正确选择和调整控制阀的尺寸以节省资金

这是关于控制阀的两部分文章的第二部分。第一部分发表在1999年9月的《控制工程》杂志上。俗话说:“妈妈不开心，没人开心。”控制阀也有类似的情况，“当控制阀不工作时，整个回路就不工作了。

作者:Dave Harrold，控制工程一九九九年十月一日

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这是关于控制阀的两部分文章的第二部分。第一部分发表在1999年9月的《控制工程》杂志上。

俗话说:“当妈妈不快乐时，没有人会快乐。”控制阀也有类似的情况，当控制阀不工作时，整个回路就不工作了。

几年前，对一家纸浆和造纸厂31个控制阀的分析显示，70%的阀门存在严重的操作问题(见定位器导致大多数控制阀问题图)。其他行业的类似分析也得出了类似的结果。尽管控制阀可能是控制回路循环的最大贡献者，尽管已经写了许多关于调节、选择和维护控制阀的重要性的文章，但作为一个整体，控制阀没有得到应有的尊重。

尊重终于来了

EnTech Controls (Toronto, Ontario, Canada)总裁Bill Bialkowski在为纸浆和造纸行业提供过程改进服务的同时，认识到控制阀的动态取决于许多因素，包括:阀门设计和尺寸、执行器设计和尺寸、定位器性能、工艺条件和测试方法。当考虑到所有因素时，控制阀变成了需要仔细设计的复杂系统。

比亚尔科夫斯基解释了许多控制阀存在的问题，他说，只要输出量发生0.1%的微小变化，控制阀就会移动，实际上会立即改变流体流量。不幸的是，控制阀很难逆转方向和/或响应小的输入变化，因为它们往往会卡在最后的位置。即使在理想条件下，也需要时间将毫安信号的变化转换为气动信号，在执行器隔膜上建立压力(或释放压力)，并获得控制阀运动。事实证明，控制阀通常在几分之一秒内对大的输入变化做出反应，但由于摩擦和机械间隙，相同的阀门需要30或40秒才能对0.2%的变化做出反应。在现实世界中，控制者没有足够的耐心等待那么长时间。当控制器的初始小变化不满足时，额外的控制算法计算产生额外的毫安输出变化。现在瓣膜在移动，但它走得太远了。控制器将此视为超调，并开始新的计算以反转阀门的方向。结果是一个控制阀诱导的极限环。(见避免控制阀诱发极限环图)。

比亚尔科夫斯基补充说，如果考虑控制阀的尺寸，问题就会变得更加复杂。许多安装的控制阀都是超大的，以确保超过足够的容量。这导致了高过程增益，因此对控制阀的小输入变化会产生大的流量变化。

1992年，EnTech发布了它的控制阀动态规格几乎立即阀门制造商开始访问他们的产品符合这个新的性能标准的能力。今天，许多控制阀达到或超过了原始EnTech控制阀规范中定义的性能标准。ISA(北卡罗来纳州三角研究公园)认识到EnTech规范的重要性，并召集SP75.25控制阀动态测试委员会编写标准，促进统一指定，测试和报告控制阀动态性能(见在线额外框)。

ISA的SP75.25委员会正在仔细定义如何进行和报告统一测试的标准。ISA正在避免建立性能标准，这是留给每个制造商确定和报告。用户最终将在制造商的文献中看到的是一套一致的安装控制阀性能特征。

Fisher Controls (Marshalltown, Ia.)的化工性能顾问Dennis Beckman解释了为什么用户应该对安装的特性和控制范围感兴趣，“阀门的样式和尺寸对回路过程增益和控制回路性能有重大影响。”在EnTech规范之前，阀门的选择通常考虑最大流量、范围(最大与最小可控流量的比率)和阀门的固有特性。这些方法不能识别过程和控制回路组件的安装特性(参见CE， 1999年2月，第77页)。由于阀门提供可变增益，因此重要的是选型和选择一个足够线性的控制阀，使其在系统工作范围内保持在规定的增益限制内。如果控制阀的增益变化太大，控制器控制过程的灵活性就会降低。

安装的回路过程增益(变送器量程百分比除以控制器输出百分比)为1.0是最理想的，但如果安装的回路增益在0.5和2.0之间，则可以实现良好的动态性能(参见安装的流量特性影响范围图)。

在阀门选择方面，蝶阀的控制范围最小，截止阀的控制范围最大。偏心塞阀和分段球阀安装在中间。

阀门型式的选择只是装配性能良好的控制阀系统的一部分。每个系统部件都必须注意细节，特别是定位器(见定位器引起的大多数控制阀问题图)。

当适当应用新的定位器添加到现有的控制阀可以帮助减少过程变异性。

多年来，定位器的经验准则不断发展，但最近定位器设计的改进正在改变许多规则(参见在线额外框)。

现代定位器使用各种内部控制和反馈机制，以提供可调增益，并使定位器“准备跳跃”小的输入变化。

定位器制造商认识到定位器的贡献，并不断努力进一步改善前面描述的“可变响应时间”问题。一种很有前途的技术是利用定位器的数字智能来管理自适应增益算法，并提供一致的增益响应，而不管输入信号的变化大小。

用户的责任

一种形式的疯狂认为，如果继续以同样的方式做事，就会取得不同的结果。

如果用户不积极关注并坚持要求新的控制阀符合标准，ISA的SP75.25委员会和控制阀制造商的努力将是无用的。用户还应采取措施，使现有的控制阀尽可能接近合规性。

用户认真增强控制阀性能，提高产品质量需要做到四件事:

掌握如何对现有控制阀性能进行基准测试的知识;
确保负责控制阀采购、工程和维护的人员理解将控制阀理解为系统的重要性;
确保控制回路得到适当调整;和
定期回顾上述三个步骤，并确保所有五个控制回路元素的行为符合预期(参见CE， 1999年2月，第77页)。

那些给予现有控制阀一些关注和尊重的用户可以期待看到他们的努力获得巨大回报。

控制阀特性概述
以下是三种常用控制阀设计的相对差异。

	截止阀	分段V-ball	高性能蝶阀
能力	好	优秀的	优秀的
特征	无限的选择	一，通常是相等的百分比	一，通常是线性的
噪声控制	优秀的	有限的	没有一个
空化保护	优秀的	有限的	没有一个
高流动压降	好	有限的	可怜的
紧的关闭	好	好	好
可用控制范围	宽	有限的	狭窄的
成本	最高	媒介	最低
来源:控制工程与数据从费雪控制

了解执行机构和控制阀台的设置

控制阀在安装之前和/或之后，但在操作过程条件存在之前，通常要进行冲程以进行操作验证。(类似于慢跑电机来验证接线操作和旋转方向。)当进行脑卒中验证的人员不熟悉“工作台设置”的术语和目的时，通常会导致不希望和不必要的现场调整。

在确定尺寸和选择用于控制阀的弹簧和隔膜执行器时，需要考虑的因素包括:

阀门进出口处的工作压力;

通过阀门的操作和关闭压力下降;

由包装材料引入的摩擦;

执行器膜片上加载压力的变化;

执行器膜片有效面积;

阀塞行程和行程;

下推有开启或关闭的特点;

作用在阀塞上的二次力;和

弹簧的特点。

在没有实际的向上、向下和侧向力的情况下，进行了计算，允许在装配台上组装和调整控制阀，使其在安装和操作时正常工作。

因此，在阀体内压力为零、阀内阀件之间的压差为零的情况下，控制阀的冲程范围为0-100%，施加在膜片上的压力与正常的3-15 psig (0.2-1.0 bar)的压力大不相同。例如，在装配台上进行测试时，控制阀在膜片施加4.7 psig压力之前可能不会开始移动。另一种控制阀可以在膜片上施加12 psig压力时达到100%行程。这两个例子都不一定表明控制阀和执行器调整不当，事实上，相反的情况更可能是正确的。在测试台上设置时，冲程从0-100%精确到3-15 psig的控制阀在安装和承受实际操作力时可能无法按要求执行。

工艺工程师先生(或女士)，帮你自己一个忙吧。确保您的安装和维护承包商了解工作台设置，并且在他们进行现场调整以“固定”控制阀以使其正确点火之前，让他们与您交谈。