下，倾向于选择控制回路的各个子部分，使其在过程操作范围内尽可能线性。对于控制阀，可以通过选择具有线性安装流量特性和在给定工艺流量范围内恒定增益的阀门类型和通径来实现。
在某些应用中，由于精度要求或工艺条件，使用正常范围的阀门无法实现所需的安装流量特性或增益。在这种情况下，可以使用特性来修改阀门的流量特性，如图26所示。
大多数控制系统假定控制阀的安装流量特性是线性的。因此，为了使控制阀的性能达到最佳，应采取相应的措施，通过选择阀门的风格和类型，确保安装后的流量特性尽可能接近线性。
图26。通过修改控制器输出来表征控制阀。
控制阀性能的表征基本上可以通过四种不同的方式来实现，即通过修改:
- 控制器输出，如图26所示
- 定位器中的信号
- 阀门控制孔、阀塞或两者都有
- 模拟定位器的坡度反馈CAM或利用数字定位器的表征特性。
图26显示了在需要恒定增益的控制阀的情况下，通过控制器输出修改执行的控制阀特性。在这种情况下，控制阀安装有一个带有线性反馈凸轮的电动气动定位器。
当安装的流量特征图相对流量(Q)替换为线性化块的输入信号(I)，相对行程(h)替换为线性化块的输出(I)时，可以使用定径软件绘制图27中的控制器特性曲线国防部)：
图27所示。由测浆软件生成的表征曲线。
现代过程控制器能够通过信号修正使控制阀安装特性线性化。此方法通过使用图27所示的图形应用，为特定应用程序提供了精确的线性化。
定位器凸轮的修改只是扭曲了阀门固有的流量特性，而没有考虑到具体系统的实际要求。
通过修改定位器反馈凸轮来修改控制阀特性，可以使用图28中的框图进行研究。
图28。控制阀框图。
图29。线性位置控制。
反馈系统的行为可以通过传递函数来研究。图29说明了位置闭环增益的公式(19)。
如式(19)所示，位置控制中的增益取决于系统各块的增益。
图30。非线性位置控制。
图30表示通过修改定位器反馈凸轮执行的非线性位置控制。
定位器凸轮修正的问题在于修正是在定位器的机械反馈回路中进行的。因此，修正是在需要修正的地方之后进行的。凸轮修改因此只适用于非常慢的控制回路。此外，它有以下缺点:
- 控制阀在一个流量范围内运行得非常快，在另一个流量范围内运行得非常慢，这是由于反馈增益(G神奇动物)随阀门开度(h)的不同而变化，即控制回路时间常数随阀门位置的变化而变化。
- 由于式(20)给出的稳定性判据，控制阀位置控制在一定的开度范围内会不稳定。
图31所示。非线性位置控制误差。
如果用控制器输出修正代替非线性机械反馈来表征控制阀，情况会有很大的变化。现在可以用图32中的框图来描述它。
图32。控制阀由控制器输出信号表征。
在实践中，通过修改控制器输出来表征意味着:
- 与气动和机械水平上的变化相比，信号水平上的安装特性修改非常快。
- 定位器的误差是恒定的，不随开口而改变。
- 位置控制不稳定的可能性很小。