用CONVAL計算軟件輔助自控工程設(shè)計

王翊

(北京石油化工工程有限公司，北京 100107)

在石油化工工程設(shè)計中，儀表設(shè)計包含控制方案、儀表選型、安裝方案等各個方面，其中儀表選型合理與否，對項目的成功實施至關(guān)重要。儀表選型設(shè)計與計算有著十分緊密的聯(lián)系，如果沒有科學(xué)、嚴謹?shù)挠嬎悖罄m(xù)的裝置開車運行無疑是存在風(fēng)險的。

選型計算的內(nèi)容很多且比較復(fù)雜，包括： 節(jié)流裝置、流量儀表、控制閥、套管振動、差壓變送器遷移等很多方面。這些計算工作必須要有專業(yè)設(shè)計軟件才能做到準確、可靠，目前設(shè)計院將部分計算工作委托給儀表廠商進行，但若設(shè)計院不進行有效的把控，沒有第三方軟件的核算，那么儀表選型將有可能因為缺乏有效的核算而造成選型失誤。這不僅導(dǎo)致投資增加，甚至可能因儀表選型錯誤而造成工程損失。

本文通過一些工程實例，介紹在儀表設(shè)計過程中，涉及儀表計算的相關(guān)工作。同時詳述了如何通過CONVAL儀表計算軟件在工程中指導(dǎo)儀表設(shè)計工作，并解決了工程中的一些實際問題。

1 CONVAL軟件簡介

CONVAL軟件是一款第三方的專業(yè)計算軟件，該軟件由德國F.I.R.S.T GmbH公司研發(fā)，起初作為一款應(yīng)用于控制閥計算、選型、可靠性診斷的專業(yè)工具，通過多年的發(fā)展，該軟件功能日益強大，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為集儀表、控制閥設(shè)計及系統(tǒng)計算于一體的專業(yè)設(shè)計計算軟件。

該軟件主要功能有： 控制閥計算包括常規(guī)工況、兩相流、執(zhí)行器推力等；流量計計算包括節(jié)流元件、均速管流量計、楔式、四孔孔板、整體孔板等，以及減溫減壓器、管道、換熱器、爆破片、安全閥、溫度計套管振動、液位計遷移量、介質(zhì)性質(zhì)模擬計算等。

2 在工程實施各個階段的儀表計算工作及CONVAL軟件的應(yīng)用

石油化工工程通常因為投資較大，其執(zhí)行過程也會比較復(fù)雜。工程項目實施通常包括： 工藝包、預(yù)可研、可研、基礎(chǔ)設(shè)計、詳細設(shè)計、工程施工、安裝調(diào)試、工程開車等階段，很多階段都對儀表計算有需求。以下根據(jù)工程項目實施階段，介紹在各階段對儀表計算的需求以及應(yīng)用CONVAL軟件解決實際工程問題，同時也說明儀表計算的重要性。

2.1 工藝包設(shè)計階段

1)儀表計算的需求。在工藝包設(shè)計階段，根據(jù)工藝對象的特點、調(diào)節(jié)品質(zhì)及經(jīng)濟性進行綜合考慮，有助于工藝包設(shè)計的合理性。

在該階段進行流程模擬時，一些關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整通常需要設(shè)計控制閥。這時，某些關(guān)鍵工藝管線的閥門壓降對選用設(shè)備的投資及能量的回收利用十分關(guān)鍵。該階段引入了閥阻比S(也叫壓降比)的概念，它是特定開度下的控制閥壓降與管線系統(tǒng)總阻力降之比。S100是指控制閥全開時的閥阻比，而控制閥調(diào)節(jié)性能的好壞直接和S100相關(guān)。S100越大，控制閥的流量特性的畸變就越小，調(diào)節(jié)性能就越能得到保證[1-2]。在相關(guān)的控制閥選型手冊中通常定義S100大于0.6時，選擇的控制閥固有流量特性與工作流量特性相同，而當(dāng)S100小于0.3時，畸變已經(jīng)相當(dāng)嚴重，必要時控制閥選型要選低壓降比結(jié)構(gòu)[3]。所以在工藝包設(shè)計階段，對于一些關(guān)鍵控制閥有必要進行S100的核算，通過核算確認管線控制閥的壓降，既保證了調(diào)節(jié)品質(zhì)，也通過計算可節(jié)約裝置動力消耗，帶來經(jīng)濟利益。

2)案例。某臺控制閥，通過對操作點以及管線阻力元件綜合評判生成工作流量特性曲線，如圖1所示。

圖1 控制閥工作流量特性曲線

由圖1可知，該臺控制閥在小開度時，調(diào)節(jié)性能良好，但當(dāng)開度增加到一定程度時，如圖1中的最大流量工作點Op1，由于流量特性畸變嚴重，此時流量的調(diào)節(jié)增益很小，控制回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)非常低。該情況有兩種解決方案，一種是增加系統(tǒng)的壓降，另一種是采用兩種流通能力的控制閥，以增大可調(diào)范圍。第一種方案一般不易實現(xiàn)，該方案通常也會造成裝置總投資的增加；第二種方案較易實現(xiàn)，但增加控制閥的數(shù)量。

該控制閥核算在工藝包階段以及之后的工程設(shè)計階段均可進行，通過核算可有效地輔助工藝模擬，以做到數(shù)據(jù)的準確、可靠。

2.2 工程設(shè)計階段

在工程設(shè)計階段，儀表設(shè)計計算主要包括： 流量計計算、控制閥計算、溫度計振動計算等。這些工作雖繁瑣但是很重要，設(shè)計院在該階段尤其要準確把握，保證項目順利實施。

2.2.1 案例一

控制閥品種繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在裝置中重要性很高。通常工程設(shè)計階段，控制閥設(shè)計通常是儀表設(shè)計的難點和重點。在CONVAL軟件中，使用控制閥診斷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型參數(shù)Ri來衡量控制閥選型是否合理。Ri參數(shù)是F.I.R.S.T GmbH公司分析多年積累的大量的應(yīng)用數(shù)據(jù)后開發(fā)的閥門性能分析的KPI參數(shù)。根據(jù)CONVAL軟件中的定義,Ri值范圍在0.5～1.0為低可靠性；如果Ri值大于1，預(yù)測控制閥會受到高噪音、閃蒸、空化、高流速等現(xiàn)象的影響，產(chǎn)生高振動或加速內(nèi)件磨蝕、腐蝕、脫離、共振從而導(dǎo)致控制閥損壞。筆者通過多個項目的實踐，成功運用Ri值及CONVAL軟件對控制閥的選型建議，對一些苛刻工況下的控制閥進行了選型，在項目中均取得了滿意的效果。

例如： 某項目中苛刻工況下的輕烴控制閥計算見表1所列，該控制閥存在閃蒸工況。通過CONVAL軟件計算，初選硬化處理閥芯的控制閥，可得Ri值為0.86，接近1，CONVAL軟件給出了控制閥選型建議，所以項目中選擇了特殊的閥型以確保裝置的長周期運行。該項目的大部分控制閥都通過CONVAL軟件進行了核算，對于Ri值超標的控制閥跟廠商均進行了充分溝通，選取了合適的控制閥，為項目一次開車成功打下了堅實的基礎(chǔ)。

表1 苛刻工況下的輕烴控制閥計算示意

續(xù)表1

2.2.2案例二

在工程設(shè)計階段，流量計的選型非常重要，也比較復(fù)雜，需要注意流量計的適用范圍、壓力損失是否滿足工藝要求等方面。

某項目中的乙烯流量計量程為3 t/h；操作表壓為1.78 MPa；溫度為-35.5 ℃，要求設(shè)計壓損小于5.0 kPa。工藝包設(shè)計流量計為孔板流量計。經(jīng)過計算，孔板流量計在差壓為10 kPa時，壓損為7.9 kPa。通過軟件核算，修改為文丘里流量計，壓損為3.9 kPa。該項目中，有不少流量計根據(jù)計算結(jié)果修改了流量計類型，不僅滿足了工藝要求，還兼顧了儀表測量精度。

此外，在工程設(shè)計階段，有時還需要配合工藝專業(yè)，根據(jù)控制閥選型反算控制閥開度最大時工藝泄放量，以實現(xiàn)工藝的安全設(shè)計要求。比如： 控制閥失氣全開，這時工藝要據(jù)此計算裝置排放量，如果沒有計算軟件，該部分排放量的估計就沒有依據(jù)。

又例如： 某裝置緩沖罐壓力控制閥的最大操作流量為1 t/h；選擇CV=19的控制閥。在緊急泄放的情況下，通過反算，在開度100%的情況下，其流通能力為1.9 t/h，遠大于正常最大流量，通過該計算就可以在一定程度上輔助工藝設(shè)計，以保證在異常工況下的裝置安全性。

2.3 現(xiàn)場調(diào)試階段

在現(xiàn)場調(diào)試階段，儀表調(diào)試人員需要根據(jù)現(xiàn)場實際安裝情況，計算變送器遷移值，以滿足開車要求。比如： 現(xiàn)場液位差壓變送器位置往往和設(shè)計不一致，有時在下取壓口下方，有時在上下取壓口中間，這時需要根據(jù)隔離液和介質(zhì)的密度進行換算。在CONVAL軟件中有現(xiàn)成的計算模塊，應(yīng)用該模塊，可方便地根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整差壓變送器的遷移量。

2.4 試車階段示意

有時，某些裝置在投料前需要核對相關(guān)儀表或者動、靜設(shè)備是否滿足系統(tǒng)要求，這時一般是采用一些惰性介質(zhì)進行測試。由于測試的介質(zhì)及工況與實際開車時不同，往往此時儀表示值與開車時的真實示值差別很大。在這種情況下，調(diào)試組可以根據(jù)聯(lián)調(diào)時采用的介質(zhì)，用CONVAL軟件對儀表測量值進行核對，從而有效地配合試車調(diào)試，為開車投料成功保駕護航。

例如： 某裝置在操作工況時介質(zhì)為烴類蒸氣，但試車時采用氮氣。試車階段，因溫度、壓力等參數(shù)均與實際工況差別很大，在驗證換熱器熱效率時，流量與實際流量差別很大。這時，應(yīng)用CONVAL軟件，根據(jù)介質(zhì)變化，按照試車工況，對孔徑比固定的已有孔板流量計進行反算差壓變送器量程，然后按照實際量程求出了實際流量，對于控制閥也按照試車工況進行了核算，求出了不同開度下實際流量。最終驗證該換熱器選型合適，滿足了開車要求，為該裝置一次成功開車奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.5 運行階段

隨著裝置的運行，某些介質(zhì)的操作參數(shù)會發(fā)生變化，這時部分儀表可能因此而產(chǎn)生誤差，某些控制閥的可調(diào)范圍也可能因此受影響。因此，及時通過類似于CONVAL該類第三方計算軟件進行核算，能準確定位問題來源，保證裝置平穩(wěn)高效地運行。

3 CONVAL軟件與工程設(shè)計軟件的結(jié)合

通過上述案例，可看出CONVAL軟件在很多方面對于儀表設(shè)計計算提供了有力的技術(shù)支持。但該軟件不僅是一套模擬計算軟件，還包含了許多廠商的儀表數(shù)據(jù)，且隨著軟件數(shù)據(jù)庫的進一步完善，會將更多的儀表廠商數(shù)據(jù)進入到數(shù)據(jù)庫中。有了這些儀表數(shù)據(jù)，儀表設(shè)計人員在各個設(shè)計階段都能對自己的設(shè)計數(shù)據(jù)進行有效地核對，把控設(shè)計風(fēng)險，為工程項目成功實施提供有力的保障。

CONVAL軟件還開放了COM接口，可通過該接口將各個設(shè)計軟件中閥門、流量計、溫度計等的計算參數(shù)輸入到CONVAL軟件中，生成可供查詢或者核算的計算數(shù)據(jù)表。選型完成后，還可通過COM接口將計算數(shù)據(jù)導(dǎo)入到設(shè)計軟件中，作為標準設(shè)計軟件的計算備份，這樣大幅提高了儀表選型的準確性，同時也為工程設(shè)計優(yōu)化和效率的提高提供了有力的保證。

此外，根據(jù)需要，CONVAL軟件也可以通過外部文件將廠商數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計算數(shù)據(jù)庫中，這樣用戶就可以根據(jù)需要，選擇相應(yīng)廠商的數(shù)據(jù)進行計算，從而使得設(shè)計人員根據(jù)項目需要有效地把控設(shè)計風(fēng)險，保證工程的成功實施。

4 結(jié)束語

當(dāng)今工程項目自動化程度越來越高，儀表設(shè)計也越來越復(fù)雜，一個優(yōu)秀的計算工具可使儀表設(shè)計師有效地把控儀表設(shè)計選型的風(fēng)險，對當(dāng)今越來越大型化，系統(tǒng)越來越復(fù)雜的工藝裝置成功實施具有現(xiàn)實意義。