用CONVAL計算軟件輔助自控工程設計

王翊

(北京石油化工工程有限公司，北京 100107)

在石油化工工程設計中，儀表設計包含控制方案、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重要。儀表選型設計與計算有著十分緊密的聯系，如果沒有科學、嚴謹的計算，后續的裝置開車運行無疑是存在風險的。

選型計算的內容很多且比較復雜，包括： 節流裝置、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設計軟件才能做到準確、可靠，目前設計院將部分計算工作委托給儀表廠商進行，但若設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，介紹在儀表設計過程中，涉及儀表計算的相關工作。同時詳述了如何通過CONVAL儀表計算軟件在工程中指導儀表設計工作，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計算軟件，該軟件由德國F.I.R.S.T GmbH公司研發，起初作為一款應用于控制閥計算、選型、可靠性診斷的專業工具，通過多年的發展，該軟件功能日益強大，現在已經發展為集儀表、控制閥設計及系統計算于一體的專業設計計算軟件。

該軟件主要功能有： 控制閥計算包括常規工況、兩相流、執行器推力等；流量計計算包括節流元件、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、介質性質模擬計算等。

2 在工程實施各個階段的儀表計算工作及CONVAL軟件的應用

石油化工工程通常因為投資較大，其執行過程也會比較復雜。工程項目實施通常包括： 工藝包、預可研、可研、基礎設計、詳細設計、工程施工、安裝調試、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 工藝包設計階段

1)儀表計算的需求。在工藝包設計階段，根據工藝對象的特點、調節品質及經濟性進行綜合考慮，有助于工藝包設計的合理性。

在該階段進行流程模擬時，一些關鍵參數的調整通常需要設計控制閥。這時，某些關鍵工藝管線的閥門壓降對選用設備的投資及能量的回收利用十分關鍵。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總阻力降之比。S100是指控制閥全開時的閥阻比，而控制閥調節性能的好壞直接和S100相關。S100越大，控制閥的流量特性的畸變就越小，調節性能就越能得到保證[1-2]。在相關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S100小于0.3時，畸變已經相當嚴重，必要時控制閥選型要選低壓降比結構[3]。所以在工藝包設計階段，對于一些關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，既保證了調節品質，也通過計算可節約裝置動力消耗，帶來經濟利益。

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，調節性能良好，但當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，此時流量的調節增益很小，控制回路的調節品質非常低。該情況有兩種解決方案，一種是增加系統的壓降，另一種是采用兩種流通能力的控制閥，以增大可調范圍。第一種方案一般不易實現，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，但增加控制閥的數量。

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

2.2 工程設計階段

在工程設計階段，儀表設計計算主要包括： 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，結構復雜，在裝置中重要性很高。通常工程設計階段，控制閥設計通常是儀表設計的難點和重點。在CONVAL軟件中，使用控制閥診斷數據結構模型參數Ri來衡量控制閥選型是否合理。Ri參數是F.I.R.S.T GmbH公司分析多年積累的大量的應用數據后開發的閥門性能分析的KPI參數。根據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，預測控制閥會受到高噪音、閃蒸、空化、高流速等現象的影響，產生高振動或加速內件磨蝕、腐蝕、脫離、共振從而導致控制閥損壞。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。

表1 苛刻工況下的輕烴控制閥計算示意

續表1

2.2.2案例二

在工程設計階段，流量計的選型非常重要，也比較復雜，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 ℃，要求設計壓損小于5.0 kPa。工藝包設計流量計為孔板流量計。經過計算，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，有不少流量計根據計算結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，在工程設計階段，有時還需要配合工藝專業，根據控制閥選型反算控制閥開度最大時工藝泄放量，以實現工藝的安全設計要求。比如： 控制閥失氣全開，這時工藝要據此計算裝置排放量，如果沒有計算軟件，該部分排放量的估計就沒有依據。

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計，以保證在異常工況下的裝置安全性。

2.3 現場調試階段

在現場調試階段，儀表調試人員需要根據現場實際安裝情況，計算變送器遷移值，以滿足開車要求。比如： 現場液位差壓變送器位置往往和設計不一致，有時在下取壓口下方，有時在上下取壓口中間，這時需要根據隔離液和介質的密度進行換算。在CONVAL軟件中有現成的計算模塊，應用該模塊，可方便地根據現場實際情況調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儀表或者動、靜設備是否滿足系統要求，這時一般是采用一些惰性介質進行測試。由于測試的介質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，調試組可以根據聯調時采用的介質，用CONVAL軟件對儀表測量值進行核對，從而有效地配合試車調試，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，應用CONVAL軟件，根據介質變化，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。

2.5 運行階段

隨著裝置的運行，某些介質的操作參數會發生變化，這時部分儀表可能因此而產生誤差，某些控制閥的可調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，保證裝置平穩高效地運行。

3 CONVAL軟件與工程設計軟件的結合

通過上述案例，可看出CONVAL軟件在很多方面對于儀表設計計算提供了有力的技術支持。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據，且隨著軟件數據庫的進一步完善，會將更多的儀表廠商數據進入到數據庫中。有了這些儀表數據，儀表設計人員在各個設計階段都能對自己的設計數據進行有效地核對，把控設計風險，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計軟件中閥門、流量計、溫度計等的計算參數輸入到CONVAL軟件中，生成可供查詢或者核算的計算數據表。選型完成后，還可通過COM接口將計算數據導入到設計軟件中，作為標準設計軟件的計算備份，這樣大幅提高了儀表選型的準確性，同時也為工程設計優化和效率的提高提供了有力的保證。

此外，根據需要，CONVAL軟件也可以通過外部文件將廠商數據導入到計算數據庫中，這樣用戶就可以根據需要，選擇相應廠商的數據進行計算，從而使得設計人員根據項目需要有效地把控設計風險，保證工程的成功實施。

4 結束語

當今工程項目自動化程度越來越高，儀表設計也越來越復雜，一個優秀的計算工具可使儀表設計師有效地把控儀表設計選型的風險，對當今越來越大型化，系統越來越復雜的工藝裝置成功實施具有現實意義。