在过程控制系统的设计阶段,如何正确的选用
调节阀的
流量特性(以下简称选用),是一个必须要解决的技术问题,对提高控制系统的调节品质起着事半功倍的作用。
从现有的文献来看,理论选用方法尚在研究探索之中,设计中大都采用经验准则解决选用问题。然而各种文献给出的经验准则并非全都一致,有些经验准则对适用范围交待不清。例如常见的换热器出口温度控制系统,有相变传热与无相变传热的选用结论不全相同。若不明白选用理论,机械地套用经验准则,有可能会导致选用失误。因此,对选用的理论、及方法进行研究很有必要。
图1 单回路反馈控制系统组成方块图
由图1可知,当调节器已整定,则Kc为常量,选用的理论依据为
K
o = K
v*K
p*K
m≈常量
(1)式中:K
o、K
v、K
m—分别为系统广义对象、调节阀、被控对象、检测变送器的放大系数。
从选用角度分析式(1):
(1)选用的目的是以K
v补偿K
p、K
m,对K
o作非线性校正。若系统运行中无干扰施入,即K
p、K
m的工作点不变,则不需作非线性校正,选用任何一种流量特性调节阀都能符合式(1)要求。所以,无干扰就不存在选用问题,研究选用的理论与方法,必须联系干扰因素来了解其适用性。
(2)选用的过程是根据系统主要干扰作用下的K
p、K
m变化规律,选定符合式(1)要求的,在该干扰作用下的K
v变化规律。由于K
m的变化规律决定于检测、变送器整机输出入信号之间的固有函数关系,与干扰因素无关。因此,解决选用的关键,在于对系统主要干扰作用下的K
v、K
p变化规律的求取与了解。
(3)从现有的各种理论选用方法看,实质上都是采用定性分析的方法,来解决选用问题。所以对选用有实用意义的是了解常用的线性、对数,快开流量特性调节阀在各种干扰作用下所反映的K
v变化规律,以用作选用依据;了解常用的各种理论选用方法,求取干扰作用下K
p变化规律的可行性与适用性,这将对设计人员选择选用的方法,具有指导意义。
根据以上分析,文献通常给出的关于选用的论述,存在的问题主要表现为:对调节阀流量特性、K
v的论述,偏重一种形式,从选用角度看,有值得商榷之处;只给出理想工况(即阀前阀后压降ΔP
v为恒值)下的各调节阀K
v变化规律,用于选用,对干扰的适用范围不清;没有联系干扰因素来论证求取K
v变化规律的可行性,以及对选用方法的适用性。因此,对选用缺乏实用意义,需加以修正与补充。
本文旨在解决上述问题,下文将探讨文献对调节阀流量特性、K
v的论述;从讨论调节阀流量特性与K
v的四种表达形式着手,以推导所得的用变量Q/Q
max、Q、C/C
max或C所表征的各阀四种K
v表达式为依据,根据分析给出的有关变量在干扰作用下的状态,给出线性、对数、快开流量特性调节阀在干扰作用下所呈现的K
v变化规律,以及对选用的适用范围;论证求取干扰作用下K
p变化规律的可行性,及对选用方法的适用性。
二、探讨文献对调节阀流量特性、Kv的论述 2.1 分析有关变量在干扰作用下的状态
为方便下文的讨论,需先了解有关变量在干扰作用下的状态。某一开度或全开时调节阀的流量方程分别为:
(2)
(3)
式中:
g—重力加速度,是恒值;
ρ—密度,不可压缩流体p为恒值;
C—
阀门的流通能力;
C
max—已确定通径调节阀的最大流通能力,实质上即为根据工艺参数计算所得的系统最大流量下的C值,在
控制阀的标准产品系列中经设计人员合理圆整、选定的阀公称流通能力C
g,C
g为恒值,即C
max为恒值。
无论用经验准则、或是理论方法选用,通常都是在众多干扰中,确定一个出现最频,对被控变量y影响最大的干扰,作为系统主要干扰变量来考虑选用,其它次要干扰则均视为常量。
干扰形式众多,一般可等效视为广义的负荷(即非Δp
v干扰)或Δp
v干扰两种类型。由此,依据式(2)、(3)可知:
(1)定值系统负荷为主要干扰,Δp
v等次要干扰可视为常量;Q
max为常量;C
max为恒值;Q,C为变量。 (2)定值系统Δp
v为主要干扰,负荷等次要干扰可视为常量;Δp
v为变量;C
max为恒值;由式(3)知,Q
max∝Δp
v,即Q
max为变量;Q的状态可作如下分析,因给定值X为恒值,由工艺操作的物料或能量平衡原理,以及系统的调节过程可知,Δp
v干扰施入之初引起Q的变化,会很快被系统的调节作用改变阀的开度所克服,系统稳态时Q仍为Δp
v干扰施入前的流量值不变,所以Q仍可视为常量;C随阀的开度而变,所以C为变量。
以上结论,下文讨论中作为已知条件引用。
2.2、探讨文献通常采用的论述形式 对阀门的流量特性,通常都以流体流过调节阀的相对流量Q/Q
max与阀杆相对行程L/L
max之间的函数关系定义。定义式为
Q/Q
max=f(L/L
max) (4)
对各阀流量特性、K
v的论述可归纳如表1所述。
表 1
名称
| 流量特性表达式
| Kv变化规律
|
线性阀
|
| K—常数,即调节阀放大系数
|
对数阀
|
| Kv∝Q,由小到大变化
|
快开阀
|
| Kv∝1/Q,由大到小变化 |
表中K为比例常数,线性阀K=1-1/R,对数阀K=InR,快开阀K=(1-1/R²)/2;R为调节阀的理想可调范围,R=Q
max/Q
min=C
max/C
min=30。
文献所称的各阀理想流量特性曲线见图2。
1:快开;2:直线;3:对数
图2理想流量特性
结合图2分析文献对阀流量特性的定义,是用Q/Q
max与L/L
max两个相对无因次变量之间的函数关系来表征,实质上是表征阀的相对流量特性。所以(4)式应确切地称为阀的相对流量特性定义式;图2应确切地称为各调节阀的理想相对流量特性曲线图;在图2曲线上的各点作切线,其斜率的变化反映了以Q/Q
max表征的各阀相对放大系数(记为K''
VQ)的变化规律;切线的数学式,即为阀相对放大系数的定义式
K''
VQ =d(Q/Q
max)/d(L/L
max) (5)
因而表1中的流量特性表达式,应确切地称为调节阀相对流量特性表达式。由式(5)可知,即为各调节阀的K''
VQ表达式(见表2),反映了理想工况下,以Q/Q
max表征的各阀K''
VQ变化规律,由式(3)知,理想工况下Q
max为常量,由此方可把各调节阀的K''
VQ变化规律表达为如表1所述,以有因次变量Q所表征的各阀放大系数K,变化规律的形式。所以,表1给出的Kv变化规律的形式。所以,表1给出的K,变化规律,实质上出自各阀的K''
VQ变化规律,其成立条件为理想工况。
因此,表1给出的各阀K
v变化规律用于选用,适用范围不清,需明确对干扰的适用范围。
(1)定值系统负荷为主要干扰:已知Δp
v,Q
max可视为常量,与以上分析给出的各阀K''
VQ或K
V变化规律的成立条件相同,可适用于选用。
(2)定值系统Δp
v为主要干扰;已知Δp
v、Q
max为变量,与各阀门K''
VQ或K
V变化规律的成立条件不符,图2也不成立,所以不能适用于选用。
由此,从选用角度看表1,应如表2所示。 表 2
名称
| K''VQ表达式
| 负荷干扰下K''VQ变化规律
| 负荷干扰下Kv变化规律
|
线性阀
| K''VQ=K
| K''VQ为常数,与变化无关
| Kv为常数,与Q变化无关
|
对数阀
|
| ,由小到大变化
|
Kv∝Q,由小到大变化
|
快开阀
|
| ,由大到小变化
| ,由大到小变化 |