化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第11章

化工仪表及自动化第十一章执行器内容提要气动执行器气动执行器的组成与分类控制阀的流量特性控制阀的选择气动执行器的安装和维护阀门定位器与电-气转换器气动阀门定位器电-气阀门定位器电-气转换器1内容提要电动执行器概述角行程电动执行机构直行程电动执行机构2概述3作用接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。按能源形式分类气动执行器电动执行器液动执行器执行器从结构来说执行机构调节机构概述气-电转换器电-气转换器电-气阀门定位器气动执行器电动执行器气动控制仪表电动控制仪表图11-1转换单元的使用简图4第一节气动执行器5结构气动执行结构控制阀一、气动执行器的组成与分类1.组成第一节气动执行器常用辅助设备阀门定位器手轮机构图11-2气动薄膜控制阀外形图6第一节气动执行器72.执行机构的分类薄膜式结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。活塞式推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。长行程行程长、转矩大，适于输出转角（60°～90°）和力矩。气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构。结构图11-3正作用式气动薄膜执行机构1—上膜盖；2—波纹膜片；3—下膜盖；4—支架；5—推杆；6—弹簧；7—弹簧座；8—调节件；9—连接阀杆螺母；10—行程标尺第一节气动执行器图11-4反作用式气动薄膜执行机构1—上膜盖；2—波纹膜片；3—下膜盖；4—密封膜片；5—密封环；6—填块；7—支架；8—推杆；9—弹簧；10—弹簧座；11—衬套；12—调节件；13—行程标尺8第一节气动执行器93.控制阀的分类根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。（1）直通单座控制阀阀体内只有一个阀芯与阀座。特点结构简单、价格便宜、全关时泄漏量少。直通单座阀缺点在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。第一节气动执行器10（2）直通双座控制阀阀体内有两个阀芯和两个阀座。特点流体流过的时候，不平衡力小。缺点容易泄漏直通双座阀第一节气动执行器（3）角形控制阀角形阀的两个接管呈直角形。特点流路简单、阻力较小，适于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。流向一般是底进侧出。11角形阀第一节气动执行器（4）高压控制阀高压控制阀的结构形式大多为角形,阀芯头部掺铬或镶以硬质合金,以适应高压差下的冲刷和汽蚀。为了减少高压差对阀的汽蚀,有时采用几级阀芯,把高差压分开,各级都承担一部分以减少损失。12第一节气动执行器（5）三通控制阀共有三个出入口与工艺管道连接。按照流通方式分合流型和分流型两种13三通阀（A）（B）（A）分流型（B）合流型第一节气动执行器14（6）隔膜控制阀采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。特点结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。不易泄漏。耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。注意执行机构须有足够的推力隔膜阀第一节气动执行器（7）蝶阀特点结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小。缺点泄漏量大。15蝶阀第一节气动执行器16（8）球阀节流元件是带圆孔的球形体（A）或是一种V形缺口球形体（B）。特点（A）转动球体可起到控制和切断的作用（B）转动球心使V形缺口起节流和剪切的作用,其特性近似于等百分比型。球阀（A）（B）第一节气动执行器（9）凸轮挠曲阀阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。特点密封性好。重量轻、体积小、安装方便，适用于要求控制和密封的场合。17凸轮挠曲阀第一节气动执行器18（10）笼式阀特点可调比大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好，更换不同的套筒可得到不同的流量特性，阀内部件所受的汽蚀小、噪声小，是一种性能优良的阀，特别适用于要求低噪声及压差较大的场合。笼式阀缺点不适用高温、高黏度及含有固体颗粒的流体。第一节气动执行器二、控制阀的流量特性控制阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即LlfQQmax19第一节气动执行器201.控制阀的理想流量特性在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。它取决于阀芯的形状（1）直线流量特性指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。KLldQQdmax（11-2）图11-6控制阀的理想流量特性(R=30)1—直线；2—等百分比(对数)；3—快开；4—抛物线第一节气动执行器21CLlKQQmax将（11-2）积分可得（11-3）边界条件：l=0时，Q=Qmin;l=L时Q=Qmax把边界条件代入式（11-3），可分别得RQQKRQQC111,1maxminmaxmin（11-4）R为控制阀的可调范围或可调比。Qmin不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是Qmax的2％～4％。注意！第一节气动执行器将式（11-4）代入式（11-3），可得LlRRQQ111max（11-5）注意：当可调比R不同时，特性曲线在纵坐标上的起点是不同的。22第一节气动执行器%100%10010102023举例当R=30,l/L=0时，Q/Qmax=0.33假设R=∞,位移变化量为10%在10％时，流量变化的相对值为在50％时，流量变化的相对值为在80％时，流量变化的相对值为%20100505060%5.12%100808090在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。第一节气动执行器24（2）等百分比（对数）流量特性等百分比流量特性是指单位相对行程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。maxmaxQQKLldQQd（11-6）CLlKQQmaxln将（11-6）积分RKRRQQCln,ln1lnlnmaxmin将前述边界条件代入)1(maxLlRQQ（11-11）第一节气动执行器25（4）抛物线流量特性之间成抛物线关系。与LlQQmax（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，随开度的增大，流量很快就达到最大。快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。第一节气动执行器26２.工作流量特性在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。（1）串联管道的工作流量特性图11-7串联管道的情形FVPPPmFnVnVnVPPPPPS工作流量特性第一节气动执行器27图11-8管道串联时控制阀的工作流量特性第一节气动执行器28（2）并联管道的工作流量特性控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀打开一些，此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。如图11-9所示，显然这时管路的总流量Q是控制阀流量Q1与旁路流量Q2之和，即Q＝Q1＋Q2。图11-9并联管道情况第一节气动执行器29以x代表并联管道时控制阀全开时的流量与总管最大流量Qmax之比，可以得到在压差Δp为一定时，而x为不同数值时的工作流量特性曲线。图11-10并联管道时控制阀的工作特性第一节气动执行器30由上图可见当x＝1，即旁路阀关闭时，控制阀的工作流量特性与理想流量特性相同。随着x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的流量特性变化不大，但可调范围大大降低了。控制阀关死，即l/L＝0时，流量Qmin大大增加。第一节气动执行器在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响，控制阀上的压差还会随流量的增加而降低，使可调范围下降得更多些，控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围更小，甚至几乎不起控制作用。采用打开旁路阀的控制方案是不好的，一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几，即x值最小不低于0.8。31第一节气动执行器32①串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。②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。③串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。④串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，串联管道时控制阀大开度时影响严重，并联管道时控制阀小开度时影响严重。结论第一节气动执行器三、控制阀的选择2102ppFQ1.控制阀的尺寸选择02FCpQC流经控制阀的流量为令代入式(11-13),得(11-13)(11-14)C称为控制阀的流量系数,它与阀芯与阀座的结构、阀前后的压差、流体性质等因素有关。33第一节气动执行器额定流量系数指在控制阀全开,阀两端压差为0.1MPa,介质密度为1g/cm3时,流经控制阀的介质流量数(以m3/h表示)。举例有一个C值为40的控制阀,表示当此阀全开,阀前后压差为0.1MPa时,每小时能通过的水量为40m3。由式(11-14)可知,当生产工艺中需要的流量Q和压差Δp决定后,就可确定阀门的流量系数C,再从流量系数C就可选择阀门的尺寸。现在,用控制阀流量系数KV代替流量系数C。34第一节气动执行器35主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。结构形式选择特性选择先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。目前使用比较多的是等百分比流量特性。2.控制阀结构与特性的选择第一节气动执行器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。选择要求压力信号增加时，阀关小、压力信号减小时阀开大的为气关式。反之，为气开式。3.气开式与气关式的选择36第一节气动执行器序号执行机构控制阀气动执行器（a）（b）（c）（d）正正反反正反正反气关（反）气开（正）气开（正）气关（反）37表11-1组合方式表图11-11组合方式图第一节气动执行器四、控制阀的安装和维护38（1）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面或楼板的地方。（2）气动执行器应安装在环境温度不高于+60℃和不低于-40℃的地方，并应远离振动较大的设备。（3）阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间应加一段异径管。第一节气动执行器（5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明，不能装反。（4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外，一般应加支撑。即使正立垂直安装，当阀的自重较大和有振动场合时，也应加支撑。（6）控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理时拆下控制阀。考虑到控制阀发生故障或维修时，不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。39第一节气动执行器40（7）控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊渣。安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀门与管道连接处的密封性能。当初次通入介质时，应使阀门处于全开位置以免杂质卡住。图11-12控制阀在管道中的安装1—调节阀；2—切断阀；3—旁路阀（8）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。第二节阀门定位器与电-气转换器一、气动阀门定位器41气动阀门定位器与气动控制阀配套使用,组成闭环系统,利用反馈原理来改善控制阀的定位精度和提高灵敏度,并能以较大功率克服阀杆的摩擦力、介质的不平衡力等影响,从而使控制阀门位置能按控制仪表来的控制信号实现正确定位。组成及作用分类定位器有正作用和反作用两种。第二节阀门定位器与电-气转换器42图11-13气动阀门定位器1—波纹管；2—主杠杆；3—量程弹簧；4—反馈凸轮支点；5—反馈凸轮；6—副杠杆；7—副杠杆支点；8—薄膜执行机构；9—反馈杆；10—滚轮；11—反馈弹簧;12—调零弹簧；13—挡板；14—喷嘴；15—主杠杆支点；16—放大器第二节阀门定位器与电-气转换器二、电-气阀门定位