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節(jié)流電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在節(jié)流系統(tǒng)應(yīng)用中的成本影響
來源：上海自動化儀表有限公司作者：發(fā)表時間：2018-09-18 08:45:44【小中大】
幾年前，美國一家主要的液體管道公司改造了其現(xiàn)有的一條成品油管道。該管道為該路線上的許多發(fā)展中城市以及兩個軍事基地提供了主要的汽油，噴氣和柴油供應(yīng)。該項(xiàng)目旨在提高吞吐量和可靠性。
用于生產(chǎn)線的現(xiàn)有控制閥是球型，減速口，舊式電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)過時。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于部件可用性而難以維護(hù)，并且易于發(fā)生外部液壓泄漏。如果液壓油到達(dá)地面，這種泄漏將成為現(xiàn)場可記錄的事故。在改造項(xiàng)目的早期做出決定，為整個項(xiàng)目購買新的控制閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。較新型的節(jié)流電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)符合項(xiàng)目要求。原因如下：
應(yīng)用：
控制閥所需的應(yīng)用包括泵的背壓控制，站入口壓力控制（由于某些站之間的高度變化而需要）和罐輸送壓力控制。這些應(yīng)用被確定為失效 - 最后作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的期望失效動作（4-20mA DC控制信號的損失或功率損失）。行程時間要求是每英寸控制閥標(biāo)稱孔徑的3-5秒。選擇的控制閥對于較小的球閥，其所需的運(yùn)行扭矩范圍為52,000英寸 - 磅（in-lbs）（5,875 Nm），對于較大的重型球閥，其所需的運(yùn)行扭矩范圍超過115,000 in-lbs（12,993 Nm）。
技術(shù)考慮：
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)考慮了兩種不同類型的驅(qū)動技術(shù)：現(xiàn)代電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)和節(jié)流電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因?yàn)樗鼈冊谶^去使用過，所以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)最初傾向于使用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。然而，基于所需的致動器的數(shù)量和由此產(chǎn)生的成本節(jié)省，節(jié)流電動致動器被選擇并從上海自動化儀表股份有限公司訂購。
安裝和啟動：
現(xiàn)場節(jié)流電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的初始安裝和設(shè)置順利進(jìn)行，部分原因是現(xiàn)場技術(shù)人員已熟悉該技術(shù) - 多個電動閥（MOV）已在同一管道上下安裝。除了4-20 mA DC控制（與離散開/關(guān)控制信號相反）之外，標(biāo)準(zhǔn)MOV和節(jié)流電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的連接是相同的。
一切都順利運(yùn)行，直到管道啟動。在啟動幾周后，電機(jī)熱量開始在一半的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上跳閘。由于這不是一個理想的結(jié)果，因此開始進(jìn)行調(diào)查。
啟動發(fā)現(xiàn)：
執(zhí)行機(jī)構(gòu)跳閘電機(jī)熱量的設(shè)定值在一小時內(nèi)變化超過3,600次（執(zhí)行機(jī)構(gòu)額定值的兩倍）。這是由于幾個因素，包括：
比例 - 積分 - 微分（PID）控制方案；
管道系統(tǒng)響應(yīng)時間；
使用嚴(yán)重的服務(wù)控制閥的特殊性；
控制系統(tǒng)的初始設(shè)置是每20毫秒需要時監(jiān)控和更改設(shè)定值。節(jié)流電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)無法跟上設(shè)定值的變化，這意味著執(zhí)行器不斷尋找其設(shè)定值，從而導(dǎo)致過熱。
由于泵站之間的距離超過100英里，因此管道需要時間來穩(wěn)定過程變化。控制方案必須考慮這一現(xiàn)實(shí)。客戶收集數(shù)據(jù)點(diǎn)并確定不同管道運(yùn)行的過程需要4-7秒，以使管道從設(shè)定點(diǎn)變化穩(wěn)定（在圖1中稱為DT）。一旦控制閥發(fā)生設(shè)定值變化，管道就會像小的階梯變化那樣在降級的正弦波上作出反應(yīng)，幅度為3-6 psig。
使用的嚴(yán)重服務(wù)控制閥的特殊雙曲線特性也提出了PID挑戰(zhàn)。
圖比較了雙曲線Cv曲線與等百分比（EQ％）曲線和線性曲線。
解：
考慮到新發(fā)現(xiàn)的信息，確定了控制方案中的變化。第一個變化涉及進(jìn)行100次原始壓力掃描并在確定的DT時間段內(nèi)對它們求平均值。這個新的時間加權(quán)和平均壓力讀數(shù)用于確定管道是否在其所需的壓力設(shè)定點(diǎn)內(nèi)運(yùn)行。
第二個變化是對雙曲線控制閥的軟件行程限制，以保持閥門的運(yùn)動實(shí)際上對過程壓力產(chǎn)生影響的范圍（圖2）。
控制方案的最后一個挑戰(zhàn)是站點(diǎn)出口以最大允許工作壓力（MAWP）運(yùn)行。每14.7 psi的壓力消耗相當(dāng)于管道成本的8％。
為了保持管道的設(shè)計(jì)參數(shù)，我們決定當(dāng)工作站的出口達(dá)到MAWP時，控制系統(tǒng)會將控制閥設(shè)定值降低到低于MAWP 2 psig（圖3）。
結(jié)果：
PID控制方案的改變意味著管道操作員可以在壓力控制上以0.5％的精度運(yùn)行管道，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于舊式電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該過程從每小時3,600次設(shè)定值變化變?yōu)?0次，從而消除了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的過熱。同時，到目前為止，致動器的維護(hù)更具成本效益，幾乎消失。
鑒于在第一個項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了成本節(jié)約和性能，節(jié)流電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)已成為參與此案例研究的管道公司的新標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)論：
電動節(jié)流執(zhí)行機(jī)構(gòu)是許多成功的過程控制環(huán)境的一部分。如果使用得當(dāng)，并且在失效時可以接受失效電源，節(jié)流電動執(zhí)行器可以為新項(xiàng)目節(jié)省大量成本。
建議：
以下是上海自動化儀表有限公司對液體管道控制閥節(jié)流電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建議：
沒有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程應(yīng)超過15秒。一個好的經(jīng)驗(yàn)法則是每個標(biāo)稱閥門尺寸（英寸）3-6秒。
確保控制閥運(yùn)行轉(zhuǎn)矩基于節(jié)流的條件是已知的; 這些很容易超過閥門斷裂扭矩。執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸必須考慮到這一點(diǎn)。
當(dāng)用于節(jié)流球閥時，應(yīng)選擇具有慷慨安全系數(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隨著節(jié)流球閥隨著時間的推移而磨損，特別是在非潤滑精制產(chǎn)品線中，閥門扭矩將增加。執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。
確保任何PID控制方案都考慮了管道的反應(yīng)時間。
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