基于知識(shí)模型的控制閥選型

徐 麗

（中國(guó)石油廣東石化公司，廣東揭陽(yáng) 515200）

0 引言

控制閥是流程工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中常用的工業(yè)產(chǎn)品，是石化行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中工藝流程控制環(huán)節(jié)的重要組成部分和關(guān)鍵設(shè)備。現(xiàn)代化工廠的生產(chǎn)很大程度取決于流動(dòng)工藝介質(zhì)的正確分配和控制，作為自動(dòng)化系統(tǒng)的執(zhí)行單元，在其應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域中占據(jù)相當(dāng)重要的地位。需求日益增多的控制閥，面對(duì)應(yīng)用環(huán)境的多樣性、復(fù)雜性，正確選擇適用于工藝系統(tǒng)生產(chǎn)單元使用的控制閥產(chǎn)品，對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行至關(guān)重要。

1 控制閥選型需求發(fā)展

早期用戶的關(guān)鍵設(shè)備用控制閥多為進(jìn)口產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)控制閥產(chǎn)品屬于低參數(shù)低精度要求控制閥，其使用工況特點(diǎn)是少變量、低精度、無(wú)苛刻工況；控制閥產(chǎn)品品種單一，口徑范圍及壓力等級(jí)范圍窄，使用溫度范圍局限；控制閥選型效率低、計(jì)算粗、選型方案單一、產(chǎn)品可選范圍小。隨著用戶關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化力度的加大，國(guó)產(chǎn)控制閥應(yīng)用領(lǐng)域橫向變寬縱向變深，高端控制閥需求量大幅增加，其應(yīng)用工況特點(diǎn)趨于多變量、高精度，苛刻工況與日俱增；控制閥產(chǎn)品品種豐富，口徑范圍及壓力等級(jí)范圍變大，使用溫度范圍由低溫到高溫，覆蓋范圍廣。在國(guó)產(chǎn)控制閥行業(yè)的領(lǐng)軍制造商企業(yè)引領(lǐng)和推動(dòng)下，高參數(shù)高端控制閥在各領(lǐng)域苛刻工況打破了進(jìn)口控制閥的壟斷局面。

用戶需求的改變和對(duì)控制閥品質(zhì)要求的提升，推動(dòng)控制閥產(chǎn)品向高參數(shù)化、高性能化發(fā)展。控制閥產(chǎn)品選型已不是簡(jiǎn)單的計(jì)算和選擇，重要工況及嚴(yán)苛工況的關(guān)鍵控制閥及高參數(shù)高端控制閥，其選型技術(shù)方案還需要輔以對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)及對(duì)應(yīng)性能參數(shù)呈現(xiàn)；輔以結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，如結(jié)構(gòu)圖呈現(xiàn)、關(guān)鍵零部件材質(zhì)選擇呈現(xiàn)、關(guān)鍵外形尺寸呈現(xiàn)，必要的備品備件呈現(xiàn)，乃至可提供的檢維護(hù)技術(shù)包方案等一整套相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)方案合集。這些高端的用戶需求和選型體驗(yàn)將控制閥選型推到了一個(gè)很高的技術(shù)構(gòu)建層面。高參數(shù)高端控制閥的產(chǎn)品選型不僅僅對(duì)流量、開度、允許壓差等進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，還要通過(guò)豐富的產(chǎn)品知識(shí)、知識(shí)規(guī)則、應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)等必須的知識(shí)系統(tǒng)支撐，再通過(guò)專業(yè)技術(shù)人員對(duì)選型知識(shí)進(jìn)行規(guī)則化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，形成選型規(guī)則知識(shí)模型，最終推薦優(yōu)選出合適的產(chǎn)品技術(shù)方案。由此引出知識(shí)模型的概念和基于知識(shí)模型構(gòu)建下的控制閥選型系統(tǒng)。

2 知識(shí)模型及知識(shí)模型構(gòu)成

知識(shí)模型是將選型計(jì)算過(guò)程通過(guò)軟件系統(tǒng)進(jìn)行管理，將計(jì)算知識(shí)轉(zhuǎn)化為知識(shí)模型，將基于專業(yè)選型人員的選型知識(shí)進(jìn)行規(guī)則化，通過(guò)知識(shí)規(guī)則，構(gòu)建選型知識(shí)模型。

基于知識(shí)模型的思想，結(jié)合需求可確定知識(shí)模型的構(gòu)成，主要由兩大部分組成：一是計(jì)算部分，涉及到計(jì)算的如管道庫(kù)、物性庫(kù)，可壓縮流體和不可壓縮流體流量系數(shù)、噪聲等主要選型參數(shù)的計(jì)算過(guò)程、算法等；二是規(guī)則部分，即基于產(chǎn)品知識(shí)、選型技術(shù)知識(shí)和應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)等的規(guī)則，如不同品類產(chǎn)品表征產(chǎn)品知識(shí)的產(chǎn)品系列、規(guī)格、對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品參數(shù)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)等，與選型知識(shí)嚴(yán)密相關(guān)的控制閥應(yīng)用材料、關(guān)聯(lián)流量特性的控壓件結(jié)構(gòu)型式、與配管的不同連接型式等，不同應(yīng)用領(lǐng)域形成不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用規(guī)范等。知識(shí)模型框圖如圖1所示。

圖1 知識(shí)模型框圖

基于知識(shí)模型的計(jì)算部分，如控制閥關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)計(jì)算、算法數(shù)據(jù)及采用公式、計(jì)算方法等均采標(biāo)自IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，涉及到的管道庫(kù)、物性庫(kù)的相關(guān)管道參數(shù)、物性參數(shù)等源于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)計(jì)手冊(cè)。知識(shí)模型中規(guī)則部分由于包括產(chǎn)品知識(shí)、選型知識(shí)以及應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)等，彼此之間相互聯(lián)系也相互作用，確保選型過(guò)程的質(zhì)量和可信度；基于知識(shí)模型的規(guī)則部分集結(jié)了控制閥產(chǎn)品知識(shí)和選型知識(shí)集，結(jié)合強(qiáng)大的算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)推薦功能，提高了選型效率和質(zhì)量，最終為用戶提供高效優(yōu)質(zhì)的選型技術(shù)服務(wù)，推介合適的產(chǎn)品。

3 控制閥智能選型系統(tǒng)

控制閥產(chǎn)品應(yīng)用在場(chǎng)景中，并在應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能，達(dá)到應(yīng)用場(chǎng)景中用戶的技術(shù)性能指標(biāo)要求?；谥R(shí)模型，綜合控制閥關(guān)鍵選型參數(shù)及其選型原則構(gòu)建的控制閥智能選型系統(tǒng)組成有：B/S架構(gòu)、業(yè)務(wù)子系統(tǒng)、計(jì)算子系統(tǒng)、知識(shí)模型、知識(shí)子系統(tǒng)等。

（1）在B/S架構(gòu)模式下，WEB瀏覽器為客戶端最主要的應(yīng)用軟件，該模式統(tǒng)一客戶端并將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用。

（2）業(yè)務(wù)子系統(tǒng)通過(guò)與外部用戶交互，以獲取準(zhǔn)確的用戶需求，同步形成用戶信息管理群集。

（3）工藝標(biāo)識(shí)、管道參數(shù)、流體參數(shù)和操作數(shù)據(jù)等作為工況參數(shù)輸入，也可根據(jù)用戶需求訂制模板，快速識(shí)別讀取工況參數(shù)，通過(guò)與計(jì)算子系統(tǒng)和知識(shí)子系統(tǒng)之間的交互，形成選型推薦輸出選型結(jié)果。

（4）計(jì)算子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和提供各類國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高精度計(jì)算，支持各種工況、不同閥芯、不同流體狀態(tài)下的高端閥門計(jì)算。選型計(jì)算算法依據(jù)IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)多類用戶并行應(yīng)用。

（5）知識(shí)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)維護(hù)強(qiáng)大的知識(shí)庫(kù)，包括產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)、材料、選型規(guī)則以及常用化工流體物性庫(kù)等千萬(wàn)組知識(shí)記錄，其中，知識(shí)模型是計(jì)算子系統(tǒng)和知識(shí)子系統(tǒng)的知識(shí)核心。

以下從控制閥的工作原理、關(guān)鍵選型參數(shù)流量系數(shù)以及選型原則著手，結(jié)合某燃油系統(tǒng)輸送調(diào)節(jié)閥實(shí)際案例計(jì)算選型予以具體說(shuō)明。

4 控制閥的工作原理

控制閥如同孔板一樣，是個(gè)局部阻力元件。由于節(jié)流面積可以隨著閥芯的移動(dòng)改變，因此它是一個(gè)可變的節(jié)流元件，可將控制閥模擬成孔板節(jié)流形式，如圖2所示。

圖2 控制閥節(jié)流模擬

對(duì)于不可壓縮流體，根據(jù)伯努利方程（其中ξ為調(diào)節(jié)閥的阻尼系數(shù)）：

由連續(xù)性原理可知：通過(guò)控制閥前后的流量一致，因此V1=V2，整個(gè)管道安裝處于同一中心線上，故Z1=Z2。因此，式（1）可改寫為：

5 控制閥關(guān)鍵選型參數(shù)

調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可變的節(jié)流元件，對(duì)于不可壓縮流體，由伯努利方程可知調(diào)節(jié)閥上的壓力損失為：

式中，ξv是控制閥阻力系數(shù)，g是重力加速度，ρ是流體密度，P1、P2分別為控制閥前后壓力，ω是流體平均速度；其中：

式中，Q是流體體積流量，A是控制閥流通截面積，將式（3）式（4）合并，得到控制閥的流量方程式：

從式（5）中可以看出，控制閥兩端壓差不變時(shí)，流量Q隨阻力系數(shù)變化。根據(jù)流量系數(shù)的定義，令P1-P2=1，即ΔP=1，ρ=1，可得：

根據(jù)GB/T 17213.2—2017/IEC 60534-2-1：2011《工業(yè)過(guò)程控制閥 第2-1部分：流通能力 安裝條件下流體流量的計(jì)算公式》中不可壓縮流體的計(jì)算公式，紊流條件下不可壓縮流體的基本流量模型為：

式中，數(shù)字常數(shù)N1取決于一般計(jì)算公式中使用的單位和流量系數(shù)的類型Kv或Cv。控制閥和附接管件的尺寸一致時(shí)，管道幾何形狀系數(shù)Fp可簡(jiǎn)化為1。

6 控制閥構(gòu)成及控制閥選型原則

控制閥接收控制信號(hào)，調(diào)節(jié)控制流體流動(dòng)，以保證壓力、流量、溫度、液位等過(guò)程變量滿足用戶的使用工藝要求。因此控制閥的計(jì)算選型在實(shí)際應(yīng)用中的重要性越來(lái)越凸顯。一臺(tái)完整的控制閥應(yīng)至少由閥門本體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、必須氣控附件等構(gòu)成?？梢阅夸洏涞姆绞綄⑵浣Y(jié)構(gòu)組成部分根據(jù)功能和特征數(shù)據(jù)構(gòu)建成元素族群（圖3）。重要的關(guān)鍵參數(shù)與閥體組件相關(guān)的有：口徑、壓力、連接形式、材質(zhì)、流通能力、流量特性等；與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相關(guān)的有供氣壓力、動(dòng)作形式等；與氣控附件相關(guān)的參數(shù)根據(jù)用戶具體的控制要求來(lái)選定。閥體組件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣控附件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征及相應(yīng)的功能特征數(shù)據(jù)可以通過(guò)控制閥產(chǎn)品知識(shí)集來(lái)呈現(xiàn)，也可以根據(jù)各自特點(diǎn)構(gòu)建各自的知識(shí)模塊。

圖3 控制閥結(jié)構(gòu)元素族群（示例）

選定控制閥時(shí)，工藝或用戶至少提供以下工藝參數(shù)：①被控制流體的種類，如液體、氣體或蒸汽等；②流體的溫度、壓力，如公稱壓力為PN1.6 MPa，介質(zhì)溫度200℃；③流體的黏度、比重和腐蝕性；④進(jìn)出口管道尺寸，閥口徑≤管道直徑；⑤最大流量和最小流量。

控制閥選型原則：①確定控制閥結(jié)構(gòu)形式，如直通、角形等；②材料強(qiáng)度、耐蝕性、耐溫性滿足安全可靠和使用性能；③根據(jù)管道連接形式選擇確定閥連接形式，如法蘭式、螺紋連接式、焊接式等；④根據(jù)工藝過(guò)程控制變量如壓力、流量、液位等，選擇不同流量特性及相應(yīng)控制閥閥芯形式；⑤根據(jù)儀表動(dòng)力源狀況，現(xiàn)場(chǎng)可靠性和防爆性考慮，選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；⑥根據(jù)儀表信號(hào)、控制要求、現(xiàn)場(chǎng)可靠性和防爆防護(hù)要求等對(duì)配用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制閥選配合適的氣控附件。

選型規(guī)則也是選型知識(shí)的一部分，控制閥產(chǎn)品應(yīng)用在場(chǎng)景中，并在應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能、達(dá)到應(yīng)用場(chǎng)景中用戶的技術(shù)性能指標(biāo)要求。依據(jù)控制閥關(guān)鍵參數(shù)和選型原則構(gòu)建控制閥選型計(jì)算功能框圖（圖4），其中知識(shí)系統(tǒng)包含的知識(shí)模型及聯(lián)系見圖1。

圖4 控制閥產(chǎn)品選型計(jì)算功能框圖

7 實(shí)現(xiàn)案例

以某燃油系統(tǒng)輸送調(diào)節(jié)閥為例，提供的工藝參數(shù)：介質(zhì)名稱重油，入口介質(zhì)溫度20℃，入口介質(zhì)比重0.9，入口介質(zhì)動(dòng)力黏度100 000 cp，最大流量10.8 m3/h時(shí)，閥前壓力P1=6 bar（0.6 MPa），閥后壓力P2=2.7 bar（0.27 MPa），最小流量4.3 m3/h時(shí)，閥前壓力P1=16.5 bar（1.65 MPa），閥后壓力P2=8.18 bar（0.818 MPa），閥兩端最大壓差28 bar（2.8 MPa）。配管尺寸51 mm，供氣壓力≤4 bar（0.4 MPa），控制閥與管道連接型式為法蘭連接，故障位置開。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)在應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)中找到石油化工領(lǐng)域燃油應(yīng)用場(chǎng)景，再由此場(chǎng)景對(duì)控制閥選用的具體技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)照，參照工藝參數(shù)及選型原則，結(jié)合選型知識(shí)的篩選計(jì)算可得到控制閥的初選型參數(shù)如下：

（1）已知條件：該控制閥用于燃油系統(tǒng)輸送控制，介質(zhì)為重油。

（2）判定理由：介質(zhì)粘稠度較高，需要流路簡(jiǎn)單、不易卡堵的控制閥。閥門故障位置開，介質(zhì)黏稠，控制閥流向要朝著有利于閥門打開的方向?？刂崎y功能為流量調(diào)節(jié)，故特性優(yōu)選等百分比特性。

（3）判定結(jié)果：閥門類型為偏心旋轉(zhuǎn)閥，流向?yàn)榱鏖_型，流量特性為等百分比特性，公稱壓力為PN40。

選型判定的規(guī)則部分包括產(chǎn)品知識(shí)、選型知識(shí)，也是知識(shí)模型的一部分，如圖1所示，選型知識(shí)也可以產(chǎn)品知識(shí)模型、選型知識(shí)模型的型式呈現(xiàn)。

由式（7）Q=CN1Fp■ΔP/ρ可得Cv=通過(guò)控制閥智能選型系統(tǒng)的同步計(jì)算，得到該控制閥的主要參數(shù)結(jié)果，計(jì)算參數(shù)結(jié)果是基于知識(shí)系統(tǒng)的計(jì)算部分結(jié)合知識(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)品知識(shí)得到的，選型結(jié)果的參數(shù)是從知識(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)品知識(shí)、選型知識(shí)、應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)等推出，主要計(jì)算參數(shù)及選型參數(shù)見表1、表2。

表1 計(jì)算主要參數(shù)結(jié)果輸出

表2 選型典型參數(shù)結(jié)果輸出

在控制閥選型系統(tǒng)中，用戶工藝參數(shù)及工藝要求作為控制閥選型系統(tǒng)計(jì)算子系統(tǒng)的輸入，判定結(jié)果為計(jì)算前的智能推薦的初選型體現(xiàn)，接下來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的精確計(jì)算將確定該控制閥的額定Cv、材質(zhì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組配等參數(shù)?；谥R(shí)模型的計(jì)算部分之選型算法依據(jù)IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)控制閥計(jì)算部分設(shè)計(jì)，并采用圖形化的專業(yè)編輯工具LabView來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖5），系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多類用戶并行應(yīng)用，計(jì)算邏輯透明，用戶容易理解，便于第三方評(píng)審及工程技術(shù)人員應(yīng)用。

圖5 LabView圖形化實(shí)現(xiàn)計(jì)算示意圖

8 結(jié)論

控制閥選型已逐步從粗算粗選基本功能需求上升為全面提供基于精確計(jì)算和合理推薦產(chǎn)品的控制閥選型系統(tǒng)，其中最關(guān)鍵的是知識(shí)模型的構(gòu)建。知識(shí)模型的豐富度取決于其包含的各組成部分的豐富度，知識(shí)模型集越強(qiáng)大，可提供給用戶的技術(shù)選型方案越精準(zhǔn)，對(duì)用戶需求的貼合度越高。將來(lái)也可以考慮集成設(shè)計(jì)院對(duì)控制閥選型的定制需求，與其內(nèi)部專業(yè)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)層集成，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，提供導(dǎo)入導(dǎo)出一站式選型功能。