第3章-执行器分解.ppt

第三章执行器,本章重点内容,3-1气动调节阀结构3-2调节阀的流量系数3-3调节阀结构特性和流量特性3-4气动调节阀的选型,执行器的作用:接受控制器送来的控制信号,通过对操作变量的改变，来调节管道中介质的流量(即改变调节量),从而实现生产过程的自动化。,调节阀的分类：气动,电动和液动三类。,第3章执行器,电动执行器,气动执行器,3.1气动调节阀的结构,气动调节阀由执行机构和阀（也称阀体组件）两部分组成。,执行机构：按控制信号的大小产生相应输出力，带动阀杆移动。,阀：通过改变阀芯与阀座间的节流面积调节流体介质的流量。,u(t)：控制器输出信号；pc：调节阀气动控制信号；l：阀杆相对位置；f：相对流通面积；q：受调节阀影响的管路相对流量。,3.1气动调节阀的结构,气动执行机构,3.1气动调节阀的结构,气动执行机构有薄膜式、活塞式、拨叉式和齿轮齿条式四种。常见的气动执行机构均为薄膜式，它结构简单，价廉，输出行程小。,气动薄膜式执行机构作用型式：,正作用:信号压力增加时，推杆向下移动(ZMA)反作用:信号压力增大时，推杆向上移动(ZMB),执行机构作用：将气压p-阀杆位移L,3.1气动调节阀的结构,阀(或称阀体组件)是一个局部阻力可变的节流元件它由阀体、上阀盖组件、下阀盖组件和阀内件组成。普通阀包括阀芯,阀座和阀杆等,阀的作用：阀杆位移L-调节流量Q,阀,3.1气动调节阀的结构,（1）阀的结构形式,直通单座控制阀。阀体内只有一个阀芯和阀座，如图所示。其特点是结构简单，泄漏量小，易于保证关闭甚至完全切断。但是在压差较大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡推力会影响阀芯的移动。因此直通单座控制阀一般应用在小口径、低压差的场合。,图直通单座控制阀,直通双座控制阀。阀体内有两个阀芯和阀座，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、下两个阀芯和阀座不易保证同时密闭，因此泄漏量较大。直通双座控制阀适用于阀两端压差较大、对泄漏量要求不高的场合，但由于流路复杂而不适用于高黏度和带有固体颗粒的液体。,图直通双座控制阀,3.1气动调节阀的结构,角型控制阀。角型控制阀的两个接管呈直角形，其他结构与单座阀相类似。角型阀的流向一般为底进侧出，此时其稳定性较好；在高压差场合，为了延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向，但容易发生振荡。角型控制阀流路简单，阻力较小，不易堵塞，适用于高压差、高黏度、含有悬浮物和颗粒物质流体的控制。,图角型控制阀,隔膜控制阀。隔膜控制阀采用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯阀座组件，由隔膜位移起控制作用，如图所示。隔膜控制阀结构简单，流路阻力小，流量系数较同口径的其他阀大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏，所以隔膜控制阀无泄漏量。隔膜控制阀耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也适用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。,图隔膜控制阀,3.1气动调节阀的结构,三通控制阀。三通控制阀共有三个出入口与工艺管道相连接。其流通方式有合流型和分流型两种，前者是将两种介质混合成一路，后者是将一种介质分为两路，分别如图（a）、（b）所示。三通控制阀可以用来代替两个直通阀，适用于配比控制与旁路控制。,3.1气动调节阀的结构,蝶阀。蝶阀又名翻板阀，如图所示。蝶阀具有结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小的优点，但泄漏量大，适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。,图蝶阀,3.1气动调节阀的结构,根据流体通过调节阀时对阀芯作用方向分为流开阀和流闭阀流开阀：介质的流动方向有推动阀门打开的趋势，称流开流闭阀：介质的流动方向有推动阀门关闭的趋势，则称流闭.,流开阀稳定性好,有利于调节,一般多采用流开阀。,3.1气动调节阀的结构,（2）阀芯的作用方向,3.1气动调节阀的结构,（3）阀芯的正装和反装形式,正装阀：阀芯下移，阀芯与阀座间的流通截面积减小；反装阀：阀芯下移，阀芯与阀座间的流通截面积增大。,(a)正装阀(b)反装阀图3-5调节阀的正反装形式,*气开阀：信号压力增加，流量增加pcf(“有气则开”)*气关阀：信号压力增加，流量减小pcf(“有气则关”)*无气源(pc=0)时，气开阀全关，气关阀全开。,3.1气动调节阀的结构,（4）阀的气开、气关作用方式,3.1气动调节阀的结构,(a)气关阀(b)气开阀(c)气开阀(d)气关阀图3-6调节阀的气开气关形式,根据执行机构正、反作用形式以及阀芯的正装、反装，实现气动调节阀气开、气关作用方式可有四种不同的组合。,执行机构：正作用-控制器输出增加，阀杆下移反作用控制器输出增加，阀杆上移,阀芯：正装阀-阀杆下移时，流通面积减小反装阀-阀杆下移时，流通面积增大,“气开”与“气关”的选择原则,基本原则：根据安全生产的要求选择控制阀的气开气关。若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀。,实际应用：当气源中断或电源中断时，进入装置的原料、热源应切断：进料阀选气开切断装置向外输出产品：出料阀选气开精馏塔回流应打开：回流阀选气关,3.1气动调节阀的结构,3.2调节阀的流量系数,调节阀是一个局部阻力可变的节流元件对于不可压缩的流体，由能量守恒(伯努利方程)可知，调节阀上的压力损失为：,式中，p1,p2为调节阀前后压力；为流体密度；g为重力加速度；v为调节阀阻力系数；w为流体平均速度,因为,Q流体体积流量，F-调节阀流通截面积,调节阀的流量方程,由上两式可得调节阀流量方程,3.2调节阀的流量系数,流量系数:表示调节阀通流能力的参数。它根据流量、阀两端的差压和流体的密度等确定。是选择阀门口径的参数。,流量系数C:在给定行程下,阀两端压差为0.1Mpa,水密度为1g/cm3时,流经调节阀的水的流量,以m3/h表示(体积流量)。,流量系数的定义,3.2调节阀的流量系数,根据C的定义，在流量方程中令p1-p2=1,=1可得,因此，对于其它的阀前后压降和介质密度，则有,阀全开时的流量系数为调节阀额定流量系数,以C100表示.,流量系数计算公式（不讲）,流量系数的计算是选定调节阀口径的最主要的理论依据表3.2列举了液体，气体和蒸汽等常用流体C值的计算公式,注意事项：两套计算公式(国际单位制SI和工程单位制MKS)单位有所不同计算前要做阻塞流判断计算公式使用于牛顿型不可压缩流体，可压缩流体以及这两种流体的均匀混合体根据要求计算满足要求的C值，以此为依据选择适当的调节阀,流量系数计算,3.2调节阀的流量系数,表3-1调节阀流量系数C100,调节阀尺寸的确定过程为：,3.2调节阀的流量系数,1.阻塞流对流量系数C的影响,阻塞流:当阀前压力p1保持恒定而逐步降低阀后压力p2时,流经调节阀的流量会增加到一个最大极限值,若再继续降低p2，流量也不再增加,此极限流量称为阻塞流,流体体积流量计算公式为：,此时,调节阀的流量与阀前后压降p=p1-p2的关系以不再遵循公式的规律。,阻塞流,此时计算出的流量会大大超过阻塞流Qmax,因此在计算C值时首先要确定调节阀是否处于阻塞流情况,P1恒定时Q与,的关系,3.2调节阀的流量系数,气体的阻塞流条件：压差比x=p/p1xTFkxT-空气在某一调节阀时的临界压差比,决定于调节阀结构(表3.3)Fk-比热比系数,气体与空气的绝热指数之比,Fk=k/kair(kair=1.4),液体(不可压缩流体)的阻塞流,3.2调节阀的流量系数,p1-调节阀进入端压强,pc-介质临界压力pv-入口温度下流体介质饱和蒸汽压FF-液体临界压力比系数FL-压力恢复系数,产生的条件：,对于一个给定的调节阀,FL为一个固定常数,它只与阀结构,流路形式有关,与阀口径大小无关.查表4.3可得到.,流量(液体)系数C的计算:,判断是否产生阻塞流，判别条件按上式如果未发生阻塞流，则p=p1-p2发生了阻塞流，则pFL2(p1-FFpv)按公式计算,(工程单位制(MKS),(国际单位制(SI),运算时单位:QL-m3/hp-KPa-g/cm3,运算时单位:QL-m3/hp-Kgf/cm2-g/cm3,)产生阻塞流的原理,注意：同一组数据，用两种公式计算的结果是相同的,如：p=1kgf/cm2表示为国际单位制为p=10/(0.01)2=100kPa,使用国际单位制计算为：,使用工程单位制计算为：,3.2调节阀的流量系数,2.气体(蒸汽)流量系数的修正,气体,蒸汽等可压缩流体,在调节阀内其体积由于压力降低而膨胀,其密度减小.利用式4-4计算气体的流量系数,会引起较大误差,必须对气体的可压缩效应作必要的修正可以引入一个膨胀系数Y以修正气体密度的变化,此外，在各种压力，温度下实际气体密度与按理想气体状态方程求得的理想气体密度存在偏差。为衡量偏差程度大小，引入压缩系数Z,R-气体常数1-阀入口处气体密度,3.2调节阀的流量系数,3.低雷诺数对流量系数C的修正,雷诺数Re的计算：,对于直通单座阀,套筒阀,球阀等只有一个流路的调节阀,雷诺数为,对于直通双座阀,蝶阀,偏心旋转阀等具有两个平行流路的调节阀,-液体介质的运动粘度，10-6m2/s,在工程计算中，当Re3500时可不做低雷诺数修正,3.2调节阀的流量系数,4.管件形状修正,使用上述流量系数计算公式要求管件形状满足的条件:调节阀的公称直径必须与管道直径相同,而且管道要保证有一定的直管段.如果调节阀实际配管状况不满足这些条件,特别是在调节阀公称通径小于管道直径,阀两端装有渐缩器,渐扩器或三通等过渡管件情况下,由于过渡管件上的压力损失,使加在阀两端的阀压降减小,使阀实际流量系数减小.因此,必须对未考虑附接管件计算得流量系数进行修正.管件形状修正后的流量系数C为：,Fp-管件形状修正系数与调节阀上下游阻力系数；阀入口，出口处伯努利系数有关,3.2调节阀的流量系数,3.3调节阀结构特性和流量特性,调节阀的静态特性：Kv=dq/duu-调节器输出控制信号q-被调介质流过阀门的相对流量,气开式：KV为“+”，气关式KV为“-”,调节阀的动态特性：Gv(s)=Kv/(Tvs+1),调节阀的结构特性,调节阀的结构特性：阀芯与阀座间节流面积与阀门开度间的关系。,3.3调节阀结构特性和流量特性,调节阀结构特性取决于阀芯的形状，阀芯形状有快开，直线，抛物线和等百分比四种,1直线2等百分比3快开4抛物线,阀芯曲面形状,结构特性,3.3调节阀结构特性和流量特性,1.直线结构特性,调节阀的节流面积与阀的开度成直线关系，即,边界条件：L=0时,F=F0,L=L100,F=F100,可调比R=F100/F0：调节阀所能调节的最大流量与最小流量之比。,阀的直线结构特性图,3.3调节阀结构特性和流量特性,特点：斜率在全行程范围内是常数阀芯位移变化量相同时,节流面积变化量也相同,直线特性的调节阀在开度变化相同的情况下：流量小时，流量的变化值相对较大，调节作用较强，易产生超调和引起振荡；流量大时，流量变化值相对较小，调节作用进行缓慢，不够灵敏。,3.3调节阀结构特性和流量特性,3.3调节阀结构特性和流量特性,3.3调节阀结构特性和流量特性,由此可见，对于同样大的阀芯位移，小开度时的相对节流面积的相对变化量大，这时灵敏度过高，控制作用过强，容易产生振荡，对控制不利；大开度时的相对节流面积的相对变化小，这时灵敏度又太小，控制缓慢，削弱了控制作用。因此这种结构特性的缺点是它在小开度时调节灵敏度过高，而在大开度时调节又不够灵敏。当线性结构特性阀工作在小开度或大开度的情况下，控制性能都较差，不宜在负荷变化大的场合使用。,2.等百分比(对数)结构特性,在任意开度下，单位行程变化所引起的节流面积变化都与该节流面积本身成正比关系,在边界条件为:l=0时,f=F0/F100=1/Rl=1时,f=1,阀的等百分比结构特性图,3.3调节阀结构特性和流量特性,曲线的放大系数是随开度的增大而递增的.在同样的开度变化值下：流量小时（小开度时）流量的变化也小（调节阀的放大系数小），调节平稳缓和.流量大时（大开度时）流量的变化也大（调节阀的放大系数大），调节灵敏有效.无论是小开度还是大开度，相对流量的变化率都是相等的，流量变化的百分比是相同的.,等百分比结构特点:,3.3调节阀结构特性和流量特性,3.快开结构特性,阀在开度很小时，就已经将流量放大，随着开度的增加，流量很快就达到最大（饱和）值，以后再增加开度，流量几乎没有变化。这种流量特性适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。,灵敏度最差，很少用作调节阀,阀的快开结构特性图,特性方程为：,3.3调节阀结构特性和流量特性,4.抛物线结构特性,阀的节流面积与开度成抛物线关系特性方程为：,特性与等百分比特性接近,3.3调节阀结构特性和流量特性,调节阀的流量特性：流过阀门的流量与阀门开度之间的关系,q=Q/Q100,为相对流量,3.3调节阀结构特性和流量特性,调节阀的流量特性,1.理想流量特性,理想流量特性：在调节阀前后压差固定(p=常数)情况下得到的流量特性。,（C100-额定流量系数）,通过调节阀的流量为,当调节阀全开时f=1,Q=Q100,则,阀的结构特性就是理想流量特性.,3.3调节阀结构特性和流量特性,2.工作流量特性,工作流量特性：调节阀在实际使用条件下，其流量q与开度l之间的关系。此时阀压降不是常数。,(1)串联管系调节阀的工作流量特性,当总压降p一定时,随着阀开度的增大,管道流量Q增大,阀上压降p将逐渐减小.这样,在相同开度下,工作流量比阀上压降保持不变的理想情况小.,3.3调节阀结构特性和流量特性,3.3调节阀结构特性和流量特性,阀阻比S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比,即,调节阀全开时，f=1,其上压差为：,阀组比可表示为：,3.3调节阀结构特性和流量特性,串联管系中调节阀相对流量为：,这样就得到调节阀上的压降、相对节流面积与阀组比的关系：,线性阀的特性变异,对数阀的特性变异,串联管道的工作流量特性,3.3调节阀结构特性和流量特性,当管道阻力损失为零时S100=1，系统的总压降全部落在调节阀上，则实际工作流量特性与理想特性一致；随着管道阻力损失所占比重增加，S100值将减小，调节阀全开时的流量相应比管道阻力损失为零时减少，因而实际可调比也减小随着S100值减小，流量特性曲线发生畸变，直线特性趋向于快开特性，对数特性趋向于直线特性。实际使用中，为了避免调节阀工作特性的畸变，一般希望S100值不低于0.30.5。,总结：,3.3调节阀结构特性和流量特性,(2)并联管系调节阀的工作流量特性,调节阀和管道并联时,调节阀全开时，管路总流量最大，有,则此时相对流量为,阀全开流量比,3.3调节阀结构特性和流量特性,可以看出：当S100=1时,q=f,旁路关闭,实际工作特性与理想特性一致；旁路阀逐渐开启，旁路流量增加，则S100值减小，可调比下降；实际使用时一般要求S1000.8,使旁路流量只占管道总流量的很小部分,百分之十几,3.3调节阀结构特性和流量特性,调节阀的可调比,调节阀的理想可调比Ro为在阀压降恒定的情况下，它所能控制的最大流量Q100与最小流量Q0的比值。,(1)理想可调比,式中，Q0是指阀压降在恒定的情况下可控制流量的下限值，通常是Q100的24。它不同于阀的泄流量。泄流量则是由于阀不能真正关死造成的，一般为Q100的0.010.1，难以控制。,3.3调节阀结构特性和流量特性,(1)理想可调比,在调节阀压降恒定情况下，有：,式中，C0为阀全关时的流量系数；C100为阀全开时的流量系数。,由C=C100f知，C0=C100fo=C100(F0F100)，代入上式中，有：,从使用的角度来看，理想可调比越大越好。但由于最小节流面积F0受阀芯结构设计和加工的限制，不可能做得太小。,3.3调节阀结构特性和流量特性,串联管系的可调比,(2)实际可调比,在实际使用中，调节阀前后的压降是随管道阻力的变化而变化的。此时，调节阀实际控制的最大和最小流量之比称为实际可调比。,串联管系中管道阻力的存在会使调节阀的可调比变小。在串联管系中(S100l)，调节阀的实际可调比为：,根据流量系数的定义可得:,3.3调节阀结构特性和流量特性,(2)实际可调比,考虑到调节阀全关时其上压降po近似为管道系统中总压降p，因此右图表示了Rs与S100之间的关系。串联管系中调节阀实际可调比降低。当S100值越小，即串联管道的阻力损失越大时，实际可调比越小。,3.3调节阀结构特性和流量特性,并联管系的可调比,图3-20并联管系中调节阀的实际可调比与S100之间的关系,3.3调节阀结构特性和流量特性,实际使用的调节阀既有旁路又有串联设备，因此它的理想流量特性畸变，管道系统可调比下降更严重，调节阀甚至起不了调节作用。表3-4对调节阀在串、并联管系的工作情况作了比较。,表3-4串、并联管系中调节阀工作情况比较,3.3调节阀结构特性和流量特性,在选型中,应考虑以下几点：,(1)选择调节阀的结构形式和材质(2)选择流量特性(3)选择阀门口径,调节阀结构形式的选择,(1)工艺介质的种类，腐蚀性和粘性(管道耐腐蚀)(2)流体介质的温度，压力，比重（能经受介质的温度）(3)流经阀的最大，最小流量正常流量及正常流量时阀上的压降,在选用时要注意：,一般优先选用直通单，双座调节阀。,3.4气动调节阀的选型,直通,角形,三通控制阀：合流；分流,调节阀结构形式的选择,3.4气动调节阀的选型,碟阀,3.4气动调节阀的选型,选用原则：主要从生产的安全出发.当仪表供气系统故障或控制信号中断,调节阀阀芯应处于使生产装置安全的状态.如:进入工艺设备的流体易燃易爆,为防止爆炸,调节阀应选气开式.如果流体易结晶,调节阀应选气关式,以防堵塞,确定方法:假设出现故障,使气压为0,此时阀应该保证系统的安全,调节阀气开与气关形式的选择,3.4气动调节阀的选型,国产调节阀流量特性有直线，等百分比和快开三种主要使用直线和等百分比两种,工程设计上主要采用经验准则，从控制系统特性，负荷变化和S值大小三个方面综合考虑，选择调节阀流量特性。,1.从改善控制系统控制质量考虑,线性控制回路的总增益，在控制系统整个操作范围内应保持不变,调节阀流量特性的选择,3.4气动调节阀的选型,控制系统中：测量变送器的转换系数和调节器的增益是常数被控对象增益随操作条件，负荷大小而变化通过选择适当的调节阀特性，对被控对象非线性特性进行补偿，使控制系统总增益恒定或近似不变,3.4气动调节阀的选型,2.从配管状况(S100)考虑,S100=10.6:调节阀理想流量特性与希望的工作流量特性基本一致S100=0.60.3:理想流量特性为等百分比工作流量特性直线特性S1000.3:不适合使用,3.4气动调节阀的选型,特性,对于被控对象特性不清楚的情况，参考下表原则,pn-正常流量时的阀压降p-管道系统总压降Sn-正常阀阻比,3.4气动调节阀的选型,调节阀口径选定的具体步骤：,1)确定主要计算数据,Qn-正常流量，额定工况下稳定运行时阀的流量pn-正常阀压降，正常流量时阀两端压降Sn-正常阀阻比，Sn=pn/pQmax-运行中可能出现的最大稳定流量的1.151.5倍，或由最大生产能力直接确定,2)求调节阀应具有的最大流量系数Cmax,m为流量系数放大倍数，其值为,调节阀口径的确定,3.4气动调节阀的选型,3)流量