★自控工程設(shè)計(jì)中控制閥流量特性的選用問題

1、自控工程設(shè)計(jì)中控制閥流量特性的選用問題作 者： 管豐年 徐森摘 要： 分析了控制閥的理想流量特性到工作流量特性的畸變原因及其畸變過程，介紹了流量特性的選擇步驟及方法，并就如何提高控制閥的適應(yīng)性和控制閥選用中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了探討。關(guān)鍵字： 控制閥 流量特性 壓降比 控制系統(tǒng)1 問題的提出控制閥作為過程控制的終端元件，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程中，其技術(shù)和使用條件比較成熟，但由于生產(chǎn)中不確定因素多，對(duì)象的特性又多種多樣，使得控制閥的選用比較復(fù)雜，并且控制閥的性能指標(biāo)如何又直接影響到過程控制的質(zhì)量好壞，尤其是流量特性的確定。在此，就控制閥理想流量特性的選擇問題進(jìn)行探討。2 控制閥的流量特性控制閥出廠時(shí)所

2、標(biāo)明的都是理想流量特性，是按閥兩端壓降固定不變的理想狀況來設(shè)計(jì)的，主要有圖11所示的直線型、對(duì)數(shù)型、拋物線型和快開型4種形式。圖中的l/L表示相對(duì)開度，qV/qVmax表示相對(duì)流量。但實(shí)際應(yīng)用過程中，由于多種因素的影響，如管道內(nèi)壁壓降、管件局部阻力壓降等的存在和變化，使得控制閥在不同開度下的壓降發(fā)生變化，理想的流量特性會(huì)畸變?yōu)楣ぷ髁髁刻匦?。即使相同的控制閥，當(dāng)應(yīng)用于不同的管路系統(tǒng)中時(shí)，其工作特性一般也是不一樣的。通常用壓降比S來反映流量特性的畸變程度。式中pV全開-控制閥全開時(shí)閥上的壓力降；ps總-包括控制閥在內(nèi)的全部管路系統(tǒng)的總壓降。生產(chǎn)過程中，由于控制閥通常串聯(lián)在管路系統(tǒng)中，閥門開度的變化

3、自然會(huì)引起流量的變化。根據(jù)流體力學(xué)原理，管道中流體壓力的損失與流速的平方成正比。因此，控制閥的開度一旦改變，流量就會(huì)變化，管路系統(tǒng)各處的壓力降也都相應(yīng)地變化，其變化情況如圖22所示。由控制閥上壓差的變化量pVi，壓差pV，開度l/L及壓降比S的關(guān)系公式式中qVmax-管道壓力降等于零時(shí)控制閥的全開流量； qV-控制閥在l/L開度時(shí)的流量。從上式可以看出，控制閥的工作流量特性是受S直接影響的。在S=1時(shí)，管道阻力降為零，系統(tǒng)的總壓降全部降落在控制閥上，實(shí)際的工作流量特性與理想流量特性一致。但隨著管道阻力降的增加，S值變小，不僅控制閥全開時(shí)的流量減少，曲線下移，而且流量特性也發(fā)生了很大畸變，理想的

4、直線特性畸變?yōu)榭扉_工作特性，理想的對(duì)數(shù)特性畸變?yōu)橹本€工作特性，如圖33所示。3 控制閥理想流量特性的選擇方法根據(jù)一般對(duì)象的特性，控制閥流量特性的選擇問題，實(shí)際上就是如何選擇直線型和對(duì)數(shù)型流量特性的問題。應(yīng)首先根據(jù)工藝過程情況確定工作特性，然后根據(jù)工作特性和管路系統(tǒng)的配置等情況選擇合適的控制閥理想流量特性。3.1 確定控制閥的工作流量特性關(guān)于工作特性的確定，應(yīng)滿足在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，對(duì)象特性的變化能通過控制閥的特性變化得到補(bǔ)償，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)中廣義對(duì)象的特性盡可能穩(wěn)定，保證調(diào)節(jié)質(zhì)量。如果忽略對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的變化，則控制閥的工作特性確定應(yīng)能使廣義對(duì)象總的放大系數(shù)為恒定值，即適當(dāng)選擇閥的特性，以閥的放大系數(shù)

5、的變化來補(bǔ)償對(duì)象放大系數(shù)的變化，從而保持廣義對(duì)象的靜特性呈線性。如果對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不能忽略，則不僅要考慮放大系數(shù)的補(bǔ)償，還需要考慮動(dòng)態(tài)特性的補(bǔ)償，即還要考慮用閥的放大系數(shù)的變化來補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的變化，以維持系統(tǒng)應(yīng)有的穩(wěn)定性。如對(duì)象的滯后、時(shí)間常數(shù)隨著負(fù)荷的增大而減小時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會(huì)降低，此時(shí)控制閥的放大系數(shù)應(yīng)隨之變小才能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到恢復(fù)。實(shí)際應(yīng)用過程中，主要是根據(jù)對(duì)象的靜態(tài)特性確定控制閥的工作特性。圖4示意的是不同負(fù)荷下的對(duì)象特性曲線。1）當(dāng)對(duì)象的工作點(diǎn)比較穩(wěn)定、控制閥兩端的壓差也比較穩(wěn)定時(shí)，閥門的開度基本上保持在一個(gè)固定的位置上，閥門的放大系數(shù)KV變化不大，對(duì)象的放大系數(shù)Ko也變

6、化不大，此種情況下，不論是線性特性還是對(duì)數(shù)特性都可以。2）控制閥兩端的壓差是主要的干擾時(shí)，要確保工作點(diǎn)的穩(wěn)定，則必須通過改變閥門開度來維持調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量穩(wěn)定，并且KV還不應(yīng)發(fā)生變化。對(duì)于線性閥，它的流量特性方程：式中 k-常數(shù)。但由于閥門兩端的壓差是主要干擾，導(dǎo)致qVmax發(fā)生變化。因此，KV也發(fā)生了變化。對(duì)于對(duì)數(shù)閥，流量特性方程是式中k-常數(shù)。由于qV要求不變，雖然閥門的開度發(fā)生了變化，但KV并沒有變化。因此，當(dāng)閥兩端的壓差是主要干擾時(shí)，應(yīng)該選用工作特性為對(duì)數(shù)型的閥門。3）當(dāng)用于隨動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，即給定值是主要作用時(shí)，應(yīng)比較同一負(fù)荷但不同被調(diào)變量測量值下的Ko值，如圖4中的1，2，3點(diǎn)。如果Ko值

7、比較恒定，則選線性工作特性；如果Ko值是隨調(diào)節(jié)介質(zhì)流量的增加而下降的，則選對(duì)數(shù)工作特性，否則選快開特性。4）當(dāng)用于定值系統(tǒng)，且負(fù)荷是主要干擾時(shí)，應(yīng)比較在同一被調(diào)變量測量值但是不同負(fù)荷下的對(duì)象放大系數(shù)Ko值，如圖4中的1，4，5點(diǎn)。閥門特性的選擇如同上述隨動(dòng)系統(tǒng)的情況一樣。由于實(shí)際情況復(fù)雜，影響因素多，控制閥選擇時(shí)應(yīng)抓住主要矛盾，考慮最主要的外來作用。根據(jù)理論分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出控制閥工作流量特性的選擇如表1所列。 表1 控制閥的工作流量特性確定表3.2 依據(jù)配管情況和工作特性推斷閥的理想流量特性當(dāng)S=0.61.0時(shí)，理想流量特性的畸變尚不嚴(yán)重，此時(shí)，需要什么樣的工作特性就選擇什么樣的

8、理想流量特性。 當(dāng)S=0.30.6時(shí)，理想特性有一定程度的畸變，線性的工作特性應(yīng)選擇對(duì)數(shù)的理想特性；對(duì)數(shù)的工作特性則仍然選擇對(duì)數(shù)的理想特性。當(dāng)S<0.3時(shí)，理想特性畸變嚴(yán)重，實(shí)際的控制閥工作特性對(duì)于保證調(diào)節(jié)性能已不合適。但可以通過以下方法進(jìn)行處理。1）修正閥芯曲面，使其理想特性曲線彎曲的更甚，以滿足低S值下對(duì)工作特性的要求。2）采用串級(jí)控制系統(tǒng)，用1個(gè)流量調(diào)節(jié)的副回路代替單一的控制閥，只要將副回路整定得可以工作就可以。此時(shí)，閥的流量特性對(duì)于主被控變量的調(diào)節(jié)不再產(chǎn)生明顯的影響。 實(shí)際工作過程中，在對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能要求不是很高的情況下，也可以直接依據(jù)被控變量與過程狀態(tài)選擇控制閥的理想流量特性

9、，如表21所列。表2 控制閥理想特性選用表 3.2 依據(jù)配管情況和工作特性推斷閥的理想流量特性當(dāng)S=0.61.0時(shí)，理想流量特性的畸變尚不嚴(yán)重，此時(shí)，需要什么樣的工作特性就選擇什么樣的理想流量特性。 當(dāng)S=0.30.6時(shí)，理想特性有一定程度的畸變，線性的工作特性應(yīng)選擇對(duì)數(shù)的理想特性；對(duì)數(shù)的工作特性則仍然選擇對(duì)數(shù)的理想特性。當(dāng)S<0.3時(shí)，理想特性畸變嚴(yán)重，實(shí)際的控制閥工作特性對(duì)于保證調(diào)節(jié)性能已不合適。但可以通過以下方法進(jìn)行處理。1）修正閥芯曲面，使其理想特性曲線彎曲的更甚，以滿足低S值下對(duì)工作特性的要求。2）采用串級(jí)控制系統(tǒng)，用1個(gè)流量調(diào)節(jié)的副回路代替單一的控制閥，只要將副回路整定得可以

10、工作就可以。此時(shí)，閥的流量特性對(duì)于主被控變量的調(diào)節(jié)不再產(chǎn)生明顯的影響。 實(shí)際工作過程中，在對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能要求不是很高的情況下，也可以直接依據(jù)被控變量與過程狀態(tài)選擇控制閥的理想流量特性，如表21所列。表2 控制閥理想特性選用表4 特性選擇時(shí)應(yīng)注意的問題2，41）由于可供選擇的控制閥的理想流量特性的形式有限，因此，對(duì)象特性的變化很難達(dá)到完全補(bǔ)償，這時(shí)可以考慮通過閥門定位器的反饋凸輪進(jìn)行改善。2）對(duì)于操作參數(shù)不能準(zhǔn)確確定的新設(shè)計(jì)工藝裝置，或控制閥的計(jì)算數(shù)據(jù)過于保守時(shí)，最好選用對(duì)數(shù)理想特性的控制閥。因?yàn)閷?duì)數(shù)特性的閥門具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。3）當(dāng)控制閥經(jīng)常工作在小開度時(shí)，應(yīng)選用對(duì)數(shù)特性的閥；當(dāng)控制閥的使用壽命是主要考慮的因素時(shí)，應(yīng)選用理想特性為直線的控制閥。4）有時(shí)，由于流體輸送機(jī)械的能力有限，控制閥必須工作在低s值下運(yùn)行。5）由于結(jié)構(gòu)上的原因，閥門兩端的壓降不能超過一定的極限值，因?yàn)楦邏翰钕碌臏p壓閥很容易破損。這時(shí)往往允許加限流孔板，適當(dāng)進(jìn)行分壓，此時(shí)S值也必須降低。6）近年來，節(jié)能問題越來越受到重視，減小S值有利于節(jié)約能耗。如對(duì)于高壓系統(tǒng)，考慮到節(jié)約動(dòng)力，允許S=0.15。5 結(jié)束語控制