1.3 控制阀在流程工业自动控制系统中的作用

1.3.1 流程工业控制系统的演进过程

1.流程控制工业系统的发展

在流程工业的发展过程中，过程控制技术经历了五个主要发展阶段，即气动仪表控制系统（1950年前）、模拟仪表控制系统（1950—1959年）、计算机集中监督控制系统（1960—1969年）、分散控制系统（1970—1989年）和现场总线控制系统（1990年至今），如图1-45所示。

（1）基地式气动仪表控制系统（人工控制阶段） 第一阶段是机械化时代。1940—1950年，工业生产过程的操作管理还没有单元操作控制室，所有测量仪表都分散在生产单元的各个部分，操作人员围绕着生产过程现场查看生产设备和仪表，过程物流直接用管子与仪表相连接，因此，不用复杂的变送器，压力、温度、流量和液面的控制都采用单回路控制系统，工业生产过程也比较简单，操作人员最多只能照看10～20个信号和回路。随着工业生产过程变得越来越复杂，需要众多的控制回路和单元生产控制过程集中化。相应的过程变量变送器的开发显得十分必要，许多生产工艺管路不可能绕着弯汇总到控制室，这样既不经济也不安全。因此，原来的控制阀就变成用气动来驱动，控制系统的信号也用气动信号。这个时期的控制方式主要是就地、人工的方式，可以称其为“目力所及，臂力所及”。

（2）电动单元组合式模拟仪表控制系统 随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如0.02~0.1MPa的气压信号、0~10mA或4~20mA的直流电流信号、1~5V的直流电压信号等，送往集中控制室。电动单元组合式模拟仪表控制系统处理随着时间连续变化的控制信号，形成闭环控制系统，但其控制性能只能实现单参数的PID调节和简单的串级、前馈控制，无法实现复杂的控制形式。三大控制理论的确立，奠定了现代控制的基础，集中控制室的设立及控制功能分离的模式一直沿用至今。

（3）计算机集中监督控制系统 这是自动控制领域的一次革命，由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都很大，信号传输的抗干扰能力也较差。于是，人们便开始寻求用数字信号取代模拟信号的方法，出现了直接数字控制（DDC），即用一台计算机取代控制室的几乎所有仪表盘，从而出现了计算机集中监督控制系统，它充分发挥了计算机的特长，是一种多目的、多任务的控制系统。计算机通过A/D或D/A通道控制生产过程，不但能实现简单的PID控制，还能实现复杂的控制运算，如最优控制、自适应控制等。

（4）分散控制系统（distributed control system，DCS） DCS是目前使用普遍的一种控制结构，它采用了4C技术，即计算机技术、控制技术、通信技术、CRT显示技术。

分散控制系统集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。它的特点是整个控制系统不再只有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表、智能部件构成，这样就具有了分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的功能。并且设备之间的信号传递也不仅仅依赖于4~20mA的模拟信号，而逐步以数字信号来取代模拟信号。集散控制系统的优点是系统安全可靠、通用灵活，具备优良的控制性能和综合管理能力，为工业过程的计算机控制开创了新方法。

（5）现场总线控制系统（fieldbus control system，FCS） FCS是继DCS之后又一种全新的控制体系，是一次质的飞跃。1983年，霍尼韦尔（Honeywell）公司推出了智能化仪表——Smar变送器，这些带有微处理芯片的仪表除了在原有模拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能之外，还在输出的4~20mA直流信号上叠加了数字信号，使现场与控制室之间的连接由模拟信号过渡到数字信号，为现场总线的出现奠定了基础。现场总线控制系统把“分散控制”发展为“现场控制”，数据的传输方式从“点到点”变为“总线”，从而建立了过程控制系统中大系统的概念，大大推进了控制系统的发展。

2.控制理论的发展

控制技术的发展有两条相辅相成的主线：一条是上述控制系统的发展，另一条是控制理论的发展。控制理论的发展经历了以下三个时期。

（1）经典控制理论时期（1930—1950年） 经典控制理论主要解决单输入单输出（SISO）线性定常系统的分析与控制问题。它以拉普拉斯变换为数学工具，采用以传递函数、频率特性、根轨迹等为基础的经典频域方法研究系统。对于非线性系统，除了线性化及渐近展开计算以外，主要采用相平面分析和谐波平衡法（即描述函数法）进行研究。伯德于1945年提出了频率响应分析方法，即简便而实用的伯德图法。埃文斯于1948年提出了直观而简便的图解分析法，即根轨迹法，在控制工程上得到了广泛应用。经典控制理论能够较好地解决SISO反馈控制系统的问题。但是，它具有明显的局限性，较为突出的是难以有效地应用于时变系统和多变量系统，也难以揭示系统更为深刻的特性。同时，当时主要依靠手工计算和作图方式进行分析与设计，因此很难处理高阶系统问题。

（2）现代控制理论时期（1960—1980年） 这一时期由于计算机技术、航空航天技术的迅速发展，控制理论有了重大的突破和创新。现代控制理论主要解决多输入多输出（MIMO）线性定常系统的分析与控制问题。现代控制理论以状态空间法为基础，以线性代数和微分方程为主要数学工具，来分析和设计控制系统。所谓状态空间法，本质上是一种时域分析方法，它不仅描述了系统的外部特性，还揭示了系统的内部状态和性能。现代控制理论分析和综合系统的目标，是在揭示其内在规律的基础上，实现系统在某种意义上的最优化，同时使控制系统的结构不再局限于单纯的闭环形式。美国的贝尔曼于1956年提出了寻求最优控制的动态规划法。美国的卡尔曼于1958年提出递推估计的自动优化控制原理，奠定了自校正控制器的基础，并于1960年引入状态空间法分析系统，提出能控性、能观测性、最优调节器和卡尔曼滤波等概念。1961年，苏联的庞特里亚金证明了极大值原理，使最优控制理论得到了极大发展。瑞典学者阿斯特勒姆于1967年提出最小二乘辨识，解决了线性定常系统的参数估计和定阶方法问题。1970年，英国学者罗森布罗克等人提出多变量频域控制理论，丰富了现代控制理论领域。

（3）智能控制理论时期（1990年至今） 智能控制的发展始于20世纪60年代，它是一种能更好地模仿人类智能的非传统控制方法。它突破了传统的控制中对象有明确的数学描述和控制目标可以数量化的限制，主要解决复杂系统和非线性系统的控制问题。它所采用的理论方法主要来自于人工智能理论、神经网络、模糊推理和专家系统等。

1.3.2 控制阀的应用

控制阀是过程自动化装置中极为重要的元件之一，其工作性能的好坏直接关系到控制系统的投运和工艺装置的运行，一旦控制阀出现故障，整套控制系统就会失灵。控制阀种类繁多，不同阀门的结构和材料各不相同，用户的需求也千差万别。控制阀被用于各种工业工况，下面以其在石化工业中的应用为例做简要描述。

1.控制阀在常减压蒸馏装置中的应用

在常减压蒸馏装置中，控制阀主要控制介质，包括原油、脱盐水、高压燃料气、燃料油、蒸汽、除氧水、净化水等的压力及流量等。在蒸汽管线中，最高使用温度达到了400℃，常一、常二线，减二、减三线及部分燃料油、闪底油的温度都达到了250℃左右。常减压蒸馏装置流程图如图1-46所示。

（1）工艺流程 常减压蒸馏装置的主要工艺流程：原油罐区→电脱盐→初馏塔→常压炉→常压塔→减压炉→减压塔→产品罐区→中间罐区。

（2）介质特点 黏度大、易凝结、流量大、温度高、高硫原油居多。

（3）对控制阀的要求 口径大、流通性好、常压高温及常温较多。

（4）主要应用的阀门类型 常减压装置中的主要阀门类型见表1-10。

2.控制阀在加氢裂化装置中的应用

加氢裂化实质上是加氢和催化裂化过程的有机结合，它一方面能使重质油品通过裂化反应转化为汽油、煤油和柴油等轻质油品，另一方面又可防止像催化裂化那样生成大量焦炭，还可通过加氢除去原料中的硫、氯、氧化合物杂质，使烯烃饱和。加氢裂化装置流程如图1-47和图1-48所示。

（1）工艺分类 按反应器中催化剂所处的状态不同，可分为固定床、沸腾床和悬浮床等形式。

（2）装置特点

1）处于高温、高压、临氢环境，要求仪表的压力等级及材料严格满足工艺条件要求。

2）加氢装置中进行的是耗氢极强的强放热反应，必须及时补充氢气，否则压力会下降。同时要求及时排热，否则会因反应速度加快、热量剧增，而导致反应失控，造成“飞温”，使反应器内部及催化剂损坏。所以温度和压力是两个重要的控制参数。

3）由高压和低压部分组成，两部分的分界面是高低压分离器（简称高分器）。为避免高压混入低压引起爆炸，高分器的液位及界位是极其重要的控制参数。

（3）工艺流程 原料油罐区→原料油预处理→加热炉→精制反应→裂化反应→热、冷/高、低压分离→氢循环、压缩系统→分馏塔系统→产品罐区。

（4）介质特点

1）除渣油外，基本为中质油，介质的物理性能好、压力高、压差大、耐氢气腐蚀、耐硫化氢腐蚀。

2）原料：重质油等（炼油厂常减压装置的常三、常四、减一、减二、减三线油或者制蜡装置的发汗蜡和蜡脱油装置的溶剂脱油蜡等）。

3）产品：轻质油等（液态烃、液化天然气、液化石油气、轻石脑油、重石脑油、汽油、煤油、低凝柴油、轻柴油以及尾油等）。

（5）对控制阀的要求 耐高压、耐高压差、耐氢气腐蚀、耐颗粒，抗硫处理。

（6）主要应用阀门类型 加氢裂化装置中的主要阀门类型见表1-11。