閥門類型與閥門特性化

所用的閥門類型和閥門口徑計(jì)算可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)里調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件的性能產(chǎn)生很大的影響。一個(gè)閥門必須有足夠大的口徑以通過(guò)在所有可能的變化條件下需要的流量。然而對(duì)某一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合口徑太大的閥門對(duì)于過(guò)程優(yōu)化是一個(gè)不利因素。

閥門的流通能力也由于閥門的固有特性而與閥門類型相關(guān)。固有特性（見*1 章里的定義）是當(dāng)經(jīng)過(guò)閥門的壓差恒定時(shí)閥門的流通能力與閥門行程之間的關(guān)系。

典型地，這些特性畫在水平線用百分比行程表示而垂直線用百分比流量（CV 值）表示的曲線上。由于閥門流量是閥門行程和通過(guò)閥門的壓差的一個(gè)函數(shù)，所以傳統(tǒng)的辦法就是在一個(gè)恒定的壓力降下進(jìn)行閥門的固有特性測(cè)試。這不是實(shí)際應(yīng)用中的正常情況，但是它提供了一種比較閥門特性形式的系統(tǒng)方法。

在恒定的壓力降這個(gè)特定的條件下，閥門流量就成為閥門行程和閥門內(nèi)件固有結(jié)構(gòu)的一個(gè)函數(shù)。這些特性稱為閥門的固有流量特性。由此方法得出的典型的閥門特性命名為線性、等百分比和快開。（詳細(xì)說(shuō)明見*3 章里的“傳統(tǒng)的特性化閥芯”）。

（圖中所示：閥門限位開關(guān)箱配YT1000RDN131電氣閥門定位器）

閥門流量（輸出）的增量變化對(duì)于引起這個(gè)流量變化的相應(yīng)的閥門行程（輸入） 的增量的比例被定義為閥門增益。它就是：固有閥門增益=（流量變化/ 行程變化）=固有特性曲線的斜率線性特性在閥門的全行程范圍內(nèi)有一個(gè)恒定的固有閥門增益，而快開特性在行程范圍的較低一端有一個(gè)大的固有閥門增益。等百分比閥門的大固有閥門增益位于閥門的大開度處。

固有閥門特性是閥門流體通道幾何尺寸的固有函數(shù)。只要壓力降恒定，它是不會(huì)變化的。許多閥門類型，尤其是旋轉(zhuǎn)球閥、蝶閥和偏心球塞閥都有固有特性，它們不會(huì)容易地被改變。然而，大部分的直通閥有多種閥籠或閥芯可供選擇。這些閥籠或閥芯可以互換以修改固有流量特性。了解固有閥門特性是有用的，但是要進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化，更加重要的特性是整個(gè)過(guò)程包括回路里的閥門和所有其它設(shè)備的安裝流量特性。安裝流量特性定義為：當(dāng)閥門安裝在一個(gè)特定的系統(tǒng)里且通過(guò)閥門的壓力降允許自然地改變而不是設(shè)為恒定時(shí)，流經(jīng)閥門的流量與閥門組件輸入之間的關(guān)系。

這種安裝流量特性的一個(gè)示例表示在圖2-5 上方的曲線里。在這個(gè)圖里，流量與更加讓人熟悉的閥門行程而不是閥門組件的輸入相聯(lián)系了起來(lái)。

示于圖2-5 下方的曲線里的安裝增益，是上面曲線在每一點(diǎn)的斜率的曲線。在實(shí)驗(yàn)室里，讓整個(gè)回路在某些額定設(shè)定點(diǎn)下工作且不受負(fù)載擾動(dòng)影響，就可以獲得象這樣的安裝流量特性曲線。回路置于手動(dòng)操作狀態(tài)，隨著調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件被手動(dòng)輸入驅(qū)動(dòng)通過(guò)它的全行程范圍，測(cè)量并記錄流量。測(cè)量結(jié)果畫成曲線就是示
于圖2-5 上面部分的安裝流量特性曲線。然后，在該曲線的每一個(gè)點(diǎn)上估算流量曲線的斜率，并把它們畫成如圖2-5 下面部分所示的安裝增益曲線。

安裝過(guò)程增益的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量也可以通過(guò)利用開環(huán)階躍測(cè)試在一個(gè)單獨(dú)的操作點(diǎn)上進(jìn)行（圖2-3）。在任何操作條件下的安裝過(guò)程增益簡(jiǎn)單地是輸出（流量）的百分比改變相對(duì)于閥門組件輸入信號(hào)的百分比改變的比例。

通過(guò)各種各樣的閥門內(nèi)件型式來(lái)特性化固有閥門增益的原因是為了給回路里其它增益的改變提供補(bǔ)償。終目標(biāo)是維持一個(gè)在整個(gè)工作范圍內(nèi)合理統(tǒng)一的回路增益，為工藝過(guò)程保持一個(gè)相對(duì)線性的安裝流量特性（見*1 章里的定義）。由于其如上所定義的測(cè)量方法，圖2-5 所示安裝流量特性和安裝增益實(shí)際上是整個(gè)過(guò)程的安裝流量特性和安裝增益。
典型地，控制裝置的增益會(huì)隨著流量的變化而變化。例如，一個(gè)壓力容器的增益趨向于隨著輸出增加而減小。在這個(gè)例子里，過(guò)程控制工程師可能會(huì)使用一個(gè)等百分比的閥門。它有一個(gè)隨著流量的增加而增加的增益。理想地，這兩種反向的關(guān)系應(yīng)該能夠取得平衡以為整個(gè)工藝過(guò)程提供一個(gè)比較線性的安裝流量特性。

理論上，在某一設(shè)定點(diǎn)的流量條件下，一個(gè)回路已經(jīng)被調(diào)整到優(yōu)性能狀態(tài)。隨著流量在該設(shè)定點(diǎn)附近變化，理想的是保持回路增益盡可能地恒定，以維持佳性能狀態(tài)。如果由于固有閥門特性而產(chǎn)生的回路增益變化不能地補(bǔ)償被控制裝置的變化的增益，那么，由于安裝過(guò)程增益的偏差，回路增益也將產(chǎn)生一個(gè)偏差，結(jié)果是過(guò)程優(yōu)化變得越來(lái)越困難。也有這樣一個(gè)危險(xiǎn)：回路增益可能會(huì)改變得足以引起不穩(wěn)定、振蕩、或其它動(dòng)態(tài)問(wèn)題。

回路增益變化不應(yīng)該超過(guò)4:1 的比例，否則，回路的動(dòng)態(tài)性能會(huì)受到無(wú)法接受的影響。這個(gè)特殊的比例沒(méi)有什么神奇之處。只不過(guò)許多過(guò)程控制的實(shí)踐者們都認(rèn)同這是一個(gè)在大多數(shù)的過(guò)程控制回路里能夠產(chǎn)生一個(gè)可以接受的增益范圍的比例。

這一指導(dǎo)原則成為下面的EnTech 增益限制指標(biāo)的基礎(chǔ)（選自“調(diào)節(jié)閥(控制閥)動(dòng)態(tài)指標(biāo)”，3.0 版，1998 年，EnTech 控制公司，加拿大，Ontario，多倫多）：回路過(guò)程增益=1.0（變送器量程的百分比）÷（控制器輸出的百分比）正常范圍：0.5-2.0（注：4:1 的比例）應(yīng)注意這個(gè)回路過(guò)程的定義包括除了控制器之外的回路配置里的所有裝置。換言之，諸如調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件、熱交換器、壓力容器、或其它被控制的系統(tǒng)、泵、變送器等類的裝置的增益總和就是過(guò)程增益。由于閥門是這里所__定義的回路過(guò)程的一部分，所以重要的是選擇一種閥門類型和口徑，它會(huì)產(chǎn)生一種線性的安裝流量特性，足以在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)保持在指定的增益限制范圍內(nèi)。如果調(diào)節(jié)閥(控制閥)本身產(chǎn)生太大的增益變化，就會(huì)給控制器的調(diào)整提供較小的靈活性。把盡可能多的回路增益留給控制器是一種良好的工程實(shí)踐。

盡管4:1 的回路增益改變比例被廣泛接受，但并非每一個(gè)人都同意這個(gè)0.5-2.0 的增益。一些行業(yè)專家已經(jīng)提出使用0.2-0.8的回路過(guò)程增益限制的事例，這仍然是4:1的比例。使用這種較小的增益范圍的固有潛在危險(xiǎn)是這個(gè)增益范圍的下限可能會(huì)在正常工作期間使閥門產(chǎn)生很大的擺動(dòng)。良好的工作實(shí)踐是把閥門擺動(dòng)控制在5%以下。但是讓增益太大也有危險(xiǎn)。如果在行程的某一點(diǎn)處，回路增益變得太高，回路可能會(huì)產(chǎn)生振蕩或甚至變得不穩(wěn)定。為了確保在一個(gè)寬廣的工作條件范圍內(nèi)有良好的動(dòng)態(tài)性能和回路穩(wěn)定性，行業(yè)專家們推薦回路設(shè)備應(yīng)該精心設(shè)計(jì)制造，所以過(guò)程增益仍然處于0.5-2.0 的范圍內(nèi)。

過(guò)程優(yōu)化要求所選擇的閥門類型和口徑在大可能的工作條件范圍內(nèi)能把過(guò)程增益控制在選定的增益限制范圍內(nèi)。由于減小過(guò)程偏差度是如此地依賴于維持一個(gè)統(tǒng)一的安裝增益，在能夠接受的增益指標(biāo)限制范圍內(nèi)，一個(gè)閥門可以工作的范圍被稱為閥門的控制范圍。

一個(gè)閥門的控制范圍會(huì)隨著閥門類型而有很大的變化。圖2-6表示一個(gè)與管線等口徑的蝶閥跟一個(gè)與管線等口徑的直通閥相比較。直通閥比蝶閥有更加寬的控制范圍。其它閥門類型，如：V 形切口球閥和偏心球塞閥通常位于這兩個(gè)范圍之間的某處。

因?yàn)榈y典型地有窄的控制范圍。它們通常適合于負(fù)載固定的應(yīng)用場(chǎng)合。另外，它們必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算，以便在固定負(fù)載處取得優(yōu)性能。如果一個(gè)閥門的固有特性能夠選擇得可以地補(bǔ)償隨流量產(chǎn)生的系統(tǒng)增益的變化，人們就會(huì)希望安裝過(guò)程增益（下面的曲線）后是一條數(shù)值為1 的直線。
不幸的是，由于在提供無(wú)限數(shù)量的固有閥門內(nèi)件特性方面的物理限制，這樣一種的增益吻合很少是可能的。另外，有些閥門類型，如蝶閥和球閥，不提供可以很容易地改變固有閥門特性的多種內(nèi)件選擇。

通過(guò)在定位器的反饋機(jī)構(gòu)里采用非線性凸輪來(lái)改變閥門組件的固有特性，這種情況可以得到改善。非線性反饋凸輪改變閥門輸入信號(hào)與閥桿位置之間的關(guān)系，為整個(gè)調(diào)節(jié)閥(控制閥)組件取得一個(gè)需要的固有閥門特性，而不是僅僅依賴于閥門內(nèi)件型式的改變。

雖然使用定位器凸輪確實(shí)可以影響并修改閥門特性，并在某些時(shí)候是非常有用的，但是使用特性化凸輪的效果在大部分情況下是受到限制的。這是因?yàn)橥馆喴矔?huì)大大改變定位器的回路增益，這會(huì)極大地限制定位器的動(dòng)態(tài)性能。使用凸輪來(lái)修改閥門特性，通常不如改變閥門內(nèi)件特性來(lái)得有效，但是總比根本沒(méi)有特性化要好。這種特性化處理通常是旋轉(zhuǎn)閥的*其它選擇。

一些電子裝置試圖通過(guò)在定位器回路之前就以電子方式改變I/P 定位器的輸入信號(hào)來(lái)進(jìn)行閥門特性化。這種技術(shù)通過(guò)以下方式重新校準(zhǔn)閥門輸入信號(hào)：接受4-20 毫安的線性控制器信號(hào)，并使用一張預(yù)先編輯好的數(shù)值表以產(chǎn)生取得需要的閥門特性所需的閥門輸入。這種技術(shù)有時(shí)候稱為前向通道或設(shè)定點(diǎn)的特性化。

由于這種特性化在定位器反饋回路之外進(jìn)行，這種類型的前向通道或設(shè)定點(diǎn)的特性化比特性化凸輪有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它避免了定位器回路增益變化的問(wèn)題。然而，這個(gè)方法也有它的動(dòng)態(tài)局限性。例如，在閥門工作范圍內(nèi)，可能有這樣的區(qū)域：1.0%的過(guò)程信號(hào)改變也許會(huì)通過(guò)這種特性化過(guò)程被減小到對(duì)閥門的只有0.1%的信號(hào)改變（那就是位于特性化曲線的平坦區(qū)域）。許多調(diào)節(jié)閥(控制閥)不能對(duì)這樣小的信號(hào)改變作出響應(yīng)。

佳的過(guò)程性能出現(xiàn)在要求的流量特性是通過(guò)改變閥門內(nèi)件，而不是使用凸輪或其它方法取得的時(shí)候。正確地選擇一個(gè)調(diào)節(jié)閥(控制閥)以在系統(tǒng)的操作范圍內(nèi)產(chǎn)生比較線性的安裝流量特性是確保優(yōu)過(guò)程性能的一個(gè)關(guān)鍵步驟。