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第六章执行器返回首页 第一节气动薄膜调节阀第二节电动执行器第三节电 气转换器及电 气阀门定位器 执行器接受来自调节器的调节信号 并将该调节信号转换成相应的角位移量或者直线位移量 去操纵调节机构 调节阀 从而改变被控介质的流量 使被调节参数符合工艺要求 执行器根据其使用的能源形式可分为气动 电动 液动和自力式四大类 气动执行器 通常也称为气动调节阀 的执行机构和调节机构是统一的整体 它是以被压缩的空气作为能源来操纵调节机构的 特点是执行器结构简单 动作平稳可靠 动作行程小 输出推力较大 易于维修 安全防爆系数高 而且价格低 广泛地被应用在化工 制药 炼油等工业生产中 气动执行器既可以直接同气动仪表配套使用 也可以和电动仪表或计算机配套使用 只要经过电 气转换器或者电 气阀门定位器将电信号转换为0 02 0 1MPa的标准气压信号 再使用气动执行器进行动作 薄膜气动执行器是化工生产中最常用的执行单元 电动执行器将执行机构和调节机构分成独立的两个部分 采用电信号作为能源 将输入的直流电流信号转换为相应的位移信号 因此电动执行器信号传递迅速 其缺点是结构复杂 安全防爆性能差 故在化工 炼油中很少使用 液动执行器可以产生很大的推力 但是体积较大 不适合于在化工 炼油中使用 下面主要介绍薄膜式气动执行器 第一节气动薄膜调节阀 气动薄膜调节阀的执行机构 弹性薄膜 和调节机构 调节阀 被整合在一起 呈上下结构 上部分为执行机构 也称膜头 是执行器的推动装置 它按调节信号 如压缩空气压力 的大小产生相应的推力 推动调节机构动作 执行机构是将信号压力 通常为0 02 0 1MPa 的大小转换为阀杆位移的装置 下部分为调节机构 也叫做阀体 是执行器的调节部分 它直接与被调介质接触 调节流体的流量 它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置 右图是一种常用的气动执行器的示意图 执行器上部与气压源相接 当气压增大时 会产生一个气压增量作用在橡胶膜片上 橡胶膜片发生形变 并产生一个推力推动阀杆产生位移 从而改变连接在阀杆上的阀芯与阀座之间的流通面积 这样就达到了调节流量的目的 一 气动调节阀的结构 根据不同的生产要求 气动执行器的执行机构和调节机构又可以分为许多不同的形式 1 执行机构 气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式两种 其中薄膜式执行机构最为常用 它可以用做一般调节阀的推动装置 组成气动薄膜式执行器 习惯上称为气动薄膜调节阀 它的结构简单 价格便宜 维修方便 应用广泛 气动活塞式执行机构的推力较大 主要用于大口径 高压降调节阀或蝶阀的推动装置 除薄膜式和活塞式之外 还有长行程的执行机构 它们的行程长 转矩大 适合于输出00 900的转角和力矩 如用于蝶阀和风门的推动装置 气动薄膜式调节阀的执行机构按作用形式来分可分为正作用和反作用两种形式 当来自调节器的信号压力增大时 阀杆向下动作的叫正作用执行机构 当来自调节器的信号压力增大时 阀杆向上动作的叫反作用执行机构 通常正作用的执行机构被应用在调节阀的口径较大的情况下 正作用执行机构的的信号压力是通入波纹膜片上方的薄膜气室 反作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片下方的薄膜气室 国内生产的正作用式执行机构被称为ZMA型 反作用式执行机构被称为ZMB型 薄膜式执行机构的工作原理为 输出位移与输入气压信号成比例关系 当信号压力 通常为0 02 0 1MPa 通入薄膜气室时 在薄膜上产生一个推力 使阀杆移动并压缩弹簧 直至弹簧的反作用力与推力相平衡 推杆稳定在一个新的位置 信号压力越大 阀杆的位移量也越大 阀杆的位移即为执行机构的直线输出的位移 也称行程 行程规格有 10mm 16mm 25mm 40mm 60mm l00mm等 另外还可以按有 无弹簧划分执行机构的类型 可分为有弹簧和无弹簧的执行机构 有弹簧的薄膜式执行机构最为常用 无弹簧的薄膜式执行机构常用于双位式调节 2 调节机构 调节机构实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件 我们通常把它叫做调节阀 调节阀的阀杆上部与橡胶薄膜相连 下部与阀芯相连 当阀芯在阀体内移动的时候 改变了阀芯与阀座之间的流通面积 即改变了阀的阻力系数 被控介质的流量也相应地跟着改变 从而达到调节工艺参数的目的 3 气动调节阀的调节方式 执行机构和调节机构按照不同的组合方式可以实现气开式和气关式两种调节 由于执行机构有正 反两种作用方式 调节机构也有正 反两种作用方式 推杆下移时阀门关小为正 也叫阀芯正装 推杆下移时阀门开大为负 也叫阀芯反装 因此可以有四种组合方式组成气开或气关型式的调节型式 气开式是输入气压越高时开度越大 而在气源断开时则全关 故称FC型 气关式是输入气压越高时开度越小 而在气源断开时则全开 故称FO型 正作用执行机构 a b 反作用执行机构 c d 阀芯正装 a c 阀芯反装 b d 气开式 正作用方向 b c 气关式 反作用方向 a d 二 气动薄膜调节阀的类型 根据不同的使用场合和使用要求 我们需要选择不同的调节阀的结构型式 主要的气动薄膜调节阀的类型有以下几种 l 直通单座调节阀 直通单座阀的阀体内只有一个阀芯与阀座 如右图所示 流体从左侧流入 从右侧流出 其特点是结构简单 泄露量小 易于保证关闭 甚至完全切断 缺点是在压差比较大的时候 流体对阀芯上下作用的推力不平衡 这种不平衡力会影响阀芯的移动 因此这种阀一般应用在小口径 低压差的场合 但目前已有大口径的单座阀 2 直通双座调节阀 阀体内有两个阀芯和阀座 如右图所示 流体从左侧流入 经过上下阀芯后流体再汇合到一起 再从调节阀的右侧流出 直通双座调节阀是最常用的一种类型 其特点是由于流体流过的时候 作用在上 下两个阀芯上的推力方向相反而大小近于相等 可以相互抵消 所以不平衡力小 但是 由于加工的限制 上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭 因此泄露量较大 3 其他类型的调节阀 角形调节阀角形阀的两个接管呈直角形 流体从底部进入 然后流经阀芯后从阀侧流出 如右图所示 这种阀的流路简单 阻力较小 适用于安装现场管道要求用直角连接 介质为高粘度 高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合 隔膜调节阀它采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜 如右图所示 隔膜阀的特点是结构简单 流阻小 流通能力比同口径的其他种类的阀要大 由于介质用隔膜与外界隔离 故无填料 介质也不会泄露 这种阀耐腐蚀性强 适用于强酸 强碱 强腐蚀性介质的调节 也能用于高粘度及悬浮颗粒状的介质的调节 三通调节阀三通阀有三个流体出入口 其流通方式有两种 a 合流 两种介质混合成一路 型 b 分流 一种介质分成两路 型 分别如下图 a b 所示 可用一个三通阀来实现两个直通阀的功能 适用于配比调节与旁路调节 在实际应用中 三通阀常用于换热器旁路调节 蝶阀也称翻板阀 如右图所示 蝶阀的特点是结构简单 重量轻 价格便宜 流阻极小 但泄露量大 适用于口径较大 大流量 低压差的场合 也可以用于含少量悬浮颗粒介质的调节 球阀球阀是阀芯与阀体都呈球形的调节阀 转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时 就具有不同的流通面积 以达到流量调节的目的 如下图所示 球阀阀芯有 V 型和 O 型两种开口型式 分别如图 a b 所示 凸轮挠曲阀通常也叫偏心旋转阀 它的扇形球面状阀芯与挠曲臂及轴套一起铸成 固定在转动轴上 如下图所示 凸轮挠曲阀的侥曲臂在压力作用下能产生挠曲变形 使阀芯球面与阀座密封圈紧密接触 密封性好 同时 它的重量轻 体积小 安装方便 适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量调节 笼式阀又名套筒型调节阀 它的阀体与一般的直通单座阀相似 如下图所示 笼式阀内有一个圆柱形套筒 笼子 套筒壁上有一个或几个不同形状的孔 窗口 利用套筒导向 阀芯在套筒内上下移动 由于这种移动改变了笼子的节流孔面积 就形成了各种特性并实现流量调节 笼式阀的可调比大 振动小 不平衡力小 结构简单 套筒互换性好 更换不同的套筒 窗口形状不同 即可得到不同的流量特性 阀内部件所受的气蚀小 噪音小 是一种性能优良的阀 特别适用于要求低噪音及压差较大的场合 但不适于高温 高粘度及含有固体颗粒的流体 除以上所介绍的阀以外 还有一些特殊的调节阀 例如小流量阀适用于小流量的精密调节 超高压阀适用于高静压 高压差的场合 三 调节阀的静态特性 理想流量特性 工作流量特性 调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度 相对位移 间的关系 6 l 式中相对流量Q Qmax是调节阀某一开度时流量Q与全开时Qmax之比 相对开度l lmax 或l L 是调节阀某一开度行程l与全开行程lmax 或L 之比 1 调节阀的理想流量特性 在不考虑调节阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性 它取决于阀芯的形状 如右图 主要有直线 等百分比 对数 抛物线及快开等几种 1 直线型 阀芯的流量特性为线性 是指调节阀的相对流量与相对开度呈线性关系 即单位位移变化所引起的流量变化是常数 可表示为 6 2 式中K为常数 即调节阀的放大系数 将式 6 2 积分可得 6 3 上式中C为积分常数 边界条件为 l 0时 Q Qmin Qmin为调节阀能调节的最小流量 l lmax时 Q Qmax 边界条件代入式 6 3 可分别得 6 4 式中R为调节阀所能调节的最大流量Qmax与最小流量Qmin的比值 称为调节阀的可调范围或可调比 注意 Qmin并不等于调节阀全关时的泄露量 一般它是Qmax的2 4 国产调节阀理想可调范围R为30 这是对于直通单座 直通双座和角形阀而言的 隔膜阀的可调范围为10 将式 6 4 代入式 6 3 可得 6 5 式 6 5 表明Q Qmax与l L之间呈线性关系 在直角坐标上是一条直线 如右图中直线2所示 这种流量特性的阀芯在作单位行程变化时 引起的流量变化相同 例如 阀位分别处于10 50 80 的位置时 使行程再变化10 所引起的流量变化均为10 但是 相对变化量则分别为100 20 12 5 可见 在小流量 小开度 时相对变化大 大流量 大开度 时 相对变化小 即小开度时控制作用强 大开度时控制作用弱 因此 直线型阀门不适合负荷变化大的对象的控制 2 等百分比型 对数流量特性 调节阀的放大系数随相对流量的增加而增大 用数学式表示为 6 6 将式 6 6 积分得将前述边界条件代入 可得最后得 相对开度与相对流量成对数关系 曲线斜率 图6 13中曲线4所示 即放大系数随行程的增大而增大 在同样的行程变化值下 流量小时 流量变化小 调节平稳缓和 流量大时 流量变化大 调节灵敏有效 3 抛物线型 Q Qmax与l L之间成抛物线关系 在直角坐标上为一条抛物线 它介于直线及对数曲线之间 数学表达式为 4 快开型 这种流量特性在开度较小时就有较大流量 随开度增大 流量很快就达到最大 故称为快开特性 快开特性的阀芯形式是平板形的 适用于迅速启闭的切断阀或双位调节系统 2 调节阀的工作流量特性 在实际生产中 调节阀前后压差总是变化的 这时的流量特性称为工作流量特性 1 串联管道的工作流量特性 以下图所示串联系统为例来讨论 系统总压差 P等于管路系统 除调节阀外的全部设备和管道的各局部阻力之和 的压差 P2与调节阀的压差 P1之和 图6 15 以S表示调节阀全开时阀上压差与系统总压差 即系统中最大流量时动力损失总和 之比 以Qmax表示管道阻力等于零时调节阀的全开流量 此时阀上压差为系统总压差 于是可得串联管道以Qmax作参比值的工作流量特性 如图6 16所示 图中S 1时 管道阻力损失为零 系统总压差全降在阀上 工作特性与理想特性一致 随着S值的减小 直线特性渐渐趋近于快开特性 等百分比特性渐渐接近于直线特性 所以 在实际使用中 一般希望S值不低于0 3 0 5 在现场使用中 如调节阀选得过大或生产在低负荷状态 调节阀将工作在小开度 有时 为了使调节阀有一定的开度而把工艺阀门关小些以增加管道阻力 使流过调节阀的流量降低 这样 S值下降 使流量特性畸变 调节质量恶化 2 并联管道的工作流量特性 调节阀一般都装有旁路 以便手动操作和维护 当生产量提高或调节阀选小了时 只好将旁路阀打开一些 此时调节阀的理想流量特性就改变成为工作特性 图6 17表示并联管道时的情况 显然这时管路的总流量Q是调节阀流量Q1与旁路流量Q2之和 即Q Q1 Q2 若以X代表并联管道时调节阀全开时的流量Q1max与总管最大流量Qmax之比 可以得到在压差 P为一定 而X为不同数值时的工作流量特性 如下图所示 图中纵坐标流量以总管最大流量Qmax为参比值 由图可见 当x 1 即旁路阀逐渐打开 虽然阀本身的流量特性变化不大 但可调范围大大降低了 调节阀关闭 即l L 0时 流量Qmin比调节阀本身的Q1min大得多 同时 在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响 调节阀上的压差还会随流量增加而降低 使可调范围下降得更多些 调节阀在工作过程中所能调节的流量变化范围更小 甚至几乎不起调节作用 所以 采用打开旁路阀的调节方案是不好的 一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几 即x值最小不低于0 8 综合上述串 并联管道的情况 可得如下结论 串 并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变 串联管道的影响尤为严重 串 并联管道都会使调节阀的可调范围降低 并联管道尤为严重 串联管道使系统总流量减少 并联管道使系统总流量增加 串 并联管道会使调节阀的放大系数减小 即输入信号变化引起的流量变化值减少 串联管道调节阀处于大开度时 s值降低对放大系数的影响更为严重 并联管道调节阀处于小开度时 x值降低对放大系数的影响更为严重 四 调节阀的动态特性和变差 1 调节阀的动态特性调节阀的动态特性表示在动态过程中信号压力与阀杆位移的关系 调节阀的橡胶膜头是一个空间 它可以被看作一个气容 从调节器到调节阀膜头间的引压管线有气容和气阻 所以管线和膜头是一个由气阻和气容组成的一阶滞后环节 其时间常数的大小取决于气阻和气容 当信号管线太长或太粗 膜头气室太大时 气阻气容就大 调节阀的时间常数也就大 这样在调节阀接受调节器的控制信号的时候 由膜头充气到阀杆走完全行程的过程很长 增加了系统广义过程的容量滞后 对控制不利 减小时间常数的措施 1 尽量缩短引压管线的长度 例如在采用电动调节器时 电气转换器应装在调节阀附近 2 选用合适的气动管线 如 8 管径过细 使气阻增大 效果不好 管径过粗 气阻虽然减小 但气容增大 完成气压变化所需要的时间就长 也不适宜 3 加装传输滞后补偿器 如引压管线很长 或橡胶膜头很大 可在阀门附近装设继动器 或采用阀门定位器 自调节器至继动器 只有管线 没有膜头 气容小 时间常数小 自继动器至阀门 管线短 气阻小 时间常数也小 总的时间常数要比两者直接连接时小得多 2 调节阀的变差 调节阀的阀杆是一个可移动的部件 它与填料之间总有一定的摩擦 当阀门的填料函压得过紧 或长时间未润滑时 干摩擦力很大 膜头上较小的气压变化推不动阀杆 这时会产生正反行程的变差 即在阀杆上升和下降时对应于同样阀杆位置的气压不一样 调节阀变差增大 对调节过程会产生不良影响 既使是时间常数和时滞都很小的流量过程 调节过程也会出现明显的时间间隔变化 对于时间常数和时滞大的 如温度控制过程 控制作用则更不及时 会引起持续振荡 五 调节阀的选择 选用调节阀时 一般要根据被调介质的特点 温度 压力 腐蚀性 粘度等 调节要求 安装地点等因素 参考各种类型调节阀的特点合理地选用 在具体选用时 一般考虑下列几个主要方面的问题 1 调节阀的结构选择 调节阀的结构选择需要考虑到两点 1 调节介质的工艺条件 如温度 压力及介质的物理 化学特性 如腐蚀性 粘度等 来选择 例如强腐蚀介质可采用隔膜阀 高温介质可选用带翅形散热片的结构形式 2 调节阀的结构形式确定以后 还需要确定调节阀的流量特性 即阀芯的形状 一般是先按调节系统的特点来选择阀的希望的流量特性 然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性 使调节阀安装在具体的管道系统中时 畸变后的工作流量特性能满足调节系统对它的要求 目前使用比较多的是等百分比流量特性 2 调节阀气开 气关形式的选择 气开 气关的选择主要从工艺生产的安全要求出发 考虑原则是 信号压力中断时 应保证设备和操作人员的安全 如果阀处于打开位置时危害小 则应选用气关式 以使气源系统发生故障 即气源中断时 阀门能自动打开 保证安全 反之 阀处于关闭时危害小 则应选用气开阀 例如 加热炉燃料气或燃料油应采用气开式调节阀 即当信号中断时应切断进炉燃料 以免炉温过高造成事故 又如调节进入设备易燃气体的调节阀 也应选用气开式 以防爆炸 若介质为易结晶物料 则选用气关式 以防堵塞 3 调节阀流量特性和口径的选择 调节阀口径选择得合适与否将会直接影响到调节效果 口径选择得过小 会使流经调节阀的介质达不到所需要的最大流量 在大的干扰情况下 系统会因介质流量 即操纵变量的数值 的不足而失控 因而使调节效果变差 此时若企图通过开大分路阀来弥补介质流量的不足 则会使阀的流量特性产生畸变 口径选择得过大 不仅会浪费设备投资 而且会使调节阀经常处于小开度工作 调节性能也会变差 容易使调节系统变得不稳定 调节阀的口径选择是由调节阀流量系数C决定的 流量系数C的定义为 在给定的行程下 当阀两端压差为100kPa 流体密度为lg cm3时 流经调节阀的流体流量 以m3 h表示 例如 某一调节阀在给定的行程下 当阀两端压差为100kPa时 如果流经阀的水流量为40m3 h 则该调节阀的流量系数C值为40 调节阀的C值表示调节阀容量的大小 是表示调节阀流通能力的参数 因此 调节阀流量系数C亦可称为调节阀的流通能力 对于不可压缩的流体 且阀前后压差P1 P2不太大 即流体为非阻塞流 时 其流量系数C的计算公式为 6 8 式中 流体密度 P1 P2 阀前后的差压 kPa Q 流经阀的流量 m3 h 从上式可以看出 如果调节阀前后压差P1 P2保持为100kPa 流经阀的水 lg cm3 流量Q即为该阀的C值 调节阀全开时的流量系数C100 即行程为100 时的C值 称为调节阀的最大流量系数Cmax Cmax与调节阀的口径大小有着直接的关系 因此 调节阀口径的选择实质上就是根据特定的工艺条件 即给定的介质流量 阀前后的压差以及介质的物性参数等 进行Cmax值的计算 然后按调节阀生产厂家的产品目录 选出相应的调节阀口径 使得通过调节阀的流量满足