调节阀波动原因分析

调节阀波动原因分析

雷跃强

（宁夏，银川 宁夏石化公司机动处，750026）

关键字：调节阀  波动   对象   定位器

引言：气动调节阀是化工生产中最常见的执行元件，在控制系统中，调节阀是最薄弱的环节，为了实现较准确的定位，大部分阀都装有阀门定位器，从本质上讲阀门定位器是一台控制器。它和执行机构组成一个简单控制回路，来克服介质的不平衡力等扰动。

本文讨论的调节阀波动，指在远程给定信号不变的情况下，调节阀的阀位在一定范围内变化的异常现象。调节阀波动不但会造成过程波动，调节阀本身也会出现阀杆磨损、填料泄漏等危害。调节阀的波动是调节阀现场运用中最棘手的问题之一，随着智能定位器的大量应用，调节阀的波动现象更加常见。长期的应用中发现，大部分的波动并不是由于定位器本身的问题造成的，而是由于控制对象和定位器的不匹配引起的，更多的是由于广义对象的问题造成。本文将从控制系统的角度来分析调节阀波动的常见原因。

 在调节阀选型正确、气路配置合理、工艺状况简单的情况下，定位器的控制对象是简单的，容易控制的，对直行程调节阀，其输入是非线性的，而角行程的调节阀，输入是线性的，但如果广义对象或控制器存在一些问题，就容易造成系统的波动：

1. 广义对象的纯滞后（时滞）过大

纯滞后在过程控制中普遍存在，小的时滞对系统影响不大，当过程的纯滞后时间与对象的时间常数之比大于0.3时，称为大时滞过程，对大时滞过程，常规的控制算法很难达到满意的控制效果，最常见的现象为系统的震荡，对于调节阀对象， 造成反馈时滞大的常见原因有：

1.1反馈杆（臂）上的弹簧松动或失去弹性

如图1所示为FISHER5010定位器的反馈臂，反馈臂上装有偏置弹簧，正常情况下，反馈杆被偏置弹簧压在反馈臂的上沿，当弹簧安装不正确或弹簧失去弹性时，在一定的区间内，阀门和反馈杆动作，但反馈臂不动作，对控制器来说，表现为存在较大的时滞。造成定位器的输出不断波动，相应的阀位也波动。

1.2  摩擦力太大  克服摩擦力是阀门定位器的主要功能之一，调节阀的摩擦力主要来自两个部件，填料和套筒阀的密封环，如果阀杆不光滑或填料压得太紧，就会使阀杆和填料之间的摩擦力过大；在高温场合，通常用石墨环与套筒的过盈配合使调节阀达到设计的密封要求，如果过盈量太大或套筒的椭圆度太大，就会使阀芯和套筒的摩擦力太大，由于静摩擦力远大于动摩擦力，远程给定大幅度动作时表现为阀门跳动，也称爬行。波动的机理如下：当远程信号在突然变化时（即阶跃信号），由于摩擦力大使负偏差太大，定位器的积分作用使输出不断增大，当增大到足够克服静摩擦力时阀门动作，由于静摩擦力大于动摩擦力，阀门超调，负偏差变为正偏差，反复超调，系统很难稳定下来。针对摩擦力的问题，一些定位器厂商设计出了高摩擦力算法，这种算法大大减小调节阀波动现象的发生。

 2. 对象的上行程和下行程特性不对称 上行程和下行程不对称是调节阀对象中非常普遍的现象，广泛应用的气动薄膜执行机构的一侧为弹簧驱动，另一侧为气压驱动，这会造成上下行程不对称，正常情况下，这种不对称是轻微的，不会造成波动现象，当出现膜片泄漏等异常时这种不对称加剧，造成阀位的波动。一些定位器厂商针对这种特性，设计出了上下不对称的PID算法，这种算法中上下行程的增益、积分时间、微分可以分别调节。比较严重的不对称主要是由于一些气动元件的进气和排气速度不一样造成的，常见的元件有升压继动器和快速排放阀。

2.1 升压继动器（booster）

 升压继动器本质上是一种气动的流量放大器，用来提高执行机构的动作速度，应用如图2所示。升压继动器造成不对称的原因有：

a） 进气速度受气源压力和膜头（气缸）压差的影响，而排气速度受膜头压力的影响，两个压差之间有时差别很大。

b） 定位器在小流量时排气和进气的的不对称被放大。

2.2 快速排放阀，

      快速排放阀一般用于对阀一个方向的动作速度有特殊要求的场合，典型的如一秒阀，要求电磁阀动作时阀在一秒之内全开或全关，这样造成开和关的动作严重不对称，很容易造成调节阀的波动。例如某装置蒸汽减压阀，如图2所示，离线校验时经常波动，通过减小高性能增益（Hi perform gain）可以消除波动；某次检修后调校时发现，波动非常严重，用常规的方法均无法消除，经检查发现，快速排放阀不动作，造成上行速度慢，下行速度快。

2. 控制器的增益太大

对于一个单回路控制系统，增益太小会造成响应速度慢，余差增大，而增益太大则会造成系统等幅振荡甚至发散振荡。增益太大造成阀波动比较常见，多数情况是在离线时发现，工艺条件容许处理，如工艺冷凝液进料阀在调校过程中发现阀在10%范围内波动，该阀的定位器为fisher5010智能定位器，对其重新初始化后仍然波动，检查组态参数发现其动态响应参数设在H，将该参数改为E后，波动消除，余差在0.2%以内。

对传统定位器控制的调节阀，由于控制器的增益不可调节，很少会因为增益太大造成的阀波动，在智能定位器中为了提高控制精度，提高控制的灵活性，几乎所有品牌的定位器增益都是可调的，这对操作人员的控制知识提出了更高的要求，所以，在智能定位器控制的调节阀中，增益太大造成的调节阀波动比较常见。如某装置高压放空阀HV92104在离线校验时，动作正常，投运后开始波动，该阀用SIEMENS SIPART2定位器，该定位器的控制原理如图二所示：根据偏差的大小，将控制方式分为快速移动区、短步区、死区。在较大的偏差时，位于快速移动区，定位器中的压电阀打开，使阀位快速接近设定值， 进入短步区，在短步区，用PWM（脉冲宽度调节）的方式控制，脉冲的宽度由最小脉冲和偏差的乘积得到，短步区实际上是比例区； 在短步区相当于一个纯比例控制器。

 HV2104在管道内没有压力的情况下，能够完成初始化，精度达到要求；由于该阀为单座阀，它的前后压差达到12MPa，所以不平衡力很大，而且压力波动较大，即阀投用后系统的干扰较大；而向上的不平衡力使对象的向上的增益和向下的增益发生改变，向下的扰动使定位器进入下快速移动区，而过大的增益使阀又进入上快速移动区，控制系统的衰减比太小，使克服一次扰动的波动时间较长，而扰动频繁造成该阀频繁波动；

解决的办法是通过HART375改变定位器的设置，增加短步区的范围，减小最小脉宽，使控制器的增益减小，调整后在压力波动时阀位的变化不到1%，而且很快恢复稳定。

3. 阀的流通量选择太大

流通量选择太大是调节阀选型时最常见的错误，如果CV值选得太小，阀全开时也达不到需要的流量，设计人员将承担很大的责任，为了尽量避免CV值小的风险，设计者尽量将CV裕量放大，这样保守的设计造成远程控制器的调节范围很小，更大的危害是调节阀容易波动，波动的原因是在25％以下工作时过程的增益非常高，这种很高的增益很容易使过程进入不稳定区，造成过程的振荡，过程的振荡作用于阀门，引起阀门的波动。 如 某装置调节阀LV9402，安装在尿素溶液泵P106的出口，正常工况下，开度在15％左右，与之对应的控制器LRC9402的增益只有0.1，可见过程的增益很高，。该阀在停车时调校正常，正常生产时有时进入振荡状态，用手轮强行使阀位小于振荡区后，再退出手轮，阀门恢复稳定，能正常运行。阀的波动机理如下：如果某种扰动引起阀位的增加，由于过程的高增益，较小的阀位增加引起了流量的大幅增加，管道压力突然下降，阀芯受力突然下降，而这时定位器为了克服扰动输出减小，执行机构向下的力增加；两种力方向相同，使阀位迅速减小，管道压力增加，阀芯受力突然增加。这其中存在两个波动：过程的波动和定位器的波动，如果两个波动互相耦合，就会造成阀的波动。

根据实际工况对流通量进行核算，阀全开时CV值63即可满足要求，而原设计该阀的CV值为430。该阀为套筒阀，该口径的阀制造商最小的CV值只能做到175，将原套筒更换为CV值为175的套筒后，阀的运行非常稳定。

4. 调节阀的流量特性选择不合适

 调节阀流量特性选择的目标是使阀的特性正好与补偿对象特性的非线性，使广义对象的特性为线性。由于管道的压降比（s）一般小于1.，使阀的流量流量特性发生畸变，实际流量特性和理想流量特性之间存在差异。流量特性选择时最常见的问题是没有考虑管路阻力对实际流量特性的影响，理想流量特性选择为线性，实际流量特性为快开，如图所示，阀在小开度是增益很大，而大开度时增益减小。造成小开度时容易波动，波动的机理和流通量选择太大一样。

例如，某装置二氧化碳压缩机防喘振阀，流量特性为线性，在小开度时容易发生波动，扩能改造时对该阀进行了更新，选型过程中引入了压降比，将阀的特性选为改进的等百分比，改造后未发生小开度波动的现象。

结论：调节阀是简单控制系统的实例，它的波动也遵守简单控制系统振荡、发散的一般规律，只要认真研究对象特性，根据对象特性相应调整定位器的参数，或者对难控对象进行改造，波动可以得到消除。