气动调节阀出现波动的原因分析

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,为了实现更准确的控制,大部分都装有阀门定位器。从本质上讲阀门定位器是一台控制器,和执行机构组成一个简单控制回路,以克服介质的不平衡力和摩擦力等扰动。
本文所指的调节阀波动,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使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问题造成的,而是由于控制对象和定位器不匹配引起的,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。

气动调节阀出现波动的原因分析
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。但如果广义对象和控制器存在不匹配,就容易造成系统的波动。
一、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013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如下:
1、反馈杆(臂)上的弹簧松动或失去弹性
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。
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。

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二、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。
1、升压继动器
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,典型应用如图2所示。升压继动器造成不对称的原因有:①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;②定位器在小流量时排气和进气的不对称被放大。
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,要求电磁阀动作时阀在1s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3),离线校验时出现波动问题,通过减小高性能增益可以消除波动;某次检修后调校时发现,波动非常严重,用各种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。
三、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,多数情况能够在离线调校时发现,并进行相应处理。

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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阀的波动。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。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。
解决的办法是通过HART协议的手操器改变定位器的设置,增加短步区的范围,减小最小脉宽,使控制器的增益减小,调整后在压力稳定的情况下阀位的偏差在0.2%以下,在压力波动时阀位的变化不到1%,而且很快恢复稳定。
四、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,容易使调节阀成为整个装置的生产瓶颈。为了尽量避免CV值过小的风险,设计时尽量将CV裕量放大,这是调节阀流通量选择太大的最常见的原因,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。波动的原因是阀门开度在25%以下工作时,过程的增益非常高,很容易使过程进入不稳定区,造成过程的振荡,而引起阀门的波动。
五、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能够补偿对象特性的非线性,使广义对象的特性为线性。由于管道的压降比一般小于1,使阀的流量特性发生畸变,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6所示,阀在小开度时增益很大,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现象。
六、结论
调节阀是简单控制系统的实例,波动也遵守简单控制系统振荡、发散的一般规律。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。

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