化工自动化及仪表5课件

第五章执行器

本章重点介绍薄膜式气动执行器(气动薄膜调节阀)的特性、选型。1化工自动化及仪表5

执行器的作用：接受控制器的控制信号，调整操纵变量。在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若选型或使用不当，会给生产过程的自动控制带来困难。2化工自动化及仪表5

执行器按其能源形式可分为气动、电动和液动三大类。

液动执行器推力最大，但较笨重，很少使用。

电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构有角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。电动执行器安全防爆性能较差，在行程受阻或阀杆被卡住时电机易受损。3化工自动化及仪表5

气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，直接带动阀杆。由于气动执行器有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，本质安全防爆等优点，因此它在化工、炼油生产中获得了广泛的应用。

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4.1气动薄膜调节阀的结构、类型及材质

4.1.1气动薄膜调节阀的结构

气动薄膜调节阀的外型如图4-l所示，其内部简单结构如图4-2所示。它由两部分组成，上部为执行机构(也称膜头)，用来产生推力；下部为调节机构(也称阀体)，用来控制介质的流量。

如图所示：当来自控制器的气压信号增大时，作用在橡胶膜片上的向下推力就增大，通过托板压缩弹簧，使推杆下移，直至与弹簧反作用力相平衡时为止。推杆(亦即阀杆)下移的距离与信号压力成比例。当信号压力增大时，阀杆下移使调节阀关小，反之则开大。当信号压力在20-l00kPa范围内变化时，阀杆作全行程动作，阀门从全开到全关。P上盖薄膜托板阀杆阀座阀体阀芯推杆平行弹簧下盖5化工自动化及仪表5

5.1.1.1

执行机构

执行机构分正作用和反作用两种形式，如图所示。当信号压力增加时推杆向下移动的叫正作用式；信号压力增加时推杆向上移动的叫反作用式。较大口径的调节阀都采用正作用的执行机构。信号压力通过波纹膜片的上方或下方进入气室后，在波纹膜片上产生一个作用力，使推杆移动并压缩或拉伸弹簧，当弹簧的反作用力与薄膜上的作用力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置。信号压力越大，推杆的位移量越大。正作用(b)反作用图4-3执行机构的正反作用6化工自动化及仪表5

5.1.1.2调节机构

调节机构是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，操纵变量(调节介质)的流量也相应改变，从而达到调节工艺变量的目的。

图示为最常用的直通双座调节阀，阀杆上端通过螺母与执行机构推杆相连接，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上下移动，流体从左侧进入调节阀，然后经阀芯与阀座之间间隙从右侧流出。

阀芯与阀杆间用销钉连接，这种连接形式使阀芯根据需要可以正装（正作用）也可以倒装（反作用。

调节机构调节机构的正反作用7化工自动化及仪表5

执行机构和调节机构组合起来可以实现气开式和气关式两种调节阀。有四种组合方式。

气开式是输入气压越大时开度越大，而在失气是则全关，称FC型；气关式是输入气压越大时开度越小，而在失气时则全开，称FO型。

调节阀的气开、气关型式8化工自动化及仪表5

5.1.2气动薄膜调节阀的类型

A直通单座调节阀

阀体内有一个阀芯和一个阀座。流体从左侧进入经阀芯从右侧流出。由于只有一个阀芯和一个阀座，容易关闭，因此泄漏量小，但在高压差、大口径时，阀芯所受到流体作用的不平衡推力较大。直通单座调节阀适用于压差较小、要求泄漏量较小的场合。

直通单座调节阀9化工自动化及仪表5

B直通双座调节阀

阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入，经过上下阀芯汇合在一起从右侧流出。它与同口径的单座阀相比，流通能力增大20％左右，但泄漏量大，不平衡推力小。直通双座调节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粘度和带有固体颗粒的液体。直通双座调节阀10化工自动化及仪表5

C其他类型的调节阀

(1)角形调节阀

阀体为直角，如图所示。角形阀流向一般都是底进侧出，此时它的稳定性较好；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。角形调节阀流路简单，阻力小，不易堵塞，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒物质流体的调节。

角形阀11化工自动化及仪表5

(2)隔膜调节阀

用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯、阀座组件，由隔膜位移起调节作用。隔膜调节阀耐腐蚀性强，适用于对强酸、强碱等强腐蚀性介质流量的调节。结构简单，流路阻力小，流通能力较同口径的其他阀大，无泄漏量。但由于隔膜和衬里的限制，一般只能在压力低于1MPa，温度低于150℃的情况下使用。

隔膜调节阀12化工自动化及仪表5

(3)三通调节阀

有合流阀和分流阀两种，前者是两路流体混合为一路，后者是一路流体分为两路。在阀芯移动时，总的流量不变，两路流量的比例得到了调节。

在采用合流阀时，如果两路流体温度相差过大，会造成较大的热应力，因此温差通常不能超过150℃。

三通调节阀示意图三通阀应用示例13化工自动化及仪表5

（４）套筒形调节阀

结构特点是在单座阀体内装有一个套筒，阀塞能在套筒内移动。当阀塞上下移动时，改变了套筒开孔的流通面积，从而控制调节介质流量。

由于阀塞上有均压平衡孔，不平衡推力小，稳定性很高且噪音小。因此适用于高压差、低噪音等场合，但不宜用于高温、高粘度、含颗粒和结晶的介质控制。

套筒形调节阀14化工自动化及仪表5

5.1.3气动薄膜调节阀的材质

一般情况下，阀体材料采用铸铁、铸钢或不锈钢。特殊情况下（如腐蚀性介质），各种合金钢及高分子材料等也获得广泛的应用。

调节机构中，介质与外界的密封一般用填料函来实现，但在遇到剧毒、易挥发等介质时，可以用波纹管密封。15化工自动化及仪表5

5．2调节阀的静态特性--流量特性

调节阀的静态特性（流量特性）是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆相对行程(即阀门的相对开度)之间的关系。其数学表达式为：

q/qmax=f(l/lmax)

或写成Q=f(L)

Q=q/qmax表示调节阀某一开度的流量与全开时的流量之比，称为相对流量；

L=l/lmax表示调节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。16化工自动化及仪表5

流量特性通常用两种形式来表示：

(1)理想特性即在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。

(2)工作特性是指在工作条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。

工作特性不仅取决于阀本身的结构数也与配管情况有关。17化工自动化及仪表5

5.2.1调节阀的理想流量特性

调节阀的前后压差保持不变时得到的流量特性。阀门制造厂提供的就是这种特性。理想流量特性有线性、对数(等百分比)及快开三种。它们完全取决于阀芯的曲面形状。阀芯曲面形状18化工自动化及仪表5

5.2.1.1线性流量特性

线性流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系。即阀杆单位行程变化所引起的流量变化是常数。数学表达式为d(q/qmax)/d(l/lmax)=k

积分得q/qmax=k

l/lmax+C

式中，C为积分常数。19化工自动化及仪表5

线性调节阀的放大系数K是一个常数，不论阀杆在什么位置，只要阀杆作相同的变化，流量的数值也作相同的变化。可见线性调节阀在开度较小时灵敏度显得过高，调节作用过强，容易产生振荡，对控制不利；在开度较大时灵敏度又显得太小，调节缓慢，削弱了调节作用。因此，当线性调节阀在小开度或大开度的情况下工作时，控制性能都较差，不宜用于负荷变化大的场合。20化工自动化及仪表5

5.2.1.2对数流量特性(等百分比流量特性)

对数流量特性是指单位行程所引起的相对流量变化，与此点的相对流量成正比关系。即调节阀的放大系数K是变化的，它随相对流量的增加而增加。数学表达式：d(q/qmax)/d(l/lmax)=kq/qmax

积分得：ln(q/qmax)=k(l/lmax)+C

上式表明相对行程与相对流量成对数关系，在直角坐标上得到的一条对数曲线。又因为阀杆位移增加1％，流量在原来基础上约增加3.4％，所以也称为等百分比流量特性。

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由于对数阀的放大系数K随相对开度增加而增加，因此，对数阀有利于自动控制系统。在小开度时调节阀的放大系数小，控制平稳缓和；在大开度时放大系数大，控制灵敏有效。22化工自动化及仪表5

5.2.1.3快开流量特性

这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大，随后再增加开度时流量的变化很小，故称为快开特性。23化工自动化及仪表5

5.2.2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。调节阀前后压差随管路系统阻力损失变化而发生变化。以图示的串联系统为例，系统的总压差p等于管路系统的压差pf与调节阀压差pv

之和。当系统的总压差p一定时，随着通过管道的流量的增大，串联管道的阻力损失也增大，阻力损失与流速的平方成正比。这样，使调节阀上的压差减小，引起流量特性的变化。24化工自动化及仪表5

若以S表示调节阀全开时，调节阀上压差Δpv与系统总压差Δp之比，即S=Δpv/Δp。以qmax

表示理想流量特性情况下(阀上压差为系统总压差，即管道阻力损失为零)调节阀的全开流量，可以得到串联管道时以qmax

作为参比值的工作流量特性，如图所示。

S＝1时管道阻力损失为零，系统的总压差全部降在调节阀上，工作流量特性和理想流量特性一致。随着S的减小，即管道阻力的增加，带来两个不利后果：一是系统的总压差不变，管道阻力增加，意味着调节阀全开时压差减小，全开时的流量也就减小，调节阀的可调范围R变得越来越小；二是调节阀的流量特性发生很大畸变，理想线性特性渐渐趋近快开特性，理想对数特性渐渐趋近线性特性。在实际使用中，S选得过大或过小都不妥。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。当S≥0.6时，可以认为工作特性与理想特性相差无几。25化工自动化及仪表5

现场使用时调节阀一般都装有旁路阀，即调节阀与旁路阀并联安装。

安装旁路阀一是当控制系统失灵时手动控制使用。另外，有时因生产量提高或阀门选得过小，使调节阀流量不能满足工艺要求时，只好打开旁路阀以增加管道流量。打开旁路阀，虽然调节阀本身的流量特性无变化，但系统的可调范围大大下降，泄漏量也很大。26化工自动化及仪表5

5．3调节阀的动态特性及变差

5．3．1调节阀的动态特性

调节阀的动态特性是指信号压力与阀杆位移的关系。调节阀膜头可以看作是一个气容，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容和气阻。当信号管线太长或太粗，膜头气室太大时，气容、气阻很大，调节阀的时间常数就大。这样在调节阀接受调节器的控制信号时，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容量滞后，对控制不利。

27化工自动化及仪表5减小时间常数的措施有：

（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）选用合适口径的气动管线。通常采用Φ8×l紫铜管线。

（3）加装传输滞后补偿器。如引压管线很长，或膜头很大，可在阀门附近装设继动器，或采用阀门定位器。28化工自动化及仪表5

5.3.2调节阀的变差

调节阀的阀杆是一个移动部件，它与填料之间总有一定摩擦。当阀门的填料函压得过紧或长期末润滑时，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。

29化工自动化及仪表55.4调节阀的选择

选择调节阀时需从三个方面来考虑：1、调节阀结构形式的选择；2、气开、气关的选择；3、调节阀流量特性的选择。30化工自动化及仪表55.4.1调节阀结构形式的选择

考虑两点：

(1)调节介质的工艺条件：温度、压力、流量等；

(2)调节介质的特性：粘度、腐蚀性、毒性，是