控制阀的控制原理和控制回路

控制阀又称调节阀，是在工业过程控制系统中，由动力操作去改变介质流量的装置。它包括一个阀门部件，内有一个改变过程流体流量的阀芯组件；阀门部件又与一个或多个执行机构相连接，执行机构用来响应控制元件送来的信号，其中控制元件送来的信号要先经过定位器转换一下再输出到执行机构；可见，控制阀是由执行机构、定位器和阀门三大部分组成的。执行机构是调节阀的驱动装置，它按信号的大小产生相应的推力，使推杆产生相应的位移，从而带动控制阀的阀芯动作；阀门部件是控制阀的调节部分，它直接与介质接触，通过执行机构推杆的位移，改变调节阀的节流面积，达到调节的目的，这就是控制阀的基本控制原理。按动力源不同，控制阀分为气动、电动和液动三大类，我们主要讲气动的，下图为气动薄膜执行机构和电动执行机构。一、气动控制阀的结构类型按阀芯部件的不同，气动控制阀又分为五类：直通单座式、直通双座式、套筒式、三通阀、角式阀。1、直通单座阀：阀体内只有一个阀芯和阀座，结构简单，最大的优点是泄漏量极小，易于保证密封，是使用最多的一种阀体类型；缺点是不适合高压差、大口径的场合，因为介质对阀瓣的作用力很大，因此，建议用于DN150及以下口径。2、直通双座阀：阀体内有两个阀芯和阀座，比同口径的单座阀流通能力大约提高20~25%，介质作用在上下阀芯上的力可以互相抵消，所以不平衡力小，允许用于高压差场合。最大的缺点是泄漏量较大，因为上下阀芯很难保证同时密封好。3、套筒阀：又称为笼式阀，其阀体与一般的直通单座阀类似，但阀内多了一个圆形套筒，套筒四周有不同形状的开口，根据流通能力大小的要求，套筒的窗口可以为多个、四个、两个或一个。利用套筒的导向，阀芯可以在套筒中上下移动，正是由于这种移动改变了套筒的节流面积，形成了各种流量特性，并实现流量的调节。因采用平衡型的阀芯结构，不平衡力小，最大的缺点是泄漏量较大，不能用于有颗粒及比较脏污的介质。4、角形阀：阀体内有一个阀芯和阀座，结构简单，一般为底进侧出，具有自洁净功能；阀体内不易存积污物，不易堵塞，适用于高粘度、高压差、含有悬浮物和颗粒物的介质，也常用于电站的减温减压站。最大的缺点是容易发生阀芯振荡不稳定的现象。5、三通阀：三通阀有三个出入口与管道相连接，有合流，分流两种类型，主要用于液体介质。二、气动控制阀的流量特性1、控制阀的流量特性，也就是说阀瓣的类型，一般分四种：快开、直线、抛物线、等百分比，其中等百分比最为常用。2、不同类型阀瓣的流量特性对比图为了保证控制阀具有固定的流量特性曲线，对于连续调节的控制阀，需要采用复杂的异形阀瓣。流量特性曲线取决于阀门的公称通过能力qy(或流量系数Kv)，以及阀瓣开启高度h。三、气动控制阀内流体的流动分析1、控制阀内部介质的压力变化压力变化主要发生在阀门进口（高压区）、缩流断面（阀座d处）、缩流截面（阀芯和阀座之间最窄的喉口）和阀门出口（低压区）四个区域。进口处压力最高，喉口处压力最低，出口处压力逐渐恢复回升。2、控制阀内部介质的流速变化因控制阀内部类似于一个渐缩渐扩喷管，又称拉伐尔喷管，是一种中间收缩、不对称沙漏状的管子。它通过将流体的热能转化为动能，可将热压缩气体加速到超音速。在次音速流中，气体是不可压缩的，声音会通过它传播。我们以蒸汽为例，蒸汽就是一种典型的可压缩热气体，在控制阀内部，蒸汽压力随着阀门开度不断发生变化，根据能量守恒定律，压力能转化为动能，这就带来了流速的变化。3、蒸汽控制阀流量系数计算可压缩流体的流动有非阻塞流和阻塞流两种情况，不同流动状态下流速是不同的，计算对应的流量公式也就不同。控制阀在调节时，随着下游压力的下降，蒸汽流量不断增加，直到压力降到临界压力（等于上游压力的58%），流量达到最大值，不再增加。整个计算过程比较复杂，我们这里不做分解，下面列出控制阀的流量系数计算公式：对于饱和蒸汽：

P1—阀前绝压，kgf/cm2

；

P2—阀后绝压，kgf/cm2

ΔP—阀两端压差，kgf/cm2

；

GS—蒸汽流量，kg/h。四、气动控制阀的控制回路1、一套完整的控制系统包括：气动控制阀门+气动薄膜执行机构+定位器+控制器+传感器+空气调压过滤单元。1.1气动执行机构：在控制阀中起着执行器的作用，将输入的气压信号转换为推杆的直线位移，从而推动阀杆上下动作；有正作用（故障开、气关）和反作用（故障关、气开）两种。

1.2

传感器：是一种检测装置，能感受到被检测的信息，并能将此信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和控制的首要环节。常见的传感器有：温度传感器、压力变送器、液位计、流量计。1.3

控制器：将传感器检测变送环节输出的标准信号与设定值信号进行比较，获得偏差信号，按一定控制规律对偏差信号进行运算，运算输出送定位器。控制器可用模拟仪表实现，也可用微处理器组成的数字控制器实现，例如DCS和FCS中采用的PID控制功能模块等。1.4

定位器：与气动执行器配套使用，用来提高阀门的位置精度，克服阀杆摩擦力和介质不平衡力的影响，从而保证阀门按照控制器输送来的电信号（4-20mA）实现正确定位，实现过程控制。定位器有两种，机械式定位器和智能型定位器；而智能型定位器又有两大类，压电式（非普及）和喷嘴挡板式（普及，主流款）。智能电气阀门定位器的输入信号是标准的4~20mA或1~5V电信号，它需要将模拟信号转换为数字信号，输送到微处理器进行处理；而一般电气阀门定位器输入信号虽然是4~20mA或1~5V电信号，但它不需要经模数转换，可直接将模拟信号送电磁线圈产生电磁力，实现力平衡。如果是压电式的智能阀门定位器，数字信号通常输送到压电阀组，通过压电阀组的开关来调节送控制阀气动膜头的气压，而一般电气阀门定位器的输出信号是经气动放大器放大后的气信号。智能阀门定位器最大优势是：可快速简易自动整定；内置阀位反馈模块，可按比例精确控制阀门开度，阀位以连续的行程数字（%）显示在液晶屏上；内置通讯模块，可实现HART协议通讯。2、控制回路：2.1

单回路控制：是最简单的回路，只有一个被控变量，比如温度。下图所示，就是通过换热器蒸汽进汽管道上的气动控制阀来自动控制水温的。利用热电偶或PT100温度传感器，探测到换热器出口热水温度，温度信号传送到控制器，与设定值比较，如果有偏差，阀门就会做相应的调整动作，通过反馈模块，可以准确地让阀门达到设定位置，并把阀门开度显示在定位器的液晶屏上，非常直观、方便。2.2多回路控制：由两个或多个回路组成，相比单回路，多回路具有更高的灵活性和控制精度，最典型应用就是空调机组的加热加湿系统。一般就是装两个控制阀+一个控制器+两个探头，两个控制回路，一路专门负责控制室内温度，另一路负责控制湿度。这种多回路控制系统能更好的满足不同场合的需求，提供更加舒适和节能的室内环境。（不过，空调机组用电动阀比较多）2.3串级控制：由一个控制阀来控制两个单独的变量，这时需要使用到串级控制，就是两个控制器串联使用，主控制器的输出信号被设定为副控制器的输入信号，可以显著提高控制精度和工艺效果，具体配置为：1个气动控制阀+2个控制器+2个传感器。A、最典型的应用就是杀菌机，食品乳品行业的杀菌机，大多是先用蒸汽，通过板换把水加热，再用热水去杀菌，这样杀菌比较