调节阀增益的工程研究

孙鲁

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

调节阀增益的工程研究

孙鲁

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

从影响控制回路稳定的因素分析入手，研究调节阀增益在稳定工艺操作、控制中所起的作用，提出通过调整调节阀增益来稳定负荷变化带来的控制回路波动。针对调节阀安装使用后的特性和理论特性存在较大偏离，研究如何获得实际的安装增益，并根据工程实例分析加以说明。

回路增益；工艺增益；调节阀增益；阀阻比；调节阀流量特性

近年来，实时优化已经成为流程工业的趋势，国内大型石化企业的主要装置普遍采用优化控制技术，以平衡产品质量、产量和能耗，实现经济效益最大化。石化装置工程设计中为满足整体或者局部单元设备的负荷变化要求（含开/停车工况），需要考虑一定的弹性操作范围，而在生产负荷变化范围内，控制回路持续的稳定性是优化控制的基本条件。在实际生产运行过程中，控制回路常常会遇到因修改负荷的设定值后，系统振荡而无法投入自动，或者投自动后达不到规定的指标。为何改变负荷后，原来指标合格的控制回路趋向不可控？我们如何在工程设计阶段，提前考虑导致不可控的因素？通过何种有效措施避免控制回路的失控？这些问题是本文研究的核心所在。

1 控制回路的稳定条件

根据经典控制理论[1]，线性负反馈控制系统稳定的必要条件，为系统各个环节的增益之积数值在0.5附近，系统各个环节的增益之积称为控制回路增益（GLOOP），如图1所示。各环节增益指测量元件的增益（GS），通常指变送器或转换器；控制器的增益（GC），通常指 PID 算法中的P值；调节阀增益（GV）和工艺过程增益（GP）。当GLOOP增大回路趋向震荡，而 GLOOP变小则控制响应迟钝。

大部分工艺增益GP会随负荷变化，尤其换热过程的工艺增益还存在着非线性。通常，工艺负荷变化采用GP来表征。当GP变化时，需要通过改变GC或者GV来维持GLOOP为0.5理想值基本不变，以保持控制回路的线性特征。需要说明的是，变送器的增益GS可以认为是不变的。

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

1.1 调节阀增益（GV）的作用

根据以上描述，GP的变化需要GC或者GV去补偿。GP随负荷而变化，如蒸汽加热系统的GP随着负荷的增大而减小。考虑GC作补偿的话，实际情况是，PID参数是根据某个操作工况设置的，即经现场调试后GC能满足当时的控制指标，但在大负荷下所设定的PID参数可能在低负荷时会产生振荡，而在小负荷下所设定的PID参数在提高负荷时控制作用偏弱。在工程实践中，通常不会采用改变GC的方式来调整回路的稳定性，首先是因为要获得合适的GC需要连续改变生产负荷，记录下每个工艺特性GP的变化曲线，利用自整定软件去寻找最优参数，这对投运中的装置来说很难全部实现，比如不允许频繁改变运行中的燃料烧嘴负荷，其次是为避免频繁修改参数而出错，工厂一般会规定PID参数整定后不多作调整。然而，通过选用合适的调节阀使GV和GP的乘积成为线性或者近似线性，这种利用GV随负荷的变化去补偿GP的方法更加合理可行，这就决定GV在控制回路中的特殊地位。

1.2 GV的定义

GV是指流量Q的变化量和阀杆行程L变化量之间的比值[2]，即GV= dQ/dL。选择GV的大小是与GC相互关联的，理论上GC的大致设定范围是0.2 ～ 5，因为过小的GC导致控制器输出变化偏小，导致调节阀脱离不了死区而不动作；而过大的GC导致控制器输出变化偏大，控制作用太大导致系统振荡。结合GLOOP的要求，GV必须控制在某个范围内。

需要说明的是，控制器的输出范围对应了行程的变化范围。对于直行程执行机构而言，4 ～ 20 mA电流对应了0 ～ 100 %行程L的变化范围；对于角型执行机构，4 ～ 20 mA 电流对应了阀杆转角φ的范围。

1.3 决定GV的因素

调节阀的口径、安装流量特性和行程，三者决定了GV的大小，下面作各个分析。

1.3.1 调节阀的口径

对于相同的行程变化，大口径的调节阀具有更大的GV。可以理解为，对于控制器输出的相同的电流变化量，大口径调节阀能提供更多的流量增量。

1.3.2 调节阀的固有流量特性

流量特性指阀杆位移与流量之间的关系，常用的有等百分比、线性、快开三种流量特性。

1.3.2.1 等百分比流量特性

等百分比特性，其流量与行程的关系呈对数曲线。这种特性在行程的每一点，行程变化的百分数和该点流量变化的百分数是相等的，特点是开度小时流量变化小，开度大时流量变化大。见式（1）。

1.3.2.2 线性流量特性

线性特性，其流量与行程呈直线关系。这种特性，行程的百分数和流量的百分数呈线性比例，n%的行程基本上对应n%的流通能力，特点是单位行程的变化所引起的流量变化量是不变的。见式（2）。

1.3.2.3 快开流量特性

快开特性接近于反向的等百分比流量特性。见式（3）。

式中Q——流量；

Qmax——全开流量；

L——全行程；

R——可调比。

制造厂提供的流量特性是在阀二端压降恒定情况下测得的，被称为“固有流量特性”，见图2。根据GV的定义，这些特性曲线上每一点的斜率，就是该点阀门的增益GV，因此研究这些特性曲线对分析GV很有意义。等百分比特性的GV随流量（负荷）的增大而增大；线性特性的GV为恒定值，不随流量（负荷）而变化；快开特性的GV随流量（负荷）的增大而迅速减小，该流量特性通常用于做切断工况，本文不展开讨论。

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

1.3.3 调节阀理想增益

在固有流量特性曲线上求得的阀门增益，可称为理想增益。根据式（1）、式（2），可计算得到调节阀的理想增益。

2 调节阀安装增益

2.1 调节阀安装流量特性与阀阻比

固有流量特性是在调节阀压降恒定条件下获得的，但是调节阀安装投运后，由于管路阻力的存在，在流量变化的情况下分配给调节阀的压降是变化的，把阀压降和管路特性二者关联起来，在考虑阀压降变化的情况下，重新描述流量和行程之间的关系，此为调节阀的“安装流量特性”。可以这么说，安装特性不可能完全吻合固有特性，但我们研究的最终目标是安装特性。

对于常见的调节阀串联管路，当工艺要求提负荷即加大流量时，必定会增加管路上的压降，因此分配给调节阀的压降就会减小，流量越大分配给调节阀的压降就越小；反之，流量越小分配给调节阀的压降就越大。

调节阀全开时，分配给调节阀的压降与系统总阻力降的比值，称为阀阻比S，也称为压降比，系统总阻力降包含调节阀和管路所有阻力件的压降。S的大小取决于工艺专业的设计，它决定了调节阀的安装特性，图3表示了不同S下的安装流量特性。可以看到随着S的减小，相比于固有特性曲线，安装特性曲线均向左上方凸出，可以理解为，在大负荷下增加相同的行程，通过调节阀的流量增量都会减小，由此可见S导致调节阀的实际流量可控范围变小了。

图3 安装流量特性Fig.3 Installed fl ow characteristics

2.2 调节阀安装增益的获取

调节阀安装增益（GVI）定义为安装流量特性曲线上每点的斜率。以图3线性调节阀为例，它在40 %行程以下的斜率（即安装增益GVI）大于1，行程越小GVI越大；而对于70 %以上行程则GVI小于1，行程越大GVI越小。如果S为0.5，30 %行程时已经通过50 %的流量，这是因为小流量时分配给调节阀的压降偏大；60 %行程时已通过75 %的流量，换句话说，余下的40 %行程只能增加25 %流量，这就是S导致调节阀固有特性的畸变，如果S更小则畸变更大。

典型的等百分比特性的安装增益，如图4。可以看到该曲线以线性特性为中心“镜像弯曲”的，S越小，弯曲度越大。值得注意的是，在小行程时的GVI比理想增益要大，而随着流量的增大GVI逐步减小，这完全背离了等百分比阀理想增益的特点。

研究调节阀安装增益（GVI）的目的，是为了控制回路的动态特性，应该用安装增益而不是理想增益去补偿工艺增益GP。比如在以上例子中，在小行程时应减小控制器的GC避免系统振荡。

图4 等百分比特性阀的安装增益Fig.4 EQ% control valve installed fl ow characteristics

2.3 安装增益的合理范围

以下是安装增益的设计原则[3]：

（1）GVI＞0.5且GVI＜3.0。

（2）GVI（max）/GVI（min）＜2.0。

（3）尽量恒定。

（4）尽量接近1.0。

阀门的流量增加量是增益GV与行程变化的乘积。若GV太小则流量变化量很小，这就意味着调节阀的控制能力弱，系统响应迟钝；反之，若GV太大，阀门的流量控制偏差就会被放大GV的倍数，这对流量控制精度是非常不利的。

如果按次序遵循以上四个原则（最好都能满足），则可以设置一组PID参数能够适应负荷的变化，在这个范围内，即使GP随着负荷的变化很大，我们仍可在一定范围内调整GC值，使GLOOP数值回到0.5附近，这就为控制回路的稳定性奠定了基础。

2.4 GVI与R的关系

由于S导致调节阀在小行程下分配的压降变大，而在大行程下分配的压降变小，因此实际可调比要比理论数值小。我们可以用GVI来预估实际可调比，以图5为例。

虚线 ① 表示的是一台2"等百分比调节阀的理想增益，实线 ② 表示该阀门某工况下的安装增益。虚线 ③ 表示一台2"线性调节阀的理想增益，实线④ 表示该阀门在相同工况下的安装增益。

我们要求安装增益不能偏离理想增益的±25 %（即GVI的变化范围小于1.7），此偏离带的二条边界线与安装增益曲线的交点，就是我们要求的流量范围。可以看出，对于2"的等百分比调节阀，实际控制流量在5 % ～ 70 % ，折算成可调比为14；对于线性调节阀，实际控制流量在4 % ～ 60 % ，折算成可调比为15。

图5 GVI的偏差范围Fig.5 GVI Deviation range

该调节阀安装后的实际可调比不到理论值的二分之一，如果再考虑最小可控流量下的开度要求，R基本上是5 ～ 8倍。

3 工程实例

以一个典型的泵流量控制回路为例，见图6。图中表明了要求控制的流量范围和压力数值，目的是为了在此流量范围内选择合适的调节阀。

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

图7 安装流量特性Fig.7 InstalledFlow characteristic

图8 安装增益（GVI）Fig.8 InstalledGain

初步选用3"和6"两台V型球阀，固有特性为等百分比。我们使用某公司的计算软件Nelprof[4]生成安装流量特性见图7、安装增益见图8。

从图7上可以看出，对于相同的流量变化18 ～ 125 m3/ h，3"阀门的行程变化更大，因此它的流量控制精度更高；还可以看到随着流量的增大，分配给阀门的压降减小，使得V型球阀的安装流量特性趋向线性[5]。

从图 8 上可以分析安装增益，我们看出，6" 的调节阀在流量范围内的GVI都在2以上，最大增益接近3.5，相当于1 % 的行程误差就会产生3.5 % 的控制流量误差；3" 的调节阀符合安装增益的选用原则，而且在流量范围内GVI靠近 1.0，更适合于这个应用工况。综合以上分析，应该选用 3" 的调节阀。

4 结论

（1）合适的调节阀安装增益能使控制回路适应负荷变化的要求。

（2）选择合适口径和开度的调节阀，其最终目的就是选择其安装增益。

（3）由于管路阻力的存在，导致调节阀流量特性的偏离。尤其是等百分比特性，在大负荷下的GVI并没有增加，反而是减小的。

（4）对S接近于1的工况，如防喘振返流、容器泄压，我们应该选用线性特性，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

孙鲁（1980—），男，工程硕士，工程师。主要从事石油化工和化工过程自动化控制及仪表设计工作。