服務(wù)熱線
86-21-63504668
歡迎您,來到上海雙旭電子有限公司!
PROUCTS LIST
控制閥對過程優(yōu)化的影響 |
上海雙旭電子有限公司 |
過程優(yōu)化意味著整個(gè)過程的優(yōu)化,而不僅僅是在中心控制室的過程控制設(shè)備上實(shí)施控制算法。閥門被稱為“zui終控制環(huán)節(jié)”,因?yàn)榭刂崎y處于過程控制實(shí)施的位置。安裝一套復(fù)雜的過程控制算法和一套能夠?qū)⑦^程控制于設(shè)定值士0.5%以內(nèi)的過程控制儀表硬件系統(tǒng),然后以控制精度5.0%或更低的控制閥來實(shí)施控制是毫無意義的。 大型控制和*控制算法是達(dá)到過程優(yōu)化的重要環(huán)節(jié),然而若工程優(yōu)化于軟件而不考慮硬件的性能,其實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益將難以實(shí)現(xiàn)。裝配一臺性能欠佳的控制閥不僅會影響過程發(fā)揮其全部的潛能,更有甚者,它可能使過程控制性能惡化。 調(diào)查過的4000多個(gè)控制回路表明,如果依靠控制閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和/或I/P閥門定位器來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化,則50%以上的回路將會有顯著改觀。過去一年中,通過對某煉油廠中的控制回路性能重新剖析,大多數(shù)情況下,在*控制算法使用的系統(tǒng)上操作時(shí),無一例外地發(fā)現(xiàn)如果zui終控制設(shè)備能優(yōu)化的話,就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程極大的優(yōu)化,另外幾個(gè)廠也發(fā)現(xiàn),30%~67%的*控制應(yīng)用沒有達(dá)到預(yù)期的性能,實(shí)際上許多己經(jīng)停用。 以上研究結(jié)果表明,工業(yè)過程中,控制閥在回路/裝置/工廠的生產(chǎn)中起著重要的作用,傳統(tǒng)控制閥的工作特性不足以保證過程優(yōu)化的收益。而閥的靜態(tài)性能諸如流量特性、泄漏量、材質(zhì)的適用性和操作性能數(shù)據(jù)表明,它們不足以處理過程控制回路中的動(dòng)態(tài)特性。 愈來愈多的控制閥的用戶將注意力置于動(dòng)態(tài)性能參數(shù)例如死區(qū)、響應(yīng)時(shí)間和實(shí)際放大倍數(shù)(在實(shí)際工況下),將其作為改善過程回路性能的方式,為此,很可能在開環(huán)狀態(tài)下測量這樣一些動(dòng)態(tài)性能參數(shù),這樣,當(dāng)測量閉環(huán)回路的性能時(shí),這些參數(shù)的影響就清楚了。 1現(xiàn)場實(shí)例 a)一種新型、高活性的催化劑應(yīng)用于一段加氫裂化反應(yīng)器中,在使用zui初選用的控制閥,出現(xiàn)了士2.22℃這樣一個(gè)不允許出現(xiàn)的溫度波動(dòng),使用高性能控制閥取代初期裝于氫氣線上的控制閥后,溫度的波動(dòng)減少至士0.28℃,結(jié)果,裝置的產(chǎn)量增加了1000桶/d,基于這種平均增長率,該優(yōu)化方案取得的效益為140萬美元/a。 b)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)在實(shí)施壓力控制時(shí)遇到了問題,該問題影響到了裝置整體的控制及生產(chǎn)。由于空氣氣壓的大幅度波動(dòng)導(dǎo)致了進(jìn)入反應(yīng)器的空氣-甲醇混合比大幅度波動(dòng),從而帶來了爆炸隱患。空氣壓力控制閥被替換后,系統(tǒng)波動(dòng)從15%減至1%,工藝過程穩(wěn)定,增加了工廠操作員對工藝控制的信心,反應(yīng)器的甲醇進(jìn)料量因此增加,使產(chǎn)量提高了將近10%。 以上的例子強(qiáng)有力地證明,選擇適當(dāng)?shù)膠ui終環(huán)節(jié)——調(diào)節(jié)設(shè)備,可以使工廠達(dá)到zui低能耗水平,從而產(chǎn)生長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)影響,工藝設(shè)備在實(shí)際過程中的作用能力得以真正體現(xiàn)。 2減小過程波動(dòng) 控制閥減小過程波動(dòng)的能力取決于多種因素,不能只孤立地看其中任何一個(gè)參數(shù)。研究表明,zui后控制環(huán)節(jié)設(shè)備的設(shè)計(jì),包括閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和定位器的設(shè)計(jì),是在動(dòng)態(tài)條件下取得良好過程控制特性的重要因素。zui重要的是,控制閥組件一定要被優(yōu)化發(fā)展為一臺整體設(shè)備,若將閥的各部件生硬地湊在一起,則不能產(chǎn)生良好的動(dòng)態(tài)性能,設(shè)計(jì)時(shí)須考慮的重要因素包括:死區(qū),執(zhí)行機(jī)構(gòu)/定位器的設(shè)計(jì),流量特性,儀表風(fēng)壓力,閥型及尺寸。要仔細(xì)考慮每一個(gè)部件的設(shè)計(jì)特性,以發(fā)揮其*性能,從而zui終組合為1臺完整的控制閥。 3死區(qū)(磨擦及無效行程) 死區(qū)是過程波動(dòng)過大的一個(gè)主要原因,因?yàn)榭刂崎y存在磨擦及無效行程,因此這可能是一個(gè)儀表控制回路中產(chǎn)生死區(qū)的主要原因。 死區(qū)是對一種常見現(xiàn)象的命名,該現(xiàn)象指調(diào)節(jié)器輸出值(CO)在一段區(qū)間變化卻不能對測量過程變量(PV)產(chǎn)生任何反應(yīng)。此時(shí),負(fù)載擾動(dòng)發(fā)生時(shí),PV值將偏離設(shè)定值,偏差則通過工藝過程產(chǎn)生正確的動(dòng)作,起初,調(diào)節(jié)器輸出的變化并未對過程變量的正確變化產(chǎn)生任伺影響,僅當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出變化大過死區(qū)時(shí),過程變量的響應(yīng)變化才發(fā)生。 有些時(shí)候,調(diào)節(jié)器反向調(diào)節(jié),在過程變量正確變化發(fā)生之前,調(diào)節(jié)器輸出信號必須再一次通過死區(qū)。過程中死區(qū)的確產(chǎn)生了這樣的影響,就是過程變量偏離設(shè)定點(diǎn)的偏差一定要持續(xù)增大,直至它大得足以通過死區(qū)。只有這樣,才能產(chǎn)生正確的動(dòng)作。 死區(qū)是一種常見的現(xiàn)象,其原因有多種,而控制閥的磨擦及無效行程是兩種zui常見的因素。因?yàn)榇蠖鄶?shù)常規(guī)調(diào)節(jié)器的動(dòng)作是由微小的變化所產(chǎn)生的(例如1%或更少),一個(gè)存在很大死區(qū)的控制閥可能對許多這樣小的變化都沒有響應(yīng)。一個(gè)機(jī)械性能良好的控制閥可能對1%或更小的信號變化做出響應(yīng),這樣可以有效地減少過程的波動(dòng)。然而,控制閥的死區(qū)達(dá)到5%或更高的現(xiàn)象卻非常普遍,zui近一個(gè)對煉油廠氣體分餾裝置的調(diào)查表明,30%的控制閥的死區(qū)超過4%,實(shí)際上,所調(diào)查回路中65%以上死區(qū)大于2%。對汽油調(diào)和裝置的另一項(xiàng)調(diào)查表明,多于50%的回路死區(qū)超過2%。 顯而易見,磨擦是控制閥產(chǎn)生死區(qū)的一個(gè)主要原因,所有控制閥組件的摩擦力與推力之比是過程優(yōu)化的一個(gè)重要考慮因素。旋轉(zhuǎn)閥經(jīng)常產(chǎn)生磨擦問題,因?yàn)殚y腔容量大,需要一些密封處理使其密封,廠家通常在制造時(shí)就對旋轉(zhuǎn)閥的密封處進(jìn)行潤滑,但是幾百次循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)后,潤滑層脫落,閥門的摩擦力增大至設(shè)計(jì)值的4倍或更多。 對直行程的閥而言,填料是主要的磨擦源,這類閥中,測得的摩擦力因閥門類型和填料不同而變化很大。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類也對控制閥組件的磨擦起著重要影響,通常,彈簧和膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)對控制閥產(chǎn)生的磨擦小于氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這就是彈簧和膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)比氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)在被施加了小的控制信號時(shí)響應(yīng)更快的原因之一,以下還會詳述。 彈簧和膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是隨時(shí)間增長,磨擦特性不變。而氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨擦則隨“O”型圈磨損和潤滑油的消耗很快增大。在實(shí)際使用中,氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)維修頻率高于彈簧和膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 無效行程通指松動(dòng)或機(jī)械機(jī)構(gòu)的不緊密連接,由于松動(dòng)導(dǎo)致機(jī)械反向動(dòng)作時(shí)呈現(xiàn)非連續(xù)性。無效行程通常產(chǎn)生于不同配置的齒輪驅(qū)動(dòng)器,導(dǎo)軌式和齒輪式執(zhí)行機(jī)構(gòu)尤其可能因?yàn)闊o效行程易產(chǎn)生死區(qū),很多閥桿連接也存在死區(qū),齒槽連接通常比螺桿連接和雙“D”型連接產(chǎn)生的死區(qū)小。 然而磨擦是難于*消除的現(xiàn)象,一個(gè)性能良好的工程用控制閥應(yīng)該能夠從本質(zhì)上消除因無效行程而產(chǎn)生的死區(qū)。 4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)-定位器設(shè)計(jì) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)與定位器的設(shè)計(jì)必須一起考慮,這兩個(gè)部分的結(jié)合對控制閥組件靜態(tài)特性(死區(qū))產(chǎn)生極大影響,也影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)和整臺閥的儀表風(fēng)耗量。 一個(gè)好的定位器對于減少工藝波動(dòng)來說zui重要的特點(diǎn)是二級設(shè)計(jì),即氣源能量放大后信號再放大。 在傳統(tǒng)二級式氣動(dòng)定位器中,*級是典型的噴嘴-擋板機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)高放大倍數(shù)的功率預(yù)放大器,這個(gè)功率預(yù)放大器提高了定位器對一個(gè)非常小的輸入信號變化的敏感程度,而這對于減少工藝波動(dòng)又是非常重要的,該功率預(yù)放大器也允許定位器在動(dòng)態(tài)條件下在較寬范圍內(nèi)維持高放大倍數(shù)。因?yàn)?級預(yù)放大后能量非常小,必須緊接著進(jìn)行能量放大階段,這樣能量才足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),這種能量放大器是一個(gè)繼動(dòng)器或一個(gè)小滑閥。 單級滑閥式的定位器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單近來頗為流行,該設(shè)計(jì)比二級式設(shè)計(jì)更易于持續(xù)工作且造價(jià)更低,缺點(diǎn)是,大多數(shù)滑閥式定位器取得一定的*性但犧牲了設(shè)計(jì)中的*級預(yù)放大。這個(gè)定位器的輸入是一個(gè)很簡單的轉(zhuǎn)換模塊,能夠?qū)⑤斎胄盘枺娀驓猓┺D(zhuǎn)化為滑閥的動(dòng)作。這種結(jié)構(gòu)對小信號變化極不敏感,導(dǎo)致了控制閥組件死區(qū)的增加。 一些制造廠企圖使用增大滑閥口徑,減小閥氣門重疊來改善性能,這樣增加了調(diào)節(jié)設(shè)備能量的放大倍數(shù),從一定程度上改善了性能,但也由于所謂的“高放大倍數(shù)”滑閥的存在而增大了氣源的消耗,許多“高放大倍數(shù)”的滑閥式定位器有比高性能的二級式定位器高出5倍的儀表風(fēng)耗量。 二級式定位器給幾乎每一臺閥提供的動(dòng)態(tài)性能,相比之下,單級式定位器限制了控制閥的動(dòng)態(tài)性能。 5儀表供風(fēng)壓力 儀表供風(fēng)壓力對控制閥組件的動(dòng)態(tài)特性有重要影響,例如它可以顯著影響定位器的放大倍數(shù)和總儀表風(fēng)耗量。 固定放大倍數(shù)的定位器通常通過工作于特定的供風(fēng)壓力來優(yōu)化其性能,該放大倍數(shù)可以因?yàn)橐恍┮蛩兀ㄐ》秶L(fēng)壓波動(dòng))而變化。例如,一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化且由138kPa供風(fēng)壓力供風(fēng)的定位器,當(dāng)供風(fēng)壓力突升至241kPa時(shí),發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)降了一半,一個(gè)可調(diào)放大倍數(shù)的定位器需要以實(shí)際供風(fēng)壓力、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣容、組件的摩擦力和控制閥的應(yīng)用場合來優(yōu)化放大倍數(shù)以提高靈敏度。 供風(fēng)壓力決定了傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣體量,然后由它zui終決定行程速度,它與儀表風(fēng)的消耗指標(biāo)也直接相關(guān)。 6控制閥的種類和特性 控制閥的種類和口徑可以對系統(tǒng)中控制閥組件的特性產(chǎn)生很大的影響。許多人擔(dān)心是否在任伺可能的情況下控制閥的口徑都足以通過所需的流量,然而,對于特定應(yīng)用場合,閥口徑過大也對過程工藝優(yōu)化不利。 控制閥的流通能力與控制閥種類的固有特性相關(guān)。典型的閥特性有:“線性”,“等百分比”和“快開”。 在恒壓降的特定條件下,閥流量僅與閥桿的行程及固有的閥芯形狀設(shè)計(jì)有關(guān)。這就是這些特性被稱為閥的固有特性的原因。 流量的微增量(輸出)與引起該變化的閥桿行程微增量(輸入)之比率定義為閥的放大倍數(shù)。 閥放大倍數(shù)=流量變化/行程變化=斜率 線性特性在整個(gè)行程范圍內(nèi)均有恒定的閥放大倍數(shù),快開特性在小開度時(shí)有固定的zui大放大倍數(shù)。對等百分比閥而言,閥的zui大放大倍數(shù)產(chǎn)生于開度zui大時(shí)。 閥的特性是由閥流通件的幾何尺寸所造成,不會變化。對固有特性的了解是很有用的,但是更重要的是從工藝優(yōu)化角度所考慮的整個(gè)系統(tǒng)的工作流量特性,包括閥和回路中的所有設(shè)備,工作流量特性被定義為通過閥的流量與閥桿行程的關(guān)系,此時(shí)閥被裝于一個(gè)特定的系統(tǒng)中,閥的壓降允許自然變化而不是保持恒定,對工作流量特性的描述如圖3所示。 7保持回路放大倍數(shù) 通過閥芯的設(shè)計(jì)而使閥放大倍數(shù)呈現(xiàn)各種特性,是對整個(gè)控制回路中其他環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)加以補(bǔ)償?shù)氖侄巍ui終目的是維持整個(gè)操作范圍內(nèi)回路放大倍數(shù)合理且一致。 一般而言,被控設(shè)備的放大倍數(shù)都隨流量變化而變,例如,若單體的放大倍數(shù)隨流量的增加而趨于減少,工藝控制工程師將很可能使用一個(gè)等百分比閥,該閥隨流量增大而放大倍數(shù)增大。理想狀態(tài)下,這兩個(gè)反向關(guān)系將相互平衡以提供更加線性化的工作流量特性。 理論上講,在某個(gè)特定的流量條件下,整定一個(gè)回路以取得優(yōu)化的性能。當(dāng)流量在設(shè)定值附近變化的時(shí)候,期望保持回路放大倍數(shù)為一個(gè)常數(shù)來盡可能維持優(yōu)化性能。如果回路放大倍數(shù)因固有閥流量特性的變化而發(fā)生變化,不能地補(bǔ)償被控單體的放大倍數(shù)的變化,則整個(gè)回路放大倍數(shù)的波動(dòng)將使過程優(yōu)化更加困難。另外,也存在因回路增益變化很大而致過程不穩(wěn)定,或影響其他動(dòng)態(tài)性能。 通常,可以接受的原則是使回路放大倍數(shù)變化不能超過4:1,否則,回路動(dòng)態(tài)性能將會不穩(wěn)定。這個(gè)比例并非隨便給定,是由許多自控專業(yè)人員認(rèn)可,這樣在大多數(shù)控制回路中,放大倍數(shù)的變化裕度是可以接受的。由于它普遍地被接受,該原則形成了以下公式的基礎(chǔ)。 回路過程放大倍數(shù)=1.0對應(yīng)變送器量程,%/調(diào)節(jié)器輸出,% 通常范圍為:0.5~2.0 注意,該“回路過程”概念包括除調(diào)節(jié)器外的回路中的每一個(gè)環(huán)節(jié),例如,控制閥的放大倍數(shù),被控設(shè)備和變送器,因?yàn)榭刂崎y是回路過程的一部分,它的類型和口徑選擇非常重要,這樣將在整個(gè)系統(tǒng)操作范圍的特定放大倍數(shù)限度內(nèi),使系統(tǒng)工作流量特性足夠線性化。如果閥本身產(chǎn)生太大的放大倍數(shù)的變化,調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)的靈活性就較小,經(jīng)驗(yàn)告訴人們保持調(diào)節(jié)器的回路放大倍數(shù)盡可能大。 當(dāng)4:1的回路放大倍數(shù)比己被廣泛接受時(shí),并不是每個(gè)人都接受0.5~2.0的放大倍數(shù)幅度,一些過程專家實(shí)際使用的放大倍數(shù)幅度范圍為0.2~0.8,這也是4:1的比率。然而,使用小的比例范圍有一種潛在的危險(xiǎn),那就是低限導(dǎo)致正常操作時(shí)控制閥大幅度振蕩。通常操作經(jīng)驗(yàn)是保持閥的振蕩小于5%。0.5~2.0的范圍是較合理的,除非因一些邏輯上的原因而有其他選擇。然而,zui重要的是,過程優(yōu)化仍需選擇合適閥類型及口徑以在zui寬可操作范圍內(nèi)使放大倍數(shù)保持在可選幅度內(nèi)。 閥的可調(diào)比隨閥的類型而顯著變化,柱塞閥的可調(diào)比比蝶閥寬,實(shí)際上,在控制閥的性能體系上,柱塞閥顯出zui寬的可調(diào)比,其次是V型球閥。偏心旋轉(zhuǎn)閥可調(diào)比與球閥和V型球閥相比更窄,蝶閥通常可調(diào)范圍zui窄且適用于流量固定的場合。此外,在定流量使用時(shí),必須仔細(xì)選擇其口徑以用于過程性能優(yōu)化。 如果閥的固有特性是可選的,這樣可以隨流量變化對設(shè)備的放大倍數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償,然后大家希望控制閥的工作流量特性幾乎是一條值為1.0的直線。 然而,這樣一個(gè)的數(shù)字是幾乎不可能的,因?yàn)橛袑?shù)特性的限制而閥芯固定特性不能無限制變化,另外,一些類型的閥,例如蝶閥和球閥都不能改變閥芯而將閥固有特性改變。 通常希望通過定位器反饋機(jī)構(gòu)內(nèi)凸輪的非線性化來改變閥的固有特性以改善上述狀況。本質(zhì)上講,希望凸輪的非線性性能改變閥輸入信號和閥桿位置之間的關(guān)系,對于閥整體而言,可以得到一個(gè)固有特性,這樣可以替代簡單地依靠閥芯設(shè)計(jì)改變特性的方法。 盡管使用定位器凸輪對改變閥的特性有相當(dāng)效果,但使用“凸輪特性”的效果在許多場合具有相當(dāng)?shù)木窒扌浴R驗(yàn)橥馆喴诧@著地改變了定位器回路的放大倍數(shù),而該放大倍數(shù)又嚴(yán)格限制了定位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。使用凸輪實(shí)現(xiàn)閥特性不如由閥芯實(shí)現(xiàn)*,但對于旋轉(zhuǎn)式閥對流量特性無法改變來說己進(jìn)了一步。 一些電子設(shè)備可以改變閥特性,它們在I/P定位器輸入信號進(jìn)入定位器回路之前就電子“定位”。實(shí)際上,這種技術(shù)“重新整定”了閥的輸入信號,方法是將線性4~20mA調(diào)節(jié)器信號依據(jù)數(shù)值表預(yù)編程,用這種方式產(chǎn)生閥的輸入達(dá)到了希望獲得的閥的特性。這種技術(shù)有時(shí)與“前饋”或“設(shè)定點(diǎn)”特性有關(guān)。 因?yàn)檫@種特性的確發(fā)生于定位器反饋回路之外,這種“前饋”或“設(shè)定點(diǎn)”的特性與定位器凸輪定義的特性相比有相當(dāng)?shù)?性。它避兔了定位器回路放大倍數(shù)的變化,然而,這種方法并不總是有效,因?yàn)樗灿凶约旱膭?dòng)態(tài)限制。例如,閥的調(diào)節(jié)范圍可能有局限性,1.0%工藝信號的改變可能變得很窄,可能導(dǎo)致0.1%的閥信號的變化(例如在特性曲線的平坦區(qū)),許多閥在信號變化如此小時(shí)均無響應(yīng)。 8閥的口徑 如果通過減小工藝過程的波動(dòng)來優(yōu)化過程性能,zui常見的問題是閥口徑過大。這通常由于使用了線性特性的閥,尤其是使用了流通能力大的旋轉(zhuǎn)式閥,另外的原因是在工藝設(shè)計(jì)的不同階段對多種安全因素有保守的考慮。 擴(kuò)大閥的口徑在兩個(gè)方面導(dǎo)致了過程的波動(dòng),首先,大閥的放大倍數(shù)過大,給調(diào)節(jié)器所留的靈活性較小,而大多數(shù)回路增益來自于調(diào)節(jié)器時(shí)性能總是。 其次,大口徑閥使工藝過程波動(dòng)的原因是大閥很可能在小開度頻繁動(dòng)作,這樣閥的密封摩擦?xí)螅绕鋵τ谛D(zhuǎn)式閥。 另外,不管閥實(shí)際流量特性是什么,一個(gè)超大口徑的閥的特性趨于快開,尤其在小流量場合且閥門放大倍數(shù)很高時(shí)尤為如此。這通常使閥操作偏離可接受的過程放大倍數(shù)幅度,導(dǎo)致對閥而言可調(diào)比較為狹窄。 zui后,因?yàn)橐粋€(gè)大口徑閥對于一個(gè)給定信號的微小增加卻導(dǎo)致不成比例地大流量變化,這種現(xiàn)象能擴(kuò)大由于摩擦等因素產(chǎn)生的死區(qū)導(dǎo)致的工藝過程的波動(dòng)。 9結(jié)論 整個(gè)回路的優(yōu)化始終貫穿工藝過程的優(yōu)化,包括回路的硬件和軟件,為了取得切實(shí)的過程優(yōu)化,控制閥組件必須正確設(shè)計(jì)和選型,應(yīng)當(dāng)注意多考慮回路的動(dòng)態(tài)性能而不是靜態(tài)性能。 當(dāng)大家重視以上所述時(shí),過程優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)效益就在總的經(jīng)濟(jì)效益中體現(xiàn)出重要的地位 |