化工仪表及自动化-执行器

第六章,执行器,青岛啤酒西安汉斯使用的电动调节阀,电动调节阀应用于化工行业,主要内容,概述气动执行器电动执行器电-气转换器及电-气阀门定位器数字阀与智能控制阀,概述,执行器在自控系统中的作用,执行器是指：阀门调节阀(连续的)、开关阀(过程控制范畴)电机连续的、开关的(属于流体机械的范畴，起执行器的作用),执行器在自控系统中的作用：接收控制器输出的控制信号，使控制阀的开度产生相应变化，从而达到调节操作变量流量的目的。,回顾,执行器分类,气动执行器电动执行器液动执行器,推力最大，但较笨重，现很少使用（化工领域）,用压缩空气为能源，结构简单、动作可靠、平稳、输出推动力大、维修方便、防火防爆、价格较低、广泛应用于化工、炼油生产。标准气压信号：0.02-0.1MPa,作用是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。信号传递迅速，安全防爆性能较差，在行程受阻或阀杆被轧住时电机易受损。,第一节气动执行器,组成：执行机构和控制机构执行机构：执行机构是指根据控制器控制信号产生推力或位移的装置。控制机构：控制（调节）机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置，通常指控制阀。现场有时就将执行器称为控制阀。辅助装置：（1）阀门定位器：利用反馈原理来改善执行器的性能，实现准确的定位；（2）手轮机构：控制器无输出或执行机构失灵时，直接操纵控制阀。,气动执行器的结构与分类,气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体。气动执行机构主要分为薄膜式和活塞式。,活塞式,薄膜式,这种执行机构的输出位移与输入气压信号成比例关系。当压力与弹簧的反作用力平衡时,推杆稳定在某一位置,信号压力越大,推杆的位移量也越大。(推杆的位移即为执行机构的直线输出位移,也称行程。),薄膜式,正作用形式:信号压力增大,推杆向下。反作用形式:信号压力增大,推杆向上。,按连杆最大位移行程确定规格：10，16，25，40，60，100mm,传统型,国产正作用式执行机构称为ZMA型，反作用式执行机构称为ZMB型。较大口径的控制阀都是采用正作用的执行机构。信号压力通过波纹膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式）进入气室。,侧装式气动执行机构（增力式执行机构）,特点：薄膜式膜头装在支架的侧面,(2)活塞式活塞式执行机构属于强力气动执行机构。其气缸允许操作压力高达0.5MPa，且无弹簧抵消推力，因此输出推力很大，特别适用于高静压、高压差、大口径场合。它的输出特性有两位式和比例式。两位式是根据活塞两侧的操作压力的大小而动作，活塞由高压侧推向低压侧，使推杆从一个极端位置移动到另一个极端位置，其行程达25100mm，适用于双位控制系统；比例式是指推杆的行程与输入压力信号成比例关系，必须带有阀门定位器，它适用于控制质量要求较高的系统。,调节机构是执行器的调节部分，在执行机构的输出力和输出位移作用下，调节机构阀芯的运动，改变了阀芯与阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应变化。,2、控制机构,控制机构即控制阀，实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件,（1）直通单座控制阀（2）直通双座控制阀（3）角形控制阀（4）三通控制阀（5）隔膜控制阀（6）蝶阀（7）球阀（8）凸轮挠曲阀（9）笼阀,控制阀种类（结构不同）,直通单座调节阀：阀体内只有一个阀芯和一个阀座。结构简单、泄漏量小（甚至可以完全切断）允许压差小（双导向结构的允许压差较单导向结构大）。,直通单座调节阀,它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特别注意其允许压差，防止阀门关不死。,直通双座调节阀：阀体内有两个阀芯和阀座。因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，因此双座阀具有允许压差大上、下两阀芯不易同时关闭，因此泄漏量较大的特点。,直通双座调节阀,它适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。,正作用：阀芯向下，阀杆向下，流通面积减少。反作用：阀芯向上，阀杆向下，流通面积增大。,正反作用,角形调节阀：阀体为直角形流路简单、阻力小，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒状物质的调节。角形阀一般使用于底进侧出，此时调节阀稳定性好，在高压差场合下，为了延长阀芯使用寿命，也可采用侧进底出。但侧进底出在小开度时易发生振荡。角形阀还适用于工艺管道直角形配管的场合。,角形调节阀,三通调节阀：阀体有三个接管口，适用于三个方向流体的管路控制系统，大多用于热交换器的温度调节、配比调节和旁路调节。在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于是150，否则会使三通阀产生较大应力而引起变形，造成连接处泄漏或损坏。三通阀有三通合流阀和三通分流阀两种类型。三通合流阀为介质由两个输入口流进混合后由一出口流出；三通分流阀为介质由一入口流进，分为两个出口流出。,三通调节阀,隔膜控制阀：耐腐蚀性强。结构简单，流路阻力小，流量系数大，无泄漏量。,隔膜控制阀,蝶阀：蝶阀是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。结构紧凑、体积小、成本低，流通能力大特别适用于低压差、大口径、大流量的气体形或带有悬浮物流体的场合泄漏较大蝶阀通常工作转角应小于70，此时流量特性与等百分比特性相似多用于开关阀,蝶阀,“O”形球阀：阀芯为一球体阀芯上开有一个直径和管道直径相等的通孔，转轴带动球体旋转，起调节和切断作用。该阀结构简单，维修方便，密封可靠，流通能力大流量特性为快开特性，一般用于位式控制。,O”形球阀,“V”形球阀：阀芯也为一球体但球体上开孔为V形口，随着球体的旋转，流通截面积不断发生变化，但流通截面的形状始终保持为三角形。该阀结构简单，维修方便，关闭性能好，流通能力大，可调比大流量特性近似为等百分比特性，适用于纤维、纸浆及含颗粒的介质。,“V”形球阀,偏心旋转阀：转轴带动阀芯偏心旋转体积小，重量轻，使用可靠，维修方便，通用性强，流体阻力小等优点，适用于粘度较大的场合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的使用性能。,偏心旋转阀（凸轮挠曲阀）,套筒阀：套筒阀的结构比较特殊，阀体与一般的直通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯可在套筒中上下移动。套筒上开有一定形状的窗口（节流孔），套筒移动时，就改变了节流孔的面积，从而实现流量调节。套筒阀分为单密封和双密封两种结构，前者类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合；后者类似于直通双座阀，适用于双座阀的场合。套筒阀具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得到广泛应用，但其价格比较贵。,套筒阀,阀小结,二、控制阀的流量特性,定义：流量特性是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆的相对行程（阀门的相对开度）之间的关系。,数学表达式,类型：理想特性、工作特性,改变控制阀与阀座间的流通截面积，可控制流量。调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。流量特性分为理想流量特性和实际流量特性,表示控制阀某一开度的流量与全开时流量之比，称为相对流量。表示控制阀某一开度下阀杆行程与全开时阀杆全行程之比，称为相对开度。,调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。,1-快开特性,2-直线特性,3-抛物线特性,4-等百分比（对数）特性,控制阀的理想流量特性(P一定),调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数,(1)直线流量特性,可调比R反映调节阀的调节能力的大小,定义:调节阀所能调节的最大流量和最小流量之比Qmin不是控制阀全关时的泄漏量，是Qmax的2%-4%.,国产控制阀：R=30。,在10%时，流量的相对值为：在50%时，流量的相对值为：在80%时，流量的相对值为：,放大系数K是一个常数，不管阀杆原来在什么位置，只要阀杆有相同的变化，流量的数值也做相同的变化。因此在开度较小时流量相对变化值大，灵敏度过高，控制作用过强，容易产生振荡，对控制不利；在开度较大时流量相对变化值小，灵敏度又太小，控制缓慢，削弱了控制作用。不适宜用于负荷变化大的场合。,单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系,(2)等百分比流量特性（对数流量特性）,对数阀的放大系数K随着相对开度增加而增加。在小开度时控制阀的放大系数小，控制平稳缓和；在大开度时放大系数大，控制灵敏。,单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方值的平方根成正比关系,(3)抛物线流量特性,在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大；此后再增加开度，流量变化很小,有效位移一般为阀座直径的1/4,适用于迅速启闭的位式控制或程序控制系统,(4)快开流量特性,上述4种流量特性中：直线和等百分比最常用。,快开阀：适用于迅速启闭的双位控制系统。,2.工作流量特性,定义：实际上控制阀的前后压差是变化的，此时得到的控制阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。,串联管道情况,串联管道控制阀压差变化,配管系数S：控制阀全开时，控制阀上压差p1与系统总压差p之比。,S=1时，系统的总压差全部降在控制阀上，工作流量特性就表现为理想流量特性。,(2)流量特性畸变（0.3S0.6:认为工作特性与理想特性相同。0.3S0.6:S0.3（流量特性畸变很大）:节能运行，可以进行静态非线性补偿,在实际使用中，S选得过大或过小都有不妥之处。S选得过大，在流量相同情况下，管路阻力损耗不变，但是阀上压降很大，消耗能量过多；S选得过小，则对调节不利。一般希望S值最小不低于0.3。,配管系数S的选择：,（2）并联管道的工作流量特性,作用：（1）方便手动操作和维护（2）当生产量提高或控制阀选小时，可将旁路阀打开一些,总结（串、并联管道）,串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸形，串联管道的影响尤为严重。串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，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、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号引起的流量变化值减小。串联管道时控制若处于大开度，则s值降低对放大系统影响更为严重；并联管道刊控制阀处于小开度，则x值降低对放大系统影响更为严重。,三、控制阀的选用,一般包括：控制阀结构形式及特性的选择；气开式、气关式的选择；控制阀口径选择,主要依据是：（1）流体性质如流体种类、粘度、腐蚀性、是否含悬浮颗粒（2）工艺条件如温度、压力、流量、压差、泄漏量（3）过程控制要求控制系统精度、可调比、噪音根据以上各点进行综合考虑，并参照各种调节机构的特点及其适用场合，同时兼顾经济性，来选择满足工艺要求的调节机构。,（1）控制阀结构形式及特性的选择；,依据：工艺条件调节介质特性例如，当控制阀前后压差较小，要求泄漏量也较小的场合应选用直通单座阀；当控制阀前后压差较大，并且允许有较大泄漏量的场合选用直通双座阀；当介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，为避免粘结堵塞现象，便于清洗应选用角型控制阀。,5.6.2流量特性的选择,通常是指如何合理选择线性和对数流量特性。选择步骤：(1)根据过程特性，选择阀的工作特性；(2)根据配管情况，从所需的工作特性出发，推断理想流量特性。,选择原则：使整个广义对象具有线性特征。控制阀特性的选取要能够补偿广义对象特性的非线性性。,主要从工艺生产上安全要求出发。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性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，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性小，则应选用气开阀。,选择要求,气开式调节阀:有信号压力输入时阀打开无信号压力时阀全关气关式调节阀:有信号压力时阀关闭无信号压力时阀全开,2.气开式与气关式的选择,表11-1组合方式表,图11-11组合方式图,因：供气中断时，应使给水阀全开，使得锅炉不致烧干引起爆炸。故：选气关阀。,锅炉汽包水位控制带控制点的流程图,例：锅炉汽包水位的控制,例2：加热炉炉温的控制,因：供气中断时，应使燃料阀全关，停止供应燃料油，不致使加热炉温度过高烧坏炉子。故：选气开阀。,加热炉温度控制带控制点的流程图,3、控制阀口径的选择,原因：口径选择过小，会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量若企图通过开大旁路阀来弥补介质流量的不同，会使阀的流量特性产生畸变；口径选择过大，不仅会浪费设备投资，而且会使控制阀经常处于小开度工作,控制性能变差,容易使控制系统变得不稳定,依据：流通能力，用流量系数KV表示。因为：流量系数KV直接反映了流体通过控制阀的最大能力。流通能力定义：控制阀全开时，阀前后压差为100kPa、流体密度为1g/cm2时，每小时流经控制阀的流量值（m3/h）不可压缩流体,计算公式:,把上述参数代入流量方程，即可算出实际工况的流经阀门的流量,事实上，这里提出流量系数的概念，用意不在流量的计算上，真正目的是根据工艺要求如何来选择一台合适的调节阀。,48,根据工艺要求，即流量Q、前后差压P、介质密度，可以用下式来计算调节阀的流量系数，并以此来作为阀门口径选择的依据之一：,注意：上式中各参数的单位上式只适用于一般的流体（如水或者类似流体）流体的种类和性质将影响KV的大小，因此对不同的流体必须考虑其对流量系数的影响流体的流动状态也将影响Kv的大小,流量系数的计算,5.6.5安装使用,安装使用应考虑以下几个问题（P101）:(1)垂直安装在水平管道上。(2)环境温度要求：-40U1，此时输出电压USC=U2-U1，其相位与上述相反。,信号USC经过整流、滤波电路可以得到010m