1 调节阀的阀门流量特性

调节阀的流量特性是指被调介质流过调节阀的相对流量q与调节阀的相对开度l之间的关系。其数学表达式为

    （1）

常用调节阀典型的理想流量特性包括线性特性、等百分比特性、抛物线特性3种形式。

线性型流量特性曲线的斜率等于常数，与相对流量值无关。其流量-开度关系如式（2）所示。

    （2）

等百分比型流量特性曲线的斜率与相对流量成正比，即

    （3）

抛物线型流量特性曲线形如开口向下的二次曲线左半部分，故此得名。其斜率如式（4）所示。

    （4）

线性、等百分比、抛物线3种阀门流量特性的性质、开度-流量放大倍数关系和开度-流量特性曲线分别如表1和图1所示。在3种流量特性关系中，线性流量特性的阀门开度-流量特性呈线性关系，等百分比流量特性和抛物线流量特性的阀门开度-流量开度的放大倍数随开度变化而变化。对于等百分比流量特性，小开度时，放大倍数小，大开度时，放大倍数大，有利于对控制过程进行精确调节。对于抛物线流量特性，小开度时，放大倍数大，大开度时，放大倍数小，有利于对控制过程进行快速调节。

表1 3种阀门流量特性比较

图1 不同流量特性的开度-流量特性曲线

2 调节阀门流量特性对调节性能的影响

通用单冲量控制系统结构框图如图2所示，是由控制器GC（s）、执行器（阀门或挡板）GV（s）、控制对象GP（s）、变送器Gm（s）组成的负反馈闭环系统。

为了分析方便，可将执行器GV（s）、变送器Gm（s）、控制对象GP（s）等效为广义控制对象GP（s）=GV（s）·Gm（s）·Gp（s），则图2可简化为图3形式。

图2 单冲量控制系统结构

图3 简化后的控制系统结构

对于有自平衡控制对象，其对象传递函数可用纯迟延加一阶惯性的形式近似表示为

    （5）

式中：K为对象增益；T为对象时间常数；τ为输出响应纯迟延时间。

图2中，GV（s）、Gm（s）可近似为比例环节，则

    （6）

其中K*=Kv·Km·K。

调节回路中的PID控制器通常可以用式（7）表示。

    （7）

式中：Kc为比例增益；Ti为积分时间；Td为微分时间。

当对象GP（s）所属的回路采用如式（7）的PID控制器，其相应的比例增益、积分时间、微分时间等调节器参数可分别按表2中Z-N工程整定或基于内模PID控制器的整定方法进行整定计算。

表2 一阶加纯延时对象PID参数整定

由表2可知，无论PID参数采用何种方法整定，控制器比例增益Kc计算结果与对象增益成反比，同时与执行器（调节阀门）的放大系数Kv成反比。实际工艺控制过程中，为简化控制系统、缩短控制系统现场调试时间，大部分控制系统仅采用一组固定的Kc、Ti、Td参数。如要求所整定的参数使得控制回路具有良好的适应性，则要求广义被控对象的特性参数尽可能稳定。实际上，控制对象GP（s）在系统结构、工艺流程、工艺参数不变的情况下，特性基本不变；变送器确定选型且测量量程范围确定后，其增益Km不变。然而，执行器（阀门或挡板）的增益Kv与所选择的阀门流量特性密切相关（参见图1）。线性阀门流量特性Kv不变，使得整定后的回路在执行器全行程范围控制过程的调节品质几乎不变。当采用等百分比流量特性阀门，Kv随阀门开度增大而增大，导致在阀门小开度工况下整定的比例增益参数Kc在阀门大开度时偏大，容易引起调节系统振荡；在阀门大开度工况下整定的比例增益参数Kc在阀门小开度时偏小，被调量调节速度偏低。采用抛物线流量特性阀门，Kv随阀门开度增大而减小，在阀门小开度工况下整定的比例增益参数Kc在阀门大开度时偏小，被调量调节速度偏低；在阀门大开度工况下整定的比例增益参数Kc在阀门小开度时偏大，容易引起调节系统振荡。由上述分析可知，选用线性特性调节阀可使控制系统在不同阀门开度下系统调节性能不变，对提高调节系统稳定性最有利，选用其他类型调节阀都会牺牲控制系统的调节性能。提出的采用等百分比流量特性的阀门对调节有利的结论值得商榷。

3 阀门流量特性的补偿

由于选型不当、安装工艺或长期使用的调节阀阀芯被磨损和汽蚀等原因，许多调节阀的开度-流量特性存在非线性特性。为提高系统的调节性能，测取阀门流量特性、对阀门流量特性进行线性补偿是非常必要的工作。

3.1 阀门流量特性补偿原理

图4为阀门流量特性校正补偿结构原理图。图中虚线框部分为在原系统基础上增加的阀门流量特性校正函数。系统测量值PV与设定值SV输出至PID控制器01模块进行PID运算，PID输出经阀门流量补偿函数02进行阀门流量特性校正，再经手/自动操作器04后输出指令控制调节阀开度。阀门开度指令经阀门流量特性反函数03运算后输出至PID跟踪输入端，实现控制系统手/自动控制方式的无扰切换。应特别注意：阀门流量补偿函数02的输入值对应的是阀门的流量值，输出是阀门开度指令。阀门流量补偿跟踪函数03的输入值对应的是阀门开度指令，输出是流量值。

图4 阀门流量特性补偿校正原理

3.2 阀门流量特性的求取

为获得较准确的阀门开度-流量特性，应尽可能保证调节阀前工质压力、温度不变，并注意在被调量参数和其他参数不影响机组安全运行的前提下进行。具体步骤如下：（1）在DCS上设定阀门开度反馈、阀门流量和被调量等参数的记录曲线。（2）在被调量和其他工艺参数稳定的情况下，手动全开（或全关）调节阀。（3）以相同的幅度和时间间隔，逐步关小（或开大）调节阀，直至调节阀全关（或全开）。（4）以相同的幅度和时间间隔，逐步开大（或关小）调节阀，直至调节阀全开（或全关）。（5）恢复调节阀至正常开度。（6）对阀门开度、阀门流量数据进行平滑处理和百分比换算处理，求出最终的阀门开度-流量特性函数和其反函数。

除通过实际等幅开关调节阀获得阀门流量特性以外，还可以通过阀门从全关至全开的历史数据拟合出调节阀的流量特性函数。

4 优化调整实例

某电厂3号机组为660MW亚临界机组，锅炉为美国CE公司制造的CC+RR-70型亚临界压力中间再热强制循环汽包炉，过热汽温采用A、B侧单级喷水形式。长期以来，该机组过热汽温调节回路一直存在局部区域振荡和加减负荷过程汽温波动大的现象。曾多次采用不同的控制策略对该机组汽温控制系统进行了优化改造，均未能取得理想调节品质。

通过DCS历史数据，检查发现A、B侧2个过热汽温减温水调节门存在严重的非线性特性（参见图5）。为消除减温水调节门在局部区域的振荡现象，除调整了控制器参数，还着重进行了阀门流量校正修正，表3是根据不同的阀门开度、流量数据拟合出的A、B侧过热器减温水调节阀的阀门流量特性函数。从拟合出的曲线看出，A、B两侧减温水阀门开度-流量特性为等百分比流量特性。在20%以下开度时，单位开度引起的流量变化为0.6%左右，50%～70%开度时，单位开度流量变化量在2.1%左右，是20%以下开度流量变化量的3.5倍，此外，B侧减温水调节门全关时还有4%左右的漏流量。为了保证不同阀位开度汽温调节系统均有良好的调节品质，必须在左右侧过热汽温调节系统中增加减温水调门流量特性补偿功能。

图5 过热汽温调节阀阀门流量特性拟合曲线

表3 A/B侧过热汽温调节阀开度-流量拟合函数

按照图4补偿原理图对控制系统进行阀门流量特性补偿和控制器参数调整后，机组过热汽温在稳定工况两侧过热汽温调节门的振荡现象已消除，变动负荷工况下的汽温动态调节品质有较大改善。以A侧过热汽温变化过程为例，图6、表4描述了系统优化前、后机组2次幅度大于200MW的AGC升负荷过程中汽温过渡过程。图6、表4数据表明经过流量非线性补偿与控制器参数的调整，锅炉过热汽温调节品质得到了明显提高。

图6 优化前后A侧过热汽温调节记录曲线

表4 过热汽温调整前后动态品质比较

5 结语

为提高控制系统的调节品质，除采用先进的控制策略、优化调整控制系统参数等措施外，对控制系统调节阀特性进行线性化补偿也可有效提高执行器全行程范围的调节性能，是一种投资少、见效快的优化措施。某660MW机组过热汽温控制回路采用本文所提出的优化方法后，其调节品质得到了明显提高。实际工程实践中，由于阀门选型、安装误差和阀门所处的工作环境恶劣，常会引起调节阀的非线性偏差，对调节阀特性测定并进行线性度补偿校正应作为设备维护人员的定期工作之一。