阀门类型与阀门特性化

阀门类型与阀门特性化

所用的阀门类型和阀门口径计算可能会对系统里调节阀(控制阀)组件的性能产生很大的影响。一个阀门必须有足够大的口径以通过在所有可能的变化条件下需要的流量。然而对某一个应用场合口径太大的阀门对于过程优化是一个不利因素。

阀门的流通能力也由于阀门的固有特性而与阀门类型相关。固有特性（见*1 章里的定义）是当经过阀门的压差恒定时阀门的流通能力与阀门行程之间的关系。

典型地，这些特性画在水平线用百分比行程表示而垂直线用百分比流量（CV 值）表示的曲线上。由于阀门流量是阀门行程和通过阀门的压差的一个函数，所以传统的办法就是在一个恒定的压力降下进行阀门的固有特性测试。这不是实际应用中的正常情况，但是它提供了一种比较阀门特性形式的系统方法。

在恒定的压力降这个特定的条件下，阀门流量就成为阀门行程和阀门内件固有结构的一个函数。这些特性称为阀门的固有流量特性。由此方法得出的典型的阀门特性命名为线性、等百分比和快开。（详细说明见*3 章里的“传统的特性化阀芯”）。

（图中所示：阀门限位开关箱配YT1000RDN131电气阀门定位器）

阀门流量（输出）的增量变化对于引起这个流量变化的相应的阀门行程（输入） 的增量的比例被定义为阀门增益。它就是：固有阀门增益=（流量变化/ 行程变化）=固有特性曲线的斜率线性特性在阀门的全行程范围内有一个恒定的固有阀门增益，而快开特性在行程范围的较低一端有一个大的固有阀门增益。等百分比阀门的大固有阀门增益位于阀门的大开度处。

固有阀门特性是阀门流体通道几何尺寸的固有函数。只要压力降恒定，它是不会变化的。许多阀门类型，尤其是旋转球阀、蝶阀和偏心球塞阀都有固有特性，它们不会容易地被改变。然而，大部分的直通阀有多种阀笼或阀芯可供选择。这些阀笼或阀芯可以互换以修改固有流量特性。了解固有阀门特性是有用的，但是要进行过程优化，更加重要的特性是整个过程包括回路里的阀门和所有其它设备的安装流量特性。安装流量特性定义为：当阀门安装在一个特定的系统里且通过阀门的压力降允许自然地改变而不是设为恒定时，流经阀门的流量与阀门组件输入之间的关系。

这种安装流量特性的一个示例表示在图2-5 上方的曲线里。在这个图里，流量与更加让人熟悉的阀门行程而不是阀门组件的输入相联系了起来。

示于图2-5 下方的曲线里的安装增益，是上面曲线在每一点的斜率的曲线。在实验室里，让整个回路在某些额定设定点下工作且不受负载扰动影响，就可以获得象这样的安装流量特性曲线。回路置于手动操作状态，随着调节阀(控制阀)组件被手动输入驱动通过它的全行程范围，测量并记录流量。测量结果画成曲线就是示
于图2-5 上面部分的安装流量特性曲线。然后，在该曲线的每一个点上估算流量曲线的斜率，并把它们画成如图2-5 下面部分所示的安装增益曲线。

安装过程增益的现场测量也可以通过利用开环阶跃测试在一个单独的操作点上进行（图2-3）。在任何操作条件下的安装过程增益简单地是输出（流量）的百分比改变相对于阀门组件输入信号的百分比改变的比例。

通过各种各样的阀门内件型式来特性化固有阀门增益的原因是为了给回路里其它增益的改变提供补偿。终目标是维持一个在整个工作范围内合理统一的回路增益，为工艺过程保持一个相对线性的安装流量特性（见*1 章里的定义）。由于其如上所定义的测量方法，图2-5 所示安装流量特性和安装增益实际上是整个过程的安装流量特性和安装增益。
典型地，控制装置的增益会随着流量的变化而变化。例如，一个压力容器的增益趋向于随着输出增加而减小。在这个例子里，过程控制工程师可能会使用一个等百分比的阀门。它有一个随着流量的增加而增加的增益。理想地，这两种反向的关系应该能够取得平衡以为整个工艺过程提供一个比较线性的安装流量特性。

理论上，在某一设定点的流量条件下，一个回路已经被调整到优性能状态。随着流量在该设定点附近变化，理想的是保持回路增益尽可能地恒定，以维持佳性能状态。如果由于固有阀门特性而产生的回路增益变化不能地补偿被控制装置的变化的增益，那么，由于安装过程增益的偏差，回路增益也将产生一个偏差，结果是过程优化变得越来越困难。也有这样一个危险：回路增益可能会改变得足以引起不稳定、振荡、或其它动态问题。

回路增益变化不应该超过4:1 的比例，否则，回路的动态性能会受到无法接受的影响。这个特殊的比例没有什么神奇之处。只不过许多过程控制的实践者们都认同这是一个在大多数的过程控制回路里能够产生一个可以接受的增益范围的比例。

这一指导原则成为下面的EnTech 增益限制指标的基础（选自“调节阀(控制阀)动态指标”，3.0 版，1998 年，EnTech 控制公司，加拿大，Ontario，多伦多）：回路过程增益=1.0（变送器量程的百分比）÷（控制器输出的百分比）正常范围：0.5-2.0（注：4:1 的比例）应注意这个回路过程的定义包括除了控制器之外的回路配置里的所有装置。换言之，诸如调节阀(控制阀)组件、热交换器、压力容器、或其它被控制的系统、泵、变送器等类的装置的增益总和就是过程增益。由于阀门是这里所__定义的回路过程的一部分，所以重要的是选择一种阀门类型和口径，它会产生一种线性的安装流量特性，足以在系统的工作范围内保持在指定的增益限制范围内。如果调节阀(控制阀)本身产生太大的增益变化，就会给控制器的调整提供较小的灵活性。把尽可能多的回路增益留给控制器是一种良好的工程实践。

尽管4:1 的回路增益改变比例被广泛接受，但并非每一个人都同意这个0.5-2.0 的增益。一些行业专家已经提出使用0.2-0.8的回路过程增益限制的事例，这仍然是4:1的比例。使用这种较小的增益范围的固有潜在危险是这个增益范围的下限可能会在正常工作期间使阀门产生很大的摆动。良好的工作实践是把阀门摆动控制在5%以下。但是让增益太大也有危险。如果在行程的某一点处，回路增益变得太高，回路可能会产生振荡或甚至变得不稳定。为了确保在一个宽广的工作条件范围内有良好的动态性能和回路稳定性，行业专家们推荐回路设备应该精心设计制造，所以过程增益仍然处于0.5-2.0 的范围内。

过程优化要求所选择的阀门类型和口径在大可能的工作条件范围内能把过程增益控制在选定的增益限制范围内。由于减小过程偏差度是如此地依赖于维持一个统一的安装增益，在能够接受的增益指标限制范围内，一个阀门可以工作的范围被称为阀门的控制范围。

一个阀门的控制范围会随着阀门类型而有很大的变化。图2-6表示一个与管线等口径的蝶阀跟一个与管线等口径的直通阀相比较。直通阀比蝶阀有更加宽的控制范围。其它阀门类型，如：V 形切口球阀和偏心球塞阀通常位于这两个范围之间的某处。

因为蝶阀典型地有窄的控制范围。它们通常适合于负载固定的应用场合。另外，它们必须经过仔细计算，以便在固定负载处取得优性能。如果一个阀门的固有特性能够选择得可以地补偿随流量产生的系统增益的变化，人们就会希望安装过程增益（下面的曲线）后是一条数值为1 的直线。
不幸的是，由于在提供无限数量的固有阀门内件特性方面的物理限制，这样一种的增益吻合很少是可能的。另外，有些阀门类型，如蝶阀和球阀，不提供可以很容易地改变固有阀门特性的多种内件选择。

通过在定位器的反馈机构里采用非线性凸轮来改变阀门组件的固有特性，这种情况可以得到改善。非线性反馈凸轮改变阀门输入信号与阀杆位置之间的关系，为整个调节阀(控制阀)组件取得一个需要的固有阀门特性，而不是仅仅依赖于阀门内件型式的改变。

虽然使用定位器凸轮确实可以影响并修改阀门特性，并在某些时候是非常有用的，但是使用特性化凸轮的效果在大部分情况下是受到限制的。这是因为凸轮也会大大改变定位器的回路增益，这会极大地限制定位器的动态性能。使用凸轮来修改阀门特性，通常不如改变阀门内件特性来得有效，但是总比根本没有特性化要好。这种特性化处理通常是旋转阀的*其它选择。

一些电子装置试图通过在定位器回路之前就以电子方式改变I/P 定位器的输入信号来进行阀门特性化。这种技术通过以下方式重新校准阀门输入信号：接受4-20 毫安的线性控制器信号，并使用一张预先编辑好的数值表以产生取得需要的阀门特性所需的阀门输入。这种技术有时候称为前向通道或设定点的特性化。

由于这种特性化在定位器反馈回路之外进行，这种类型的前向通道或设定点的特性化比特性化凸轮有一个优点。它避免了定位器回路增益变化的问题。然而，这个方法也有它的动态局限性。例如，在阀门工作范围内，可能有这样的区域：1.0%的过程信号改变也许会通过这种特性化过程被减小到对阀门的只有0.1%的信号改变（那就是位于特性化曲线的平坦区域）。许多调节阀(控制阀)不能对这样小的信号改变作出响应。

佳的过程性能出现在要求的流量特性是通过改变阀门内件，而不是使用凸轮或其它方法取得的时候。正确地选择一个调节阀(控制阀)以在系统的操作范围内产生比较线性的安装流量特性是确保优过程性能的一个关键步骤。