用CONVAL计算软件辅助自控工程设计

王翊

(北京石油化工工程有限公司，北京 100107)

在石油化工工程设计中，仪表设计包含控制方案、仪表选型、安装方案等各个方面，其中仪表选型合理与否，对项目的成功实施至关重要。仪表选型设计与计算有着十分紧密的联系，如果没有科学、严谨的计算，后续的装置开车运行无疑是存在风险的。

选型计算的内容很多且比较复杂，包括： 节流装置、流量仪表、控制阀、套管振动、差压变送器迁移等很多方面。这些计算工作必须要有专业设计软件才能做到准确、可靠，目前设计院将部分计算工作委托给仪表厂商进行，但若设计院不进行有效的把控，没有第三方软件的核算，那么仪表选型将有可能因为缺乏有效的核算而造成选型失误。这不仅导致投资增加，甚至可能因仪表选型错误而造成工程损失。

本文通过一些工程实例，介绍在仪表设计过程中，涉及仪表计算的相关工作。同时详述了如何通过CONVAL仪表计算软件在工程中指导仪表设计工作，并解决了工程中的一些实际问题。

1 CONVAL软件简介

CONVAL软件是一款第三方的专业计算软件，该软件由德国F.I.R.S.T GmbH公司研发，起初作为一款应用于控制阀计算、选型、可靠性诊断的专业工具，通过多年的发展，该软件功能日益强大，现在已经发展为集仪表、控制阀设计及系统计算于一体的专业设计计算软件。

该软件主要功能有： 控制阀计算包括常规工况、两相流、执行器推力等；流量计计算包括节流元件、均速管流量计、楔式、四孔孔板、整体孔板等，以及减温减压器、管道、换热器、爆破片、安全阀、温度计套管振动、液位计迁移量、介质性质模拟计算等。

2 在工程实施各个阶段的仪表计算工作及CONVAL软件的应用

石油化工工程通常因为投资较大，其执行过程也会比较复杂。工程项目实施通常包括： 工艺包、预可研、可研、基础设计、详细设计、工程施工、安装调试、工程开车等阶段，很多阶段都对仪表计算有需求。以下根据工程项目实施阶段，介绍在各阶段对仪表计算的需求以及应用CONVAL软件解决实际工程问题，同时也说明仪表计算的重要性。

2.1 工艺包设计阶段

1)仪表计算的需求。在工艺包设计阶段，根据工艺对象的特点、调节品质及经济性进行综合考虑，有助于工艺包设计的合理性。

在该阶段进行流程模拟时，一些关键参数的调整通常需要设计控制阀。这时，某些关键工艺管线的阀门压降对选用设备的投资及能量的回收利用十分关键。该阶段引入了阀阻比S(也叫压降比)的概念，它是特定开度下的控制阀压降与管线系统总阻力降之比。S100是指控制阀全开时的阀阻比，而控制阀调节性能的好坏直接和S100相关。S100越大，控制阀的流量特性的畸变就越小，调节性能就越能得到保证[1-2]。在相关的控制阀选型手册中通常定义S100大于0.6时，选择的控制阀固有流量特性与工作流量特性相同，而当S100小于0.3时，畸变已经相当严重，必要时控制阀选型要选低压降比结构[3]。所以在工艺包设计阶段，对于一些关键控制阀有必要进行S100的核算，通过核算确认管线控制阀的压降，既保证了调节品质，也通过计算可节约装置动力消耗，带来经济利益。

2)案例。某台控制阀，通过对操作点以及管线阻力元件综合评判生成工作流量特性曲线，如图1所示。

图1 控制阀工作流量特性曲线

由图1可知，该台控制阀在小开度时，调节性能良好，但当开度增加到一定程度时，如图1中的最大流量工作点Op1，由于流量特性畸变严重，此时流量的调节增益很小，控制回路的调节品质非常低。该情况有两种解决方案，一种是增加系统的压降，另一种是采用两种流通能力的控制阀，以增大可调范围。第一种方案一般不易实现，该方案通常也会造成装置总投资的增加；第二种方案较易实现，但增加控制阀的数量。

该控制阀核算在工艺包阶段以及之后的工程设计阶段均可进行，通过核算可有效地辅助工艺模拟，以做到数据的准确、可靠。

2.2 工程设计阶段

在工程设计阶段，仪表设计计算主要包括： 流量计计算、控制阀计算、温度计振动计算等。这些工作虽繁琐但是很重要，设计院在该阶段尤其要准确把握，保证项目顺利实施。

2.2.1 案例一

控制阀品种繁多，结构复杂，在装置中重要性很高。通常工程设计阶段，控制阀设计通常是仪表设计的难点和重点。在CONVAL软件中，使用控制阀诊断数据结构模型参数Ri来衡量控制阀选型是否合理。Ri参数是F.I.R.S.T GmbH公司分析多年积累的大量的应用数据后开发的阀门性能分析的KPI参数。根据CONVAL软件中的定义,Ri值范围在0.5～1.0为低可靠性；如果Ri值大于1，预测控制阀会受到高噪音、闪蒸、空化、高流速等现象的影响，产生高振动或加速内件磨蚀、腐蚀、脱离、共振从而导致控制阀损坏。笔者通过多个项目的实践，成功运用Ri值及CONVAL软件对控制阀的选型建议，对一些苛刻工况下的控制阀进行了选型，在项目中均取得了满意的效果。

例如： 某项目中苛刻工况下的轻烃控制阀计算见表1所列，该控制阀存在闪蒸工况。通过CONVAL软件计算，初选硬化处理阀芯的控制阀，可得Ri值为0.86，接近1，CONVAL软件给出了控制阀选型建议，所以项目中选择了特殊的阀型以确保装置的长周期运行。该项目的大部分控制阀都通过CONVAL软件进行了核算，对于Ri值超标的控制阀跟厂商均进行了充分沟通，选取了合适的控制阀，为项目一次开车成功打下了坚实的基础。

表1 苛刻工况下的轻烃控制阀计算示意

续表1

2.2.2案例二

在工程设计阶段，流量计的选型非常重要，也比较复杂，需要注意流量计的适用范围、压力损失是否满足工艺要求等方面。

某项目中的乙烯流量计量程为3 t/h；操作表压为1.78 MPa；温度为-35.5 ℃，要求设计压损小于5.0 kPa。工艺包设计流量计为孔板流量计。经过计算，孔板流量计在差压为10 kPa时，压损为7.9 kPa。通过软件核算，修改为文丘里流量计，压损为3.9 kPa。该项目中，有不少流量计根据计算结果修改了流量计类型，不仅满足了工艺要求，还兼顾了仪表测量精度。

此外，在工程设计阶段，有时还需要配合工艺专业，根据控制阀选型反算控制阀开度最大时工艺泄放量，以实现工艺的安全设计要求。比如： 控制阀失气全开，这时工艺要据此计算装置排放量，如果没有计算软件，该部分排放量的估计就没有依据。

又例如： 某装置缓冲罐压力控制阀的最大操作流量为1 t/h；选择CV=19的控制阀。在紧急泄放的情况下，通过反算，在开度100%的情况下，其流通能力为1.9 t/h，远大于正常最大流量，通过该计算就可以在一定程度上辅助工艺设计，以保证在异常工况下的装置安全性。

2.3 现场调试阶段

在现场调试阶段，仪表调试人员需要根据现场实际安装情况，计算变送器迁移值，以满足开车要求。比如： 现场液位差压变送器位置往往和设计不一致，有时在下取压口下方，有时在上下取压口中间，这时需要根据隔离液和介质的密度进行换算。在CONVAL软件中有现成的计算模块，应用该模块，可方便地根据现场实际情况调整差压变送器的迁移量。

2.4 试车阶段示意

有时，某些装置在投料前需要核对相关仪表或者动、静设备是否满足系统要求，这时一般是采用一些惰性介质进行测试。由于测试的介质及工况与实际开车时不同，往往此时仪表示值与开车时的真实示值差别很大。在这种情况下，调试组可以根据联调时采用的介质，用CONVAL软件对仪表测量值进行核对，从而有效地配合试车调试，为开车投料成功保驾护航。

例如： 某装置在操作工况时介质为烃类蒸气，但试车时采用氮气。试车阶段，因温度、压力等参数均与实际工况差别很大，在验证换热器热效率时，流量与实际流量差别很大。这时，应用CONVAL软件，根据介质变化，按照试车工况，对孔径比固定的已有孔板流量计进行反算差压变送器量程，然后按照实际量程求出了实际流量，对于控制阀也按照试车工况进行了核算，求出了不同开度下实际流量。最终验证该换热器选型合适，满足了开车要求，为该装置一次成功开车奠定了坚实的基础。

2.5 运行阶段

随着装置的运行，某些介质的操作参数会发生变化，这时部分仪表可能因此而产生误差，某些控制阀的可调范围也可能因此受影响。因此，及时通过类似于CONVAL该类第三方计算软件进行核算，能准确定位问题来源，保证装置平稳高效地运行。

3 CONVAL软件与工程设计软件的结合

通过上述案例，可看出CONVAL软件在很多方面对于仪表设计计算提供了有力的技术支持。但该软件不仅是一套模拟计算软件，还包含了许多厂商的仪表数据，且随着软件数据库的进一步完善，会将更多的仪表厂商数据进入到数据库中。有了这些仪表数据，仪表设计人员在各个设计阶段都能对自己的设计数据进行有效地核对，把控设计风险，为工程项目成功实施提供有力的保障。

CONVAL软件还开放了COM接口，可通过该接口将各个设计软件中阀门、流量计、温度计等的计算参数输入到CONVAL软件中，生成可供查询或者核算的计算数据表。选型完成后，还可通过COM接口将计算数据导入到设计软件中，作为标准设计软件的计算备份，这样大幅提高了仪表选型的准确性，同时也为工程设计优化和效率的提高提供了有力的保证。

此外，根据需要，CONVAL软件也可以通过外部文件将厂商数据导入到计算数据库中，这样用户就可以根据需要，选择相应厂商的数据进行计算，从而使得设计人员根据项目需要有效地把控设计风险，保证工程的成功实施。

4 结束语

当今工程项目自动化程度越来越高，仪表设计也越来越复杂，一个优秀的计算工具可使仪表设计师有效地把控仪表设计选型的风险，对当今越来越大型化，系统越来越复杂的工艺装置成功实施具有现实意义。