第過程控制技術(shù)4章(1)

1、第第 4 章章 執(zhí)行器執(zhí)行器4.1 概述概述 執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)中的實(shí)施機(jī)構(gòu)，它接受控制器發(fā)出的行動指令，并將其轉(zhuǎn)化為位移或速度，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)流程中過程參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制?，F(xiàn)在的執(zhí)行器主要是傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥（也稱控制閥，Control Valve），另一類是由變頻器和交流電動機(jī)組成的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)單元，通過對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對某些流體流速和流量的控制。 目前使用最多的執(zhí)行器是調(diào)節(jié)閥，它由執(zhí)行機(jī)構(gòu)（Executing Actuator）和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)-閥體（Valve Body）兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制器輸出的控制信號，并將其轉(zhuǎn)化為直線位移或角位移，驅(qū)動閥體改變閥芯與閥座之間的開通面積，進(jìn)而調(diào)節(jié)介質(zhì)流過閥體

2、的流量，實(shí)現(xiàn)對流經(jīng)該截面的物料控制。 執(zhí)行器一般安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，并直接與介質(zhì)接觸，工作環(huán)境惡劣，通常在高溫、高壓、高粘度、易燃、易爆、易腐蝕、易結(jié)晶或劇毒等惡劣條件下使用。執(zhí)行器選用或安裝如果不當(dāng)，小則直接影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量，大則引發(fā)事故。 根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用能源的不同，可分為氣動、電動和液壓三類執(zhí)行器，它們的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分不同，但調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)部分大體相同。 氣動執(zhí)行器以壓縮空氣為動力，輸入是0.020.1MPa的氣壓信號。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、動作平穩(wěn)、輸出推力大、安全防爆、維護(hù)方便、價格便宜。它可與氣動調(diào)節(jié)儀表配套使用，也可經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換器與電動調(diào)節(jié)儀表和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配套使用，尤其適用于易燃易爆的生產(chǎn)現(xiàn)

3、場。缺點(diǎn)是動作時間稍長，現(xiàn)場需要?dú)庠矗⑶也灰酥苯优c數(shù)字設(shè)備連用。 電動執(zhí)行器以電能作動力，輸入信號是 010mA（DDZ-），或者 420mA（DDZ-）直流電流。其優(yōu)點(diǎn)是：電信號傳輸快、距離遠(yuǎn)，動作迅速，可與電動儀表直接配接使用。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、推力小、防燃防爆性差，適用于缺乏氣源、防爆要求不高的場合。 液動執(zhí)行器以液壓油為動力，通常為一體式結(jié)構(gòu)，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為統(tǒng)一整體。工作時需要外部的液壓系統(tǒng)支持，運(yùn)行時要配備液壓站和輸油管路，相對于其它兩種執(zhí)行器來說，一次性投資大，安裝工作量多，僅在大動力工作場合才使用。它具有體積大、推力大、傳動平穩(wěn)、響應(yīng)快等特點(diǎn)。但是在石油、化工等生產(chǎn)過程

4、中很少使用。 現(xiàn)在不妨將氣動、電動和液動執(zhí)行器作一個歸納比較，詳見表 4-1。 表表 4-1 三種執(zhí)行器的比較三種執(zhí)行器的比較 項(xiàng)目 類型結(jié)構(gòu)體積配管配線推力動作滯后維護(hù)可用場合價格頻率響應(yīng)溫度影響氣動執(zhí)行器簡單中較復(fù)雜中大簡單防火防爆低窄較小電動執(zhí)行器復(fù)雜小簡單小小復(fù)雜不防火爆高寬較大液壓執(zhí)行器簡單大復(fù)雜大小簡單注意火花高窄較大 執(zhí)行器還有其它的劃分方法，如：按輸出位移形式不同劃分的有，轉(zhuǎn)角型執(zhí)行器，直線型執(zhí)行器；按動作規(guī)律不同劃分的有：開關(guān)型執(zhí)行器、積分型執(zhí)行器和比例型執(zhí)行器等。 另外，隨著調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻器作為一種新型執(zhí)行器形式，引起了工程界的高度關(guān)注。通過變頻器實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)調(diào)速的

5、執(zhí)行單元，不僅取代了部分調(diào)節(jié)閥的功能，而且還有顯著的節(jié)能效果。 在傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥方面，本書采納按使用能源不同劃分執(zhí)行器的分類法，并主要討論氣動和電動兩種執(zhí)行器，同時，對變頻器也予以介紹。 由氣壓信號控制閥門開度的執(zhí)行器是氣動調(diào)節(jié)閥,常用的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥如圖 4-1 所示。它主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥體）組成。根據(jù)需要，可以配備輔助裝置，如閥門定位器、手輪機(jī)構(gòu)、電氣轉(zhuǎn)換器等。其中，閥門定位器的作用是提高閥門開度精準(zhǔn)性，手輪機(jī)構(gòu)作用是當(dāng)自動操作機(jī)構(gòu)有故障時，用手動操控閥門，電氣轉(zhuǎn)換器的作用是將控制電信號轉(zhuǎn)換為氣動信號實(shí)施。 1-上蓋 2-膜片 3-彈簧 4-閥桿 5-閥體 6-閥芯 7-閥座 圖 4

6、-1 氣動薄膜調(diào)節(jié)閥示意圖 4.2 氣動調(diào)節(jié)閥氣動調(diào)節(jié)閥4.2.1 氣動調(diào)節(jié)閥的基本結(jié)構(gòu)氣動調(diào)節(jié)閥的基本結(jié)構(gòu) 氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)見圖上部分。當(dāng) 0.02-0.1Mpa 氣壓 p 進(jìn)入薄膜室后，在膜片上產(chǎn)生向下推力，閥桿下移，當(dāng)彈簧的反作用力與薄膜上產(chǎn)生的推力平衡時，閥桿穩(wěn)定在某一位置。閥桿的位移帶動閥芯下移，改變閥芯與閥座間的流通面積。閥桿位移量與氣壓大小成正比，可視為一個慣性環(huán)節(jié)。 氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有薄膜式和活塞式兩種。圖 4-1 為薄膜式，彈性膜片將輸入氣壓轉(zhuǎn)為推力，其特點(diǎn)是建構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便；氣動活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)由氣缸內(nèi)活塞輸出推力，故推力大、行程長，但價格高。 調(diào)節(jié)閥的正反作用方式:

7、當(dāng)輸入氣壓信號增加時，推桿向下移動，稱該閥為正作用方式。相反，輸入氣壓信號增加時，推桿向上移動，稱其為反作用方式。顯然,圖4-1為正作用方式。工業(yè)生產(chǎn)中，口徑較大的調(diào)節(jié)閥一般采用正作用方式。 氣動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)俗稱調(diào)節(jié)閥、控制閥、閥門，是執(zhí)行器的實(shí)施部分，它是一個局部阻力可改變的節(jié)流元件。由閥體、閥座、閥芯、閥桿等組成。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力或力矩的主導(dǎo)下，閥芯隨閥桿移動，改變了閥芯與閥座相對位置，進(jìn)而改變了流體介質(zhì)流通面積，使流量發(fā)生變化。由于氣動調(diào)節(jié)閥與電動調(diào)節(jié)閥在結(jié)構(gòu)形式和功能上是相同的，所以，后面的敘述將不加區(qū)分，通稱為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，或調(diào)節(jié)閥。 4.2.2 調(diào)節(jié)閥的類型調(diào)節(jié)閥的類型 調(diào)節(jié)閥通常由上閥蓋、

8、下閥蓋、閥體、閥座、閥芯閥桿等零部件組成。由于調(diào)節(jié)閥直接與流體介質(zhì)接觸，且要適應(yīng)各種不同的使用環(huán)境和條件，所以，調(diào)節(jié)閥在制造材料上、閥體與閥芯結(jié)構(gòu)形狀上，以及閥芯運(yùn)行方式上都有很大的差異，這樣就導(dǎo)致了各種不同形式調(diào)節(jié)閥的產(chǎn)生。它們主要有：直通單座調(diào)節(jié)閥、直通雙座調(diào)節(jié)閥、三通調(diào)節(jié)閥、角形調(diào)節(jié)閥、隔膜調(diào)節(jié)閥、蝶閥、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥和套筒型調(diào)節(jié)閥等。下面來具體看看。 直通單座調(diào)節(jié)閥:如圖 4-2 所示，該調(diào)節(jié)閥僅有一個閥芯和閥座,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力操縱閥芯上下運(yùn)動,控制流體從左端流入右端。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，泄漏量小，可保證關(guān)閉。但壓差較大時，流體對閥芯上下作用推理不平衡，從而影響閥芯移動。一般用于小口徑、

9、低壓差的場合。 圖4-2 直通單座閥 圖4-3 直通雙座閥 直通雙座調(diào)節(jié)閥 直通雙座閥為常用閥，閥體有兩個閥芯閥座，如圖 4-3 所示。流體從左端流入，經(jīng)上下閥芯后流入右端。特點(diǎn)是不平衡力較小，左右兩端可承受較大壓差，但泄漏量大。適用于管道兩端壓差大、對泄漏量要求不高的現(xiàn)場。 三通調(diào)節(jié)閥 閥體與三段管道相連，如圖 4-4。流量的進(jìn)出方式有：兩流量流入，一流量流出；一流量流入，兩流量流出。前者稱為合流型，后者稱為分流型。該類閥主要用于配比控制和旁路調(diào)節(jié)。 角形調(diào)節(jié)閥（a）合流型 （b）分流型 圖4-4 三通閥 圖4-5 角形閥 角形調(diào)節(jié)閥用于兩根管道相交呈直角處的連接，如圖4-5所示。一般用于工

10、作現(xiàn)場管道有直角拐彎要求的地方，并且流體具有高壓差、高粘度、懸浮物等特點(diǎn)。 隔膜調(diào)節(jié)閥 它采用耐腐蝕襯里的閥體和隔膜，將流體介質(zhì)與外界隔離開來，介質(zhì)不泄露，如圖4-6。它具有結(jié)構(gòu)簡單、流阻小和流通能力強(qiáng)等特點(diǎn)。適用于化工行業(yè)中對強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和強(qiáng)腐蝕性流體和高粘度、含懸浮顆粒狀介質(zhì)的調(diào)節(jié)。當(dāng)該類閥隔膜直徑較大時，往往采用活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以保證足夠的推理。同時，閥的使用溫度一般小于150,壓力小于1Mpa。 碟閥 圖4-6 隔膜閥 a) 外形圖 b)示意圖 圖4-7 蝶閥 蝶閥也稱翻板閥，如圖 4-7 所示，它由閥體、擋板、擋板軸和軸封等部件構(gòu)成。它的擋板以繞軸的轉(zhuǎn)動來控制流體流量,轉(zhuǎn)角通常在 0-

11、70之間。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、流通能力強(qiáng)、流阻小、泄漏量大等特點(diǎn)。 球閥 球閥如圖 4-8 所示，其中的閥芯和閥體呈圓球形，轉(zhuǎn)動閥芯，使它與閥體處于不同相對位置時，閥就具有不同的流通面積，從而實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。該類閥有 “V” 形閥芯和 “O” 形閥芯之分，見圖 4-9。前者的節(jié)流元件像字母 “V” 形缺口球形體，適用于高粘度物料；后者節(jié)流元件是帶圓孔的球形體，多用于位式調(diào)節(jié)。 圖4-8 球閥 圖4-9 球閥閥芯開口形式 偏心旋轉(zhuǎn)閥 偏心旋轉(zhuǎn)閥也稱凸輪撓曲閥，其扇形球面狀閥芯與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)軸上，如圖 4-10 所示。撓曲臂在壓力作用下可產(chǎn)生撓曲變形，使閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸，封

12、堵嚴(yán)密。此外，它還體積小、重量輕、安裝簡便，適用于對高黏度，或含有懸浮物的介質(zhì)流體調(diào)節(jié)。 圖4-10偏心旋轉(zhuǎn)閥 圖4-11 籠式閥 籠式閥 也稱套筒形調(diào)節(jié)閥，其閥體與普通直通單座閥相似，如圖 4-11 所示?；\式閥內(nèi)有一個圓柱形套筒（籠子），套筒壁上有一個或幾個不同形狀的窗孔，閥芯在套筒內(nèi)上下移動，改變籠中 節(jié)流孔面積，實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。該閥可調(diào)比大、振動小、不平衡力小、套筒互換性好，且不同套筒（窗口形狀）有不同流量特性，并且閥內(nèi)部件受氣蝕小、噪音低，特別適合壓差大、噪音低的場合，但不宜用于高溫、高粘或含有固體顆粒的流體。 還有一些特殊的閥，由于受篇幅限制，不作過多介紹。4.2.3 調(diào)節(jié)閥的流量特

13、性調(diào)節(jié)閥的流量特性(Discharge Characteristic/Flow Characteristic) 調(diào)節(jié)閥的流量特性是指流體流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）之間的關(guān)系，即 maxmaxQlfQl其中， 為相對流量，是調(diào)節(jié)閥在某開度時流量 與全開時的流量 之比； 為相對開度，是調(diào)節(jié)閥某一開度的閥芯位移 l 與全開時閥芯位移 之比， 為某函數(shù)關(guān)系。 max/Q QQmaxQmax/l lmaxl( )f 事實(shí)上，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流體流量大小不僅與閥門開度有關(guān)，而且隨著開度和流量的變化，閥門前后的壓差也很可能變化。為此，我們將分別考慮：當(dāng)閥門開度改變時，閥門前后壓差不變時的流量

14、特性，以及閥門前后壓差變化時的流量特性。 1.調(diào)節(jié)閥的理想流量特性調(diào)節(jié)閥的理想流量特性 在調(diào)節(jié)閥前后壓差固定的情況下得出的流量特性稱為理想流量特性理想流量特性，也稱固有流量特性。很顯然，此時的調(diào)節(jié)閥理想流量特性完全取決于閥芯的形狀，不同的閥芯曲面，有不同的流量特性,如圖 4-12。這里主要有：直線、等百分比（對數(shù)）、拋物線和快開四種形式，如圖 4-13。 圖4-12 閥芯形狀 圖4-13 理想流量特性 A直線流量特性（線性流量特性） 調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度呈直線關(guān)系，即 maxmaxd(/)d( /)Q Qkl l 積分可得maxmaxQlkAQl(4-1) 其中， k 在這里是常數(shù)，特性

15、曲線的斜率，為調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)， A 為積分常數(shù)，可由邊界條件定出。假如已知邊界條件： 時， ， 時， ，則有 0l minQQmaxllmaxQQminmax1QAQR111kAR ， （4-2） 式中，R 稱為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍（可調(diào)范圍（Adjustable Rangeability）或可調(diào)比（可調(diào)比（Adjustable Ratio），即 maxminQRQ其中 為調(diào)節(jié)閥可調(diào)流量的最大值， 為調(diào)節(jié)閥可調(diào)流量的最小值，一般為 的 3% 左右。國產(chǎn)直通單座、直通雙座、角形閥等調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍通常為 30，而隔膜閥為 10。 maxQminQmaxQ 將式（4-2）代進(jìn)式（4-1），有 maxm

16、ax11 (1)QlRQRl 顯然，相對流量與相對開度之間呈直線關(guān)系，其閥芯形狀與流量特性如圖 4-12 和 4-13 中的 2 號線。這表明，當(dāng)可調(diào)范圍R一定時，若閥芯位移變化量相同，則流量變化量也相同。但是，流量相對變化量（流量變化量與原流量之比）是不同的：小開度時，某開度變化引起的流量相對變化量大；而大開度時，相同開度變化量引發(fā)的流量相對變化量小。因此，直線流量特性調(diào)節(jié)閥在小開度時，可引起流量大幅度變化，但在大開度時，引起流量變化的幅度就小得多，進(jìn)而導(dǎo)致控制不及時，調(diào)節(jié)行動遲緩。基于這一點(diǎn)，該調(diào)節(jié)閥不宜用于負(fù)荷變化大的場合。 B. 等百分比流量特性（對數(shù)流量特性） 單位相對開度變化引起相

17、對流量變化與該點(diǎn)相對流量成正比關(guān)系，用數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為 max1maxmaxd/d/Q QQkl lQ積分，有1maxmaxlnQlKCQl（4-3） 并考慮前邊已經(jīng)考慮過的邊界條件，則有 lnCR 1lnKR， 代入式（4-3）并整理，有max(1)maxllQRQ 從表達(dá)式看， 與 成對數(shù)關(guān)系。仔細(xì)考察可以發(fā)現(xiàn)，在開度處在全程的不同處時，例如 10%、50% 和 80% 等，獲得的流量相對變化量是相同的，所以稱其為等百分比流量特性。這種特性在小開度時的控制作用和大開度時的控制作用是相同的，這與直線流量特性不同，具體見圖 4-13 曲線 4。 max/Q Qmax/l l 例例4-1 已知

18、某調(diào)節(jié)閥最大流量100 ，可調(diào)范圍 ，試求： 3m /h30R （1）計(jì)算直線流量特性在理想狀態(tài)下，閥的相對行程 分別為 0.1、0.2、0.8 和 0.9 時的流量值； max/l l （2）計(jì)算等百分比流量特性在理想狀態(tài)下，閥的相對行程 為 0.1、0.2、0.8 和 0.9 時的流量值； max/l l （3）比較以上兩種不同理想流量特性的調(diào)節(jié)閥在小開度與大開度時的流量變化相對值。 解：解：（1）由直線流量特性的相對流量與相對行程的關(guān)系 maxmax11(1)QlRQRl可算得： 30.113m / hQ30.2=22.67m /hQ30.880.67m / hQ30.990.33m /

19、 hQ （2）根據(jù)等百分比流量特性的相對流量與相對行程的關(guān)系 max(1)maxllQRQ算得： 30.14.68m / hQ30.2=6.58m /hQ30.850.65m / hQ30.971.17m / hQ， ， ， （3）對直線流量特性的調(diào)節(jié)閥，相對行程由 10% 變?yōu)?20%，以及由 80% 變?yōu)?90% 時，流量變化的相對值分別為 22.6713100%74.4%1390.3380.67100%12%80.67， 對于等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，相對行程由 10% 到 20%，以及由 80% 到 90% 時，流量變化的相對值分別為 6.584.68100%40%4.6871.17.

20、5850.65100%40%50.65， 由此可見，對直線流量特性的調(diào)節(jié)閥，在小開度行程變化 10% 時（10% 20%），流量增加 74.4%；而在大開度行程變化 10% 時（80% 90%），流量增加僅 12%?？梢?，大開度情況下的流量增加并不多，即控制力較弱。這是直線流量特性調(diào)節(jié)閥的缺點(diǎn)。 對等百分比特性調(diào)節(jié)閥，不論是小開度情況下，還是大開度情況下，行程變化 10%，流量相對變化值是相同的。這應(yīng)該是 “等百分比” 流量特性因此而得名的原因。它的特點(diǎn)是，相同的行程變化值下，小開度時流量變化小，較為平穩(wěn)；大開度時流量變化大，控制靈敏。 C. 拋物線流量特性 單位相對開度引起相對流量變化與該點(diǎn)

21、相對流量的平方根成正比關(guān)系，表達(dá)為 maxmaxmaxd/d/Q QQkl lQ積分，并考慮邊界條件，有 2maxmax111QlRQRl 由此可見，調(diào)節(jié)閥的相對開度與相對流量之間為一種拋物線關(guān)系，見圖 4-13 曲線 3, 它介于直線流量和對數(shù)流量特性之間，有時，可用對數(shù)流量特性來近似它。 D. 快開流量特性 快開流量特性數(shù)學(xué)表達(dá)式為 1maxmaxmaxd/dQlQkQlQ積分并考慮邊界條件，有 122maxmax11 (1)QlRQRl 該特性在小開度時，流量較大，隨著行程的增加，流量很快到達(dá)最大值，大約到達(dá)全行程的1/4時，若再增加行程，開通面積不再增大而失去作用，所以稱為快開特性。它

22、比較適合要求快開閉的位式閥，其流量特性見圖 4-13 曲線 1。 2. 調(diào)節(jié)閥的工作流量特性調(diào)節(jié)閥的工作流量特性 由于調(diào)節(jié)閥總是要與工藝設(shè)備、管道等串聯(lián)或并聯(lián)使用的，加上設(shè)備和管道內(nèi)壁阻力等原因引起閥門前后壓差的變化，導(dǎo)致流量特性也發(fā)生了變化。研究在調(diào)節(jié)閥前后壓差變化情況下，相對流量與閥芯相對開度（位移）的關(guān)系就是研究調(diào)節(jié)閥的工作流量特性。 調(diào)節(jié)閥的工作流量特性是其理想流量特性在具體環(huán)境中的衍變，它一方面與調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面還與配管有關(guān)。同一調(diào)節(jié)閥，在不同外部條件下具有不同工作流量特性，呈現(xiàn)工作流量特性的多樣性。 （1） 調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)的工作情況 圖4-14（a）為調(diào)節(jié)閥與工藝設(shè)備及

23、管道串聯(lián)的情況，該連接形式在工作實(shí)踐中是極為普遍的，圖中 為系統(tǒng)流體介質(zhì)總壓差， 為調(diào)節(jié)閥前后流體壓差， 為流體在設(shè)備和管路中產(chǎn)生的壓差，且 。 p1p2p12ppp（a）調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)工作 （b）壓力分布及變化 圖 4-14 調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)工作及壓力變化情況 當(dāng)流體介質(zhì)總壓差 一定時，隨著閥門開度加大，閥門前后的流體壓差 將減小，流量 Q 將增加，流體在設(shè)備和管道上的壓差 將隨著流量 Q 的值成平方增大。見圖 4-14（b）。因此，在同樣的閥芯位移下，通過調(diào)節(jié)閥芯的實(shí)際流量比調(diào)節(jié)閥前后壓差不變時（理想流量情況下）的流量小。為考察調(diào)節(jié)閥全開時，閥門前后壓差大小對流量特性的影響，定義閥阻比1

24、p2p1minpsp其中 為閥門全開時閥門前后流體壓差， 為流體介質(zhì)總壓差 。 1minppp 串聯(lián)管道情況下，因閥阻比不同，調(diào)節(jié)閥工作流量特性如圖 4-15 所示。（a）直線調(diào)節(jié)閥 （b）等百分比調(diào)節(jié)閥 圖 4-15 串聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥工作流量特性 由圖可見，當(dāng) 時，管道阻力對流體的阻力損失為零，調(diào)節(jié)閥前后的流體壓差為系統(tǒng)總壓差，其工作流量特性與理想流量特性一致。隨著 s 的減小，管道阻力損失增加，調(diào)節(jié)閥前后壓差減小，使閥門全開時流量減小，可調(diào)范圍變窄。另外，流量特性曲線發(fā)生畸變，使閥門在大開度時靈敏度下降，小開度時調(diào)節(jié)不穩(wěn)定。圖 4-15（a）中隨著s的減小，流量特性由直線變成曲線，并趨于快開

25、特性，圖 4-15（b）中的等百分比流量特性趨于直線流量特性。實(shí)際工作中，一般希望 s 大于 0.4。 1s 工程設(shè)計(jì)中，一般是根據(jù)控制系統(tǒng)要求，確定工作流量特性，并根據(jù)流量特性的畸變程度確定理想流量特性。 （2） 調(diào)節(jié)閥與管道并聯(lián)的工作情況 調(diào)節(jié)閥除了與管道設(shè)備串聯(lián)工作之外，考慮到可能的手動操作或者維修的需要，往往也與管道設(shè)備并聯(lián)工作，即在調(diào)節(jié)閥兩端并有旁路閥，如圖 4-16 所示。 圖4-16 調(diào)節(jié)閥與管道并聯(lián)的情況 由圖有： ，其中 為調(diào)節(jié)閥流量， 為旁路流量。當(dāng)并聯(lián)管道兩端的壓差 一定時，定義： 12QQQ1Q2Qp1maxmaxQxQ其中， 為閥門全開時的流量， 為總管道最大流量。當(dāng)

26、 x 在 之間取不同值時，直線調(diào)節(jié)閥的相對開度與相對流量之間的關(guān)系、等百分比調(diào)節(jié)閥相對開度與相對流量之間的關(guān)系曲線如圖 4-17(a)（b）。 1maxQmaxQ(1, 0) 從圖中可以看出， 時，表示旁路閥關(guān)閉，調(diào)節(jié)閥的工作流量特性與理想流量特性一致。隨著旁路閥的逐步打開， x 的值逐步變小，調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍下降，調(diào)節(jié)能力降低。一般認(rèn)為旁路流量不應(yīng)超過總流量的 20%，即 x 不應(yīng)低于 0.8。 1x （a）直流調(diào)節(jié)閥 （b）等百分比調(diào)節(jié)閥 圖 4-17 并聯(lián)管道調(diào)節(jié)閥工作特性 從前面調(diào)節(jié)閥分別與管道和其他設(shè)備的串并聯(lián)工作流量特性看，可以歸納為兩點(diǎn)： 1) 調(diào)節(jié)閥與管道的串聯(lián)或并聯(lián)，均使調(diào)節(jié)

27、閥的理想流量特性發(fā)生畸變，調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍變窄，并聯(lián)的情況比串聯(lián)的情況更嚴(yán)重。 2) 調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力降低。調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)時，系統(tǒng)總流量減少；調(diào)節(jié)閥與管道并聯(lián)時，雖然系統(tǒng)總流量增加，但閥對流量的調(diào)節(jié)能力卻被削弱。 4.2.4 調(diào)節(jié)閥的輔助機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥的輔助機(jī)構(gòu) 1. 電氣轉(zhuǎn)換器 在很多工作現(xiàn)場,由于防火防爆的需要,往往選擇氣動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器。實(shí)際中，控制器的輸出一般為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號,而選用氣動調(diào)節(jié)閥則需要將標(biāo)準(zhǔn)的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)?.020.1MPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。于是，電-氣轉(zhuǎn)換器的作用是將電動控制器的輸出電信號變?yōu)闅鈩有盘?，去?qū)動氣動調(diào)節(jié)閥，此時常用電-氣閥門定位器，它具有電-氣轉(zhuǎn)換和氣動閥

28、門定位器雙重作用。此外，電-氣轉(zhuǎn)換器也可將電動變送器送來的電信號變?yōu)闅庑盘?，送到氣動控制器或氣動顯示儀表。 力平衡式電氣轉(zhuǎn)換器原理如圖 4-18 所示。它由：1-杠桿、2-線圈、3-擋板、4-噴嘴、5-彈簧、6-波紋管、7-支架、8-配重塊、9-背壓室和10-氣動放大器等組成。 電氣轉(zhuǎn)換器是按力矩平衡原理工作的。當(dāng)控制器的輸出電流 I 進(jìn)入線圈后，由于線圈在永久磁鐵中,于是產(chǎn)生引力，使杠桿左端下移，并帶動安裝在杠桿上的擋板靠近噴嘴，改變擋板與噴嘴之間的間隙。噴嘴、擋板和背壓室在這里可看作一種位移-氣壓變換環(huán)節(jié),它將擋板對于噴嘴的微小位移,靈敏地變?yōu)闅鈮捍笮?。顯然，輸入電流越大，引力也越大，擋板

29、越靠近噴嘴,氣阻增大，背壓室壓力增大，輸出氣壓增大。由于背壓室輸出的壓力信號的功率較小，不足以推 圖 4-18 電-氣轉(zhuǎn)換器原理圖 動閥門啟閉，所以需要?dú)鈩臃糯笃鬟M(jìn)行放大,輸出壓力 p。它一方面去往調(diào)節(jié)閥,操縱閥的開度，另一方面作用于波紋管,對杠桿形成向上的反饋力。該力對支點(diǎn)形成的力矩與線圈通電產(chǎn)生的電磁力矩最后達(dá)到平衡,這是一種閉環(huán)負(fù)反饋機(jī)制。于是，輸入電流 I 與輸出壓力 p 之間形成了一種成比例的關(guān)系,即正比關(guān)系。輸入電流 I 的大小，決定了擋板接近噴嘴的距離，而這個距離又決定了輸出氣壓的大小，氣壓的大小最終決定閥門的開度。 圖 4-18 中的彈簧用于調(diào)整輸出零點(diǎn)，配重塊用來平衡杠桿，波

30、紋管安裝位置的左右移動可以調(diào)整量程。 2. 閥門定位器 閥門定位器是氣動執(zhí)行器的附件，根據(jù)需要選擇使用。它被用來改善調(diào)節(jié)閥的定位精度、提高調(diào)節(jié)閥靈敏度.其作用主要有： （1）克服閥桿的摩擦、消除調(diào)節(jié)閥不平衡力的影響，確保閥門位置按控制器輸出信號準(zhǔn)確定位。這特別適合高壓差、大口徑及含有固體懸浮物的介質(zhì)或粘性流體； （2）克服氣壓信號的傳遞滯后性，使其具有比例特性，即改善調(diào)節(jié)閥的動態(tài)性能； （3）通過改變閥門定位器反饋凸輪幾何形狀，可改變調(diào)節(jié)閥的流量特性。 閥門定位器目前可分為：氣動閥門定位器、電氣閥門定位器和智能閥門定位器幾種。其中電氣閥門定位器具有電氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器的雙重功能，應(yīng)用最為廣泛

31、。 圖 4-19 為電氣閥門定位器結(jié)構(gòu)圖，它可實(shí)現(xiàn)輸入電流對調(diào)節(jié)閥閥桿位移的直接轉(zhuǎn)換。圖 4-19 電氣閥門定位器 4.2.5 調(diào)節(jié)閥的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇 1. 結(jié)構(gòu)選擇 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)形式的選擇，首先應(yīng)考慮流體特點(diǎn)和現(xiàn)場情況，如粘度、腐蝕性、毒害性等，其次是考慮工藝條件，如流量、壓力、配比、溫度等特性，再則是考慮流過調(diào)節(jié)閥的最大流量、最小流量和正常流量，以及正常流量狀態(tài)時閥兩端的的壓降，最后，根據(jù)安全性、技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兼顧的原則，選擇調(diào)節(jié)閥。 來自控制器的電流 I 在磁場中產(chǎn)生力，使杠桿繞支點(diǎn) O 順時針轉(zhuǎn)動，帶動擋板靠近噴嘴，使背壓增大，經(jīng)氣動放大器放大后，推動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)使閥桿下移，操縱閥門開

32、閉。同時，閥桿的移動通過連桿和反饋凸輪，拉伸反饋彈簧，使杠桿繞支點(diǎn)向逆時針方向偏轉(zhuǎn)。閥桿移動越多，彈簧拉伸越長，直至與電磁力矩平衡為止。此時，閥桿的位置（即閥門的開度）由輸入電流 I 穩(wěn)定地確定下來了。與電氣轉(zhuǎn)換器相比，這里增加了連桿、反饋凸輪、反饋彈簧等機(jī)構(gòu)，這些對于穩(wěn)固閥桿位置、改善閥芯的定位精度，起到了重要的作用。 一般來說，普通介質(zhì)優(yōu)先選用直通單座閥或直通雙座閥，直通單座閥適宜于泄漏量要求小、閥門前后壓差小的場合，直通雙座閥適用于對泄漏量要求不高、閥門前后壓降較大的情況，但不適用于高粘度或者混有懸浮顆粒物的流體；濃濁漿液和含懸浮顆粒的流體，以及在大口徑、大流量與低壓降的場合，可選碟閥；

33、高粘度、含懸浮顆粒、纖維以及含毒和強(qiáng)腐蝕的流體可選隔膜閥；高壓流體可選高壓閥。 2. 氣開式與氣閉式選擇 當(dāng)氣體壓力信號增大時，閥門開度也加大，稱此類調(diào)節(jié)閥為氣開式調(diào)節(jié)閥；當(dāng)氣體壓力信號增加時，閥門開度減小，稱這類調(diào)節(jié)閥為氣閉式調(diào)節(jié)閥，或稱氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥。實(shí)際中，調(diào)節(jié)閥氣開式或氣閉式的選擇是根據(jù)過程生產(chǎn)中的安全和工藝要求來考慮的。即當(dāng)氣源意外中斷時，調(diào)節(jié)閥所處的狀態(tài)，應(yīng)保證工作人員和設(shè)備的安全，以及加工原料不浪費(fèi)。 例如，加熱爐燃料控制應(yīng)采用氣開式調(diào)節(jié)閥，即當(dāng)信號中斷時，閥處全關(guān)閉狀態(tài)，切斷燃料進(jìn)入爐膛，使設(shè)備不因爐溫過高而出事故；鍋爐進(jìn)水調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣關(guān)式，因?yàn)楫?dāng)氣源中斷時，閥門是開的，仍有水進(jìn)

34、入鍋爐，不會產(chǎn)生燒干鍋爐的事故。 3. 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般調(diào)節(jié)閥流量特性選擇需兼顧控制質(zhì)量、工藝配管和負(fù)荷變動三個方面。 （1）調(diào)節(jié)閥所處的位置是在廣義被控過程中，被控過程隨著控制的需要（如改變負(fù)荷，抵御干擾等），其放大系數(shù)也處在變化之中，為保持控制系統(tǒng)具有良好的品質(zhì)，應(yīng)使放大系數(shù)維持不變，此時可通過選擇調(diào)節(jié)閥的非線性補(bǔ)償這種變化。比如，隨著負(fù)荷增大而減小過程放大系數(shù)時，可選擇隨負(fù)荷增大而增大放大系數(shù)的調(diào)節(jié)閥，于是兩者可互補(bǔ)，維持廣義對象放大系數(shù)基本不變。從而避免影響控制性能。事實(shí)上，等百分比閥就具有這種特性,因而被廣泛采用。 （2）由于調(diào)節(jié)閥總是要與管道和設(shè)備聯(lián)接的，而配管

35、將引起閥的理想流量特性產(chǎn)生畸變。所以，實(shí)際中先根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)確定調(diào)節(jié)閥的工作流量特性，然后根據(jù)配管情況選擇閥的理想流量特性。這樣的工作程序?qū)⑹沟盟x的調(diào)節(jié)閥更符合實(shí)際要求。表 4-2 為不同閥阻比 s 下（反映配管狀況）調(diào)節(jié)閥的流量特性，可供選擇時參考。 表表4-2 不同閥阻比下的調(diào)節(jié)閥流量特性不同閥阻比下的調(diào)節(jié)閥流量特性閥阻比S =10.6S =0.60.3閥工作流量特性直線拋物線等百分比直線拋物線等百分比閥理想流量特性直線拋物線等百分比等百分比直線等百分比 由表可知，在閥阻 s 比較大時，閥的工作流量特性畸變小，這對于調(diào)節(jié)來說是好事，但調(diào)節(jié)閥上的壓差損失大，消耗動力。一般選?。簊 為 0.3

36、0.5，高壓系統(tǒng)，考慮節(jié)省動力，可選 s 0.3，介質(zhì)為氣體時，由于阻力損失小，可取 s0.5。 （3）當(dāng)負(fù)荷變化較大時，應(yīng)選等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥。因?yàn)槠湔{(diào)節(jié)閥放大系數(shù)隨閥門行程增大而增大，流量相對變化恒定，此時不宜選用直線流量特性的調(diào)節(jié)閥；當(dāng)調(diào)節(jié)閥經(jīng)常處在小開度時，由于直線調(diào)節(jié)閥流量變化率較大，精準(zhǔn)性差，所以往往選等百分比調(diào)節(jié)閥。 4. 調(diào)節(jié)閥的口徑選擇 在過程控制的設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)閥的選取是一個難以回避的問題，而調(diào)節(jié)閥的選取主要是流通能力，或者調(diào)節(jié)閥口徑的選取，即單位時間內(nèi)流過一定口徑閥門的流量。選擇是否合適，關(guān)系到工藝操作是否正常、產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量的問題。這里有兩種極端情況是值得注意的：一是調(diào)節(jié)閥的口徑選得太小，即使是閥門全部打開，也滿足不了工藝需要；二是調(diào)節(jié)閥的口徑選得過大，閥經(jīng)常工作在小開度狀態(tài)，調(diào)節(jié)效果不佳。 下面先看看流量與哪些量相關(guān)，然后引出流量系數(shù)的概念。 由流體