調節閥增益的工程研究

孫魯

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

調節閥增益的工程研究

孫魯

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

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

回路增益；工藝增益；調節閥增益；閥阻比；調節閥流量特性

近年來，實時優化已經成為流程工業的趨勢，國內大型石化企業的主要裝置普遍采用優化控制技術，以平衡產品質量、產量和能耗，實現經濟效益最大化。石化裝置工程設計中為滿足整體或者局部單元設備的負荷變化要求（含開/停車工況），需要考慮一定的彈性操作范圍，而在生產負荷變化范圍內，控制回路持續的穩定性是優化控制的基本條件。在實際生產運行過程中，控制回路常常會遇到因修改負荷的設定值后，系統振蕩而無法投入自動，或者投自動后達不到規定的指標。為何改變負荷后，原來指標合格的控制回路趨向不可控？我們如何在工程設計階段，提前考慮導致不可控的因素？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 控制回路的穩定條件

根據經典控制理論[1]，線性負反饋控制系統穩定的必要條件，為系統各個環節的增益之積數值在0.5附近，系統各個環節的增益之積稱為控制回路增益（GLOOP），如圖1所示。各環節增益指測量元件的增益（GS），通常指變送器或轉換器；控制器的增益（GC），通常指 PID 算法中的P值；調節閥增益（GV）和工藝過程增益（GP）。當GLOOP增大回路趨向震蕩，而 GLOOP變小則控制響應遲鈍。

大部分工藝增益GP會隨負荷變化，尤其換熱過程的工藝增益還存在著非線性。通常，工藝負荷變化采用GP來表征。當GP變化時，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可以認為是不變的。

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

1.1 調節閥增益（GV）的作用

根據以上描述，GP的變化需要GC或者GV去補償。GP隨負荷而變化，如蒸汽加熱系統的GP隨著負荷的增大而減小?？紤]GC作補償的話，實際情況是，PID參數是根據某個操作工況設置的，即經現場調試后GC能滿足當時的控制指標，但在大負荷下所設定的PID參數可能在低負荷時會產生振蕩，而在小負荷下所設定的PID參數在提高負荷時控制作用偏弱。在工程實踐中，通常不會采用改變GC的方式來調整回路的穩定性，首先是因為要獲得合適的GC需要連續改變生產負荷，記錄下每個工藝特性GP的變化曲線，利用自整定軟件去尋找最優參數，這對投運中的裝置來說很難全部實現，比如不允許頻繁改變運行中的燃料燒嘴負荷，其次是為避免頻繁修改參數而出錯，工廠一般會規定PID參數整定后不多作調整。然而，通過選用合適的調節閥使GV和GP的乘積成為線性或者近似線性，這種利用GV隨負荷的變化去補償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相互關聯的，理論上GC的大致設定范圍是0.2 ～ 5，因為過小的GC導致控制器輸出變化偏小，導致調節閥脫離不了死區而不動作；而過大的GC導致控制器輸出變化偏大，控制作用太大導致系統振蕩。結合GLOOP的要求，GV必須控制在某個范圍內。

需要說明的是，控制器的輸出范圍對應了行程的變化范圍。對于直行程執行機構而言，4 ～ 20 mA電流對應了0 ～ 100 %行程L的變化范圍；對于角型執行機構，4 ～ 20 mA 電流對應了閥桿轉角φ的范圍。

1.3 決定GV的因素

調節閥的口徑、安裝流量特性和行程，三者決定了GV的大小，下面作各個分析。

1.3.1 調節閥的口徑

對于相同的行程變化，大口徑的調節閥具有更大的GV?？梢岳斫鉃?，對于控制器輸出的相同的電流變化量，大口徑調節閥能提供更多的流量增量。

1.3.2 調節閥的固有流量特性

流量特性指閥桿位移與流量之間的關系，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，其流量與行程的關系呈對數曲線。這種特性在行程的每一點，行程變化的百分數和該點流量變化的百分數是相等的，特點是開度小時流量變化小，開度大時流量變化大。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系。這種特性，行程的百分數和流量的百分數呈線性比例，n%的行程基本上對應n%的流通能力，特點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GV的定義，這些特性曲線上每一點的斜率，就是該點閥門的增益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（負荷）的增大而增大；線性特性的GV為恒定值，不隨流量（負荷）而變化；快開特性的GV隨流量（負荷）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 調節閥理想增益

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

2 調節閥安裝增益

2.1 調節閥安裝流量特性與閥阻比

固有流量特性是在調節閥壓降恒定條件下獲得的，但是調節閥安裝投運后，由于管路阻力的存在，在流量變化的情況下分配給調節閥的壓降是變化的，把閥壓降和管路特性二者關聯起來，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系，此為調節閥的“安裝流量特性”?？梢赃@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是安裝特性。

對于常見的調節閥串聯管路，當工藝要求提負荷即加大流量時，必定會增加管路上的壓降，因此分配給調節閥的壓降就會減小，流量越大分配給調節閥的壓降就越??；反之，流量越小分配給調節閥的壓降就越大。

調節閥全開時，分配給調節閥的壓降與系統總阻力降的比值，稱為閥阻比S，也稱為壓降比，系統總阻力降包含調節閥和管路所有阻力件的壓降。S的大小取決于工藝專業的設計，它決定了調節閥的安裝特性，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，在大負荷下增加相同的行程，通過調節閥的流量增量都會減小，由此可見S導致調節閥的實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 調節閥安裝增益的獲取

調節閥安裝增益（GVI）定義為安裝流量特性曲線上每點的斜率。以圖3線性調節閥為例，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 %行程時已經通過50 %的流量，這是因為小流量時分配給調節閥的壓降偏大；60 %行程時已通過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導致調節閥固有特性的畸變，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?？梢钥吹皆撉€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。

研究調節閥安裝增益（GVI）的目的，是為了控制回路的動態特性，應該用安裝增益而不是理想增益去補償工藝增益GP。比如在以上例子中，在小行程時應減小控制器的GC避免系統振蕩。

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計原則[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，這就意味著調節閥的控制能力弱，系統響應遲鈍；反之，若GV太大，閥門的流量控制偏差就會被放大GV的倍數，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原則（最好都能滿足），則可以設置一組PID參數能夠適應負荷的變化，在這個范圍內，即使GP隨著負荷的變化很大，我們仍可在一定范圍內調整GC值，使GLOOP數值回到0.5附近，這就為控制回路的穩定性奠定了基礎。

2.4 GVI與R的關系

由于S導致調節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，因此實際可調比要比理論數值小。我們可以用GVI來預估實際可調比，以圖5為例。

虛線 ① 表示的是一臺2"等百分比調節閥的理想增益，實線 ② 表示該閥門某工況下的安裝增益。虛線 ③ 表示一臺2"線性調節閥的理想增益，實線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，就是我們要求的流量范圍?？梢钥闯?，對于2"的等百分比調節閥，實際控制流量在5 % ～ 70 % ，折算成可調比為14；對于線性調節閥，實際控制流量在4 % ～ 60 % ，折算成可調比為15。

圖5 GVI的偏差范圍Fig.5 GVI Deviation range

該調節閥安裝后的實際可調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 工程實例

以一個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值，目的是為了在此流量范圍內選擇合適的調節閥。

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V型球閥，固有特性為等百分比。我們使用某公司的計算軟件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" 的調節閥在流量范圍內的GVI都在2以上，最大增益接近3.5，相當于1 % 的行程誤差就會產生3.5 % 的控制流量誤差；3" 的調節閥符合安裝增益的選用原則，而且在流量范圍內GVI靠近 1.0，更適合于這個應用工況。綜合以上分析，應該選用 3" 的調節閥。

4 結論

（1）合適的調節閥安裝增益能使控制回路適應負荷變化的要求。

（2）選擇合適口徑和開度的調節閥，其最終目的就是選擇其安裝增益。

（3）由于管路阻力的存在，導致調節閥流量特性的偏離。尤其是等百分比特性，在大負荷下的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化控制及儀表設計工作。