阀位控制系统的设计

李旻阳 王洁鑫 江尚洪

北京化工大学 100029

前言

在我们的实际工艺流程中，所选择的操作变量往往没有那么理想化，我们既要考虑到它的经济性和合理性，又要考虑到它的快速性和有效性，但是往往一种操作变量有了经济性就不能抗干扰，而有了抗干扰往往会增加能耗，使经济成本大大增加 ，因此，在一些情况下所选择的操作变量很难做到俩者兼顾，而为此解决方案便是阀位控制系统，一种综合考虑操作变量的快速性、有效性、经济性和合理性的控制系统。

一.什么是阀位控制系统

一个控制系统在受到外界干扰时，被控变量将偏离原先的给定值而发生变化。为了克服干扰的影响，将被控变量拉回给定值，需要对控制变量进行调整。对于一个系统来说，可供选择作为控制变量的可能不只是两个，而是由多个，这就是一个如何选择控制变量的问题。然而对于控制变量的选择，其核心问题是如何在经济性和合理性中以及快速性和有效性之中进行考虑。但是，在实际有些情况中，所选择的控制变量很难做到两者兼顾。阀位定位系统就是在综合考虑控制变量的快速性、有效性、经济性和合理性基础上发展起来的一种控制系统。

阀位控制系统的原理结构图如图1.1所示。

图1.1 阀位控制系统结构原理图

在阀位控制系统中选用了两个控制变量A和B，其中控制变量A从经济性和工艺的合理性考虑比较合适，但是对克服干扰的影响不够及时、有效。控制变量B却正好相反，快速性、有效性较好，即克服扰动的影响比较迅速、及时，但经济性、合理性较差。这两个控制变量分别由两只控制器来控制。其中控制控制变量B的为主控制器C₁，控制控制变量A的为阀门控制器C_2.。主控制器的给定值及产品的质量指标，阀位控制器的给定值是控制变量管线上控制阀的阀位，阀位控制系统以此而得名。

二.阀位控制系统的设计

（一）控制变量的选择

要从经济、合理性和快速、有效性两个不同的角度考虑选择A、B两个控制变量。其中控制变量A着重考虑它的经济性和合理性，而控制变量B则着重考虑它的快速性和有效性。

（二）控制阀开闭形式选择

控制阀的开闭形式与单回路控制系统相同。一般来说，要根据以下几条原则来选择。

⑴首先要从生产安全出发。即当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制阀膜片破裂、漏气等而使控制阀无法正常工作，以致阀芯恢复到无能源的初始状态（气开阀回复到全闭，气闭阀回复到全开）时，应能确保生产工艺设备的安全，不止发生事故。如锅炉供水控制阀，为了保证发生上述情况时不至烧坏锅炉，控制阀应选气闭阀。

⑵其次，要从保证产品的质量出发。当控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。如精馏塔回流量控制阀常采用气闭式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于全回流状态，这就防止了不合格产品的蒸出，从而保证了塔顶产品的质量。

⑶从降低原料、成本、动力损耗来考虑。如控制精馏塔进料的控制阀一般都选用气开式，一旦控制阀失去能源即处于关闭状态，则不再给他进料，以免造成浪费。

⑷从介质的特点考虑。精塔加热釜加热蒸汽控制阀一般都选气开式，以保证在控制阀失去能源时能处于全闭状态，避免蒸汽的浪费。如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，控制阀则应选择气闭式，以防控制阀失去能源时阀门关闭，，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。

除以之外，还有两种情况下在控制阀开、闭状态的选择上需要加以注意。

⑴第一种情况是由于由于工艺要求不一，对于同一个控制阀可以有两种不同的选择情况。

⑵其次，是某些生产工艺对控制阀开、闭形式的选择没有严格的要求。在这种情况下。，控制阀的开、闭形式可以任选。

（三）控制器规律及正反作用

（1）控制器规律的选择：主控制器是控制产品的质量指标的，因此一般情况选用的主控制器是比列积分控制器（PI）；但当对象时间常数较大时，则选用比列积分微分控制器（PID）。

（2）控制器正反作用的选择：闭环回路各环节放大倍数的符号乘机必须为负。

三.阀位控制系统的应用

列1 原油出口温度控制系统

图1.2 原油出口温度单回路控制系统

图1.3 原油出口温度阀位控制系统

如图1.2，选用燃料气作为操作变量是经济的和合理的，但是由于图1.2是一个很简单的单回路控制系统，因此它对克服外界干扰的影响不及时；而图1.3中，操作变量B选用支管原油量，对原油的出口温度十分及时、有效，然而如果单独使用从工艺方面考虑又会增加能耗，是不经济的，因此将俩者结合起来，能够有效的提高控制质量的效果；

列2 蒸汽减压系统压力控制

图1.4 蒸汽减压系统压力阀位控制系统

图中，中压蒸汽减压成低压蒸汽，一般使用控制阀Vb运用节流作用即可，但是这样做加大了能耗，很不经济，所以如果将中压蒸汽通过中压透平后转为低压蒸汽，则可使透平做功，使能量得到有效的利用。系统中，PC作为为主控制器，它的输出同时作为阀Vb的控制信号，又作为阀位控制器VPC的测量信号，控制阀Va则由阀位控制器进行控制，而阀位控制器的给定值r则决定这阀Vb的开度。（通常r是一个很小的值）

总结

阀位控制系统在我们的工艺流程中还是占据着很重要的位置，其控制思路上与串级控制系统相似，但是更容易满足特定的工艺需求。由于很多时候只通过一个控制变量很难实现人们想要达到的控制效果，因而人们采用阀位控制阀位控制系统来实现综合考虑控制变量的快速性、有效性、经济性和合理性。而阀位控制系统的设计需要综合考虑控制变量的选择、控制阀开闭形式的选择、控制器规律选择、控制器正、反作用选择及阀位控制系统的整定。只有把上述五点同时考虑到，才能使设计出的阀位控制系统基本实现相应的控制效果。除此之外，控制系统的选材、工作环境等因素也会影响到最后的结果。因此，当需要设计阀位控制系统时，要考虑多方面因素。