來源：emersonprocess Renewed interest in the performance of control valves is emerging, partly as a result of numerous plant audits that indicate roughly one-third of installed control valves are operating at substandard levels. Even though properly operating control valves are essential to overall plant efficiency and product quality, maintenance personnel frequently don’t recognize the signs of poor performance. The basics of control valve design and operation must be well understood for end-users to reap the benefits of improved valve operation. 重新興起的關(guān)于控制閥性能的關(guān)注正在不斷涌現(xiàn)，造成這種狀況的部分原因是在于大量的平臺檢查顯示，在已安裝的控制閥中，大約有三分之一正工作在低于標準的水平。即使知道恰當?shù)牟僮骺刂崎y對于整個平臺系統(tǒng)和產(chǎn)品質(zhì)量具有根本性的意義，控制閥的維護人員也經(jīng)常無法識別出那些能標志控制閥的性能較差的信號。終端用戶一定要理解關(guān)于控制閥設計和操作的基本知識，以從控制閥操作的改進中獲得益處。 除非是控制閥恰當?shù)剡\轉(zhuǎn)，否則先進的控制計劃將無法產(chǎn)生最優(yōu)的結(jié)果。儀器儀表技術(shù)人員必須通曉如控制閥等這些控制元件及其診斷軟件，以確保控制閥在平臺中能如系統(tǒng)設計師本意那樣運行。 控制閥的基本類別 最常用和通用的控制閥類型是滑桿球(sliding-stem globe)閥和角閥(angle valve)(如圖1所示)。這兩者的流行得自于它們的凸凹不平的結(jié)構(gòu)和很多可用的選項使得其適用于多種多樣的過程應用，包括條件苛刻的服務狀況。例如，滑桿閥提供的典型選項可以滿足一系列的ANSI (American National standard Institute, 美國國家標準協(xié)會) 級別的要求，如壓力-溫度額定值，關(guān)閉能力，尺寸，溫度相容性，以及流動特性。 圖1 滑桿球和角控制閥(Sliding-stem globe and angle control valves) 滑桿球閥和角閥之間的第一點區(qū)別在于閥是否是后引導式的(Post-guided)或者籠式引導的(Cage-guided)。在后引導式閥中(如圖2所示)，閥桿或者是部分閥芯作為軸套，截流件被軸套所環(huán)繞。在籠式引導閥(如圖3所示)中，一個津貼的圓柱形的籠子引導閥芯。籠式引導提供了一個相對大的導軌面，這將有助于把振動最小化，改善閥芯穩(wěn)定性，并增加壓力降的額定值。 圖2 后引導閥(Post-guided valve) 圖3 籠式引導閥(Cage-guided valve) 旋轉(zhuǎn)軸控制閥(Rotary-shaft control valve)有幾種不同的類型可供選擇，每一個都以截流件(盤，球，球缺，或者塞子)的幾何外形為特點。與滑桿閥相比，旋轉(zhuǎn)軸控制閥一般對壓力降的額定值有所限制，但價格要便宜一些，具有很大的幅度調(diào)節(jié)變化范圍，并能針對給定的閥的尺寸而提供大的流動能力。典型的，旋轉(zhuǎn)軸控制閥常被選擇來用于具有特殊需求的情況，比如，高能力(全孔球閥, full-bore ball valve)，封閉作用的剪切(球缺閥, ball segment valve)，低成本(標準節(jié)氣門, standard butterfly)，以及對腐蝕損傷的抵抗能力(偏心旋轉(zhuǎn)塞，如圖4所示)。一般而言，旋轉(zhuǎn)軸控制閥提供了為數(shù)不多的針對苛刻服務的選項(平衡的選項)，如衰減控制閥噪聲，消除氣穴現(xiàn)象，以及提供其他的期望的特征。 圖4 偏心滾轉(zhuǎn)柱塞閥(Eccentric rotary plug valve) 選擇與定型 基于將要處理的過程流體以及若干性能目標，對控制閥進行選擇。其中，需要的尺寸參數(shù)包括：比重，閥的進口和出口處的壓力，整個閥的壓力降，閥進口處的流體溫度，流速，以及蒸汽壓力。其它必需的信息包括期望的響應時間，過程增益特征，以及氣穴或閃蒸的潛能。 在很多應用場合中，讓控制閥達到徹底的關(guān)閉顯得十分重要。關(guān)閉閥門可以防止?jié)B漏，避免污染處理中的流體或者導致產(chǎn)品的損失。此外，當某一高速滲漏流體穿過設備表面時，緊閉控制閥還可以防止腐蝕損傷。 由于不準確的信息并出于安全裕度的考慮，參于定型過程中的每一位設計人員或小組都可能增加閥的尺寸，這樣最終所得的控制閥就有些尺寸過大了。可是，閥的尺寸過大并不好，理由有三。 首先，控制閥的操作可能變得失穩(wěn)了，原因就在于它不可能從遠遠超過完全封閉位置的情況下打開。當控制閥正挨著底座處于節(jié)流狀態(tài)時，過程增益往往較高。在低承載時，控制閥與過程增益混在一起，很可能過高而不足以維持穩(wěn)定的操作。其次，在截流件和底座面之間的高速流體可能會導致過度的底座磨損。第三，設計的流動特征很可能無法達到，從而引起控制器調(diào)節(jié)問題。 控制閥制造商和銷售商常會求助于一些流體熱動力學專家。針對一些不同于常規(guī)的定型狀況，這些專家能為系統(tǒng)設計師提供最新的解決方案。 執(zhí)行機構(gòu) 只有當閥門自身的塞子、盤、球或者球缺恰當?shù)仨憫刂菩盘枙r，經(jīng)過適當選擇并定型的控制閥才能傳遞最佳性能。截流件的定位與執(zhí)行機構(gòu)的性能以及為執(zhí)行機構(gòu)提供加載壓力的儀表裝置有關(guān)系。具體來說，有三個相關(guān)的因素需要考慮： 閉合位置的力：對球和角閥，執(zhí)行機構(gòu)必須提供足夠的力(或推力)以達到指定的ANSI級別的關(guān)閉程度。對滾軸閥來說，執(zhí)行機構(gòu)則必須提供足夠的扭矩來把截流件移出和移入底座。 執(zhí)行機構(gòu)剛度：為維持閥芯的穩(wěn)定性，執(zhí)行機構(gòu)必須通過利用機械彈簧或空氣減振器提供足夠的阻力來對付流體抖振產(chǎn)生的力。 失效模式：針對失去了壓縮空氣供應的情況，失效模式定義了截流件的移動方向。 人們對于活塞式和彈簧-薄膜式兩種執(zhí)行機構(gòu)的優(yōu)缺點以及局限性素有爭論。實際上，這兩種設備都是很有用的，并且在過程控制領(lǐng)域各有所長。 彈簧-薄膜式執(zhí)行機構(gòu)簡單且可靠，可被用于絕大部分的控制應用方面。這種執(zhí)行機構(gòu)的一個主要的優(yōu)點就在于其內(nèi)置的彈簧失效動作(稱為固有的失效模式)，即使在完全失去壓力供應的情況下，亦可提供足夠的關(guān)閉力量。 定位器(Positioners) 控制閥的定位器能確保實際的閥桿位置與控制信號欲達到的位置相匹配。沒有高性能的定位器，即使是最先進的控制亦無法達到性能的峰值。在充滿競爭的生產(chǎn)環(huán)境中，定位器已經(jīng)成為了帶有根本性意義的自動化儀表裝置。 定位器常被用來克服高的閥門摩擦并降低隨之產(chǎn)生的死區(qū)與滯后，這將有助于獲得更高精度的控制效果。定位器必須要和雙動作的活塞式執(zhí)行機構(gòu)(有無彈簧均可)相搭配，以提供節(jié)流控制的功能。 定位器的典型應用是在行程停止位增加執(zhí)行機構(gòu)的力。由于固有的密封摩擦，上述外力對于旋轉(zhuǎn)控制閥尤其有用。 在過去的幾年里，研究人員把相當多的興趣都投在了研發(fā)靈巧的現(xiàn)場安裝儀器儀表，和允許在儀器儀表間、控制系統(tǒng)主機以及控制網(wǎng)絡中的其他設備間進行通信的協(xié)議。靈巧的現(xiàn)場安裝儀器儀表帶來了許多有用的特點，使得技術(shù)人員有能力對控制閥和儀器進行遠程配置，校準，并且查找故障。先進的診斷功能允許使用者通過自動掃描大量的設備并識別通常最需要維護服務的設備，進而實現(xiàn)預測式維護過程。支持靈巧設備的系統(tǒng)將會在以下諸多方面取得進展，包括：資產(chǎn)管理，工作指令的生成，控制系統(tǒng)的告警和警報；以及在不久的將來，控制閥的告警和失效的即時通信，以維護各部門的尋呼機和行動電話。 技術(shù)概要 過程控制工程師們一直瞧不起控制閥，將其視為簡單地遵守使用說明書的低技術(shù)含量的一塊“鐵”。然而，控制閥事實上已經(jīng)躋身于最復雜現(xiàn)場設備的行列，用于重復性地執(zhí)行嚴格的任務，并且常常工作在極其苛刻的服務環(huán)境中。如果沒有恰當?shù)剡x擇、安裝和維護，控制閥將可能導致生產(chǎn)效率的急劇下降。 在真正花了工夫去了解這些最終的控制元件后，生身能力和獲益能力的增加是顯然的。需要記住以下的要點，包括： 恰當?shù)剡x擇、安裝并維護控制閥，過程的可變性將會下降； 確保控制閥對控制信號的快速而準確的響應，可以降低過程的可變性； 最小化過程的可變性能夠改善平臺的性能。 您如何才能利用上述的這些益處呢？答案就是教育。只有真正通曉控制閥(包括控制閥和儀器儀表技術(shù)的最新進展)的過程工程師和儀器儀表技術(shù)人員才能夠正確地安裝并校準新的或者改造的閥門，才能更有效地查找故障問題，并在不把控制閥移離運轉(zhuǎn)位置的情況下做出有益的調(diào)整。受過良好培訓的技術(shù)人員可以通過仔細地檢測平臺中的每一個控制閥的工作狀態(tài)，選擇那些明顯具有過早失效或性能損失的可能性的控制閥，立即進行修復或替換。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)高效率而低成本的維護計劃，且能使意外停機的概率最小化。 關(guān)于作者： Steve Hagen是位于愛荷華州馬歇爾敦(Marshalltown, Iowa)的Emerson Learning Solutions公司的高級講師(Senior Instructor)。 網(wǎng)址：http://www.emersonprocess.com/education, 電話 641-754-3771.