哈工大的过程控制课程第四章

过程控制(processcontrol）第四章调节阀第四章调节阀§4-1气动调节阀结构§4-2调节阀的节流原理和流量系数§4-3调节阀结构特性和流量特性§4-4气动调节阀选型过程控制(processcontrol）第四章调节阀§4-1气动调节阀结构一、气动执行器的特点二、气动执行器(一)气动执行机构1.气动薄膜执行机构2.气动活塞式执行机构(二)阀1．阀的结构类型2．阀芯结构型式三、气动执行器气开和气关组合方式过程控制(processcontrol）第四章调节阀§4-2调节阀的流量系数一、调节阀的节流原理和流量系数二、流体在调节阀中的流动状态三、调节阀流量系数计算（一）一般液体的C值计算（二）高粘度液体的C值计算（三）一般气体的C值计算（四）蒸汽的C值计篡过程控制(processcontrol）第四章调节阀§4-3调节阀结构特性和流量特性一、调节阀的结构特性1.直线结构特性2.等百分比特性3.快开结构特性4.抛物线结构特性二、调节阀的流量特性1.理想流量特性2.工作流量特性过程控制(processcontrol）第四章调节阀§4-4气动调节阀选型一、调节阀结构形式的选择二、调节阀气开、气关形式的选择三、调节阀流量特性选择1.调节阀的工作特性选择2.由工作特性选择阀的理想特性四、调节阀口径的确定五、调节阀材料的选择过程控制(processcontrol）第四章调节阀第四章调节阀一、执行器在过程控制系统中的作用及组成作用：接受控制信号，控制物料流量，使过程稳定在工艺范围内，代替人工操作，实现过程的自动化。包括：气动、电动和液动。执行器由执行机构和调节机构组成，主要是执行机构不同，调节机构基本相同。执行机构：控制信号产生推力或位移的装置调节机构：根据执行机构输出信号去直接改变能量或物料输送量的装置，通常指调节阀。过程控制(processcontrol）第四章调节阀液动推力最大，电动执行器的执行机构和调节机构是可分开的两部分；气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体（气动调节阀）。角行程电动执行器气动执行器直行程电动执行器过程控制(processcontrol）第四章调节阀二、执行器分类1.执行机构1）能源：气动、电动和液动执行器2）结构形式：薄膜、活塞（气缸）和长行程执行机构2.调节阀（结构特性和流量特性）1）结构：直通单座、直通双座、三通、隔膜、蝶形、球阀、偏心旋转、套筒（笼式）2）流量特性：直线、对数（等白分比）、抛物线、快开等。过程控制(processcontrol）第四章调节阀接收标准信号，控制内部电机驱动阀门的开度来决定所要传送液体或气体的流量。阀门活动的方式不同，旋转式和直线式采用直线运动来完成该任务。带有通讯和智能控制的功能（带现场总线接口）。发展趋势和其他自动化仪表一样会越来越智能化。旋转式阀门执行器直线式阀门执行器过程控制(processcontrol）第四章调节阀一、气动执行器的特点气动执行器以压缩空气为能源，以20一100kPa气压信号为输入控制信号。具有结构简单，动作可靠，性能稳定，输出推力大，维修方便，本质安全防爆和价格低廉等待点。正确选择气动执行器和流量特性，可改善控制系统的控制质量，满足工艺过程的要求。执行器的正确选用、安装及维护等各个环节都必须重视。过程控制(processcontrol）第四章调节阀阀门定位器气动薄膜调节阀实物图执行机构阀过程控制(processcontrol）第四章调节阀附注：气动薄膜调节阀型号命名MZ第一部分第二部分尾注温度整机作用方式表示公称压力，分别以“16、40、64”表示调节阀结构形式，直通单座“P”，直通双座“N”表示执行机构的结构特征，有弹簧直程正作用“A”，有弹簧直程正作用“B”气动薄膜执行机构，以“M”表示执行器大类，以“Z”表示尾注：气开“K”，气关“B”过程控制(processcontrol）第四章调节阀气动执行机构薄膜式活塞式长行程滚筒膜片正作用反作用比例式两位式正作用反作用过程控制(processcontrol）第四章调节阀二、气动执行器气动调节阀由气动执行机构和阀两部分组成。气动执行机构是气动调节阀的推动装置，它接受输入的气压信号，产生相应的推力，使推杆发生位移，推动阀门动作。阀指与管路联接的阀体组件部分，它接受执行机构的推杆推力，改变阀杆位移，从而改变阀门的开度，最终控制阀内流体的流量变比。过程控制(processcontrol）第四章调节阀气动薄膜调节阀过程控制(processcontrol）第四章调节阀(一)气动执行机构：气动薄膜式和活塞式执行机构1.气动薄膜执行机构分为有压缩弹簧和无压缩弹簧两种，又分为正作用和反作用两种型式，国产型号为ZMA(正作用)和ZMB（反作用）。☆输入信号压力增加，推杆下移的叫正作用☆输入信号压力增加，推杆上移的叫反作用正作用可改为反作用，正作用膜头下方加上型密封圈的填块，更换个别零件，输入信号从膜头下方引入。过程控制(processcontrol）第四章调节阀（a）正作用式（ZMA型）1-上膜盖2-波纹膜片3-下膜盖4-支架5-推杆6-压缩弹簧7-弹簧座8-调节件9-螺母10-行程标尺（b）反作用式（ZMB型）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-压缩弹簧10-弹簧座11-衬套12-调节件13-行程标尺过程控制(processcontrol）第四章调节阀输出特性是比例式的，即推杆的位移变化量和输入气压信号变比量之间成线性关系。信号压力越大，薄膜上的推力越大，与其平衡的弹簧反力越大，即推杆位移越大。推杆位移就是执行机构的直线输出位移，也称行程。DN：公称通径(公称直径),就是各种管子与管路附件的通用口径。同一公称直径的管子与管路附件均能相互连接，具有互换性.不是实际意义上的管道外径或内径，虽然其数值跟管道内径较为接近或相等；过程控制(processcontrol）第四章调节阀阀门定位器气动薄膜调节阀结构简图执行机构阀公称直径DN阀座直径dn过程控制(processcontrol）第四章调节阀2）阀：1）执行机构：将气压1.各部分的作用l→阀杆位移p阀杆位移→调节流量Ql3）阀门定位器：过程控制(processcontrol）第四章调节阀FiFf过程控制(processcontrol）第四章调节阀2）阀：1）执行机构：3）阀门定位器：将气压p→阀杆位移l将阀杆位移l→调节流量Q提高控制系统精度过程控制(processcontrol）第四章调节阀2．气动活塞式执行机构活塞随两侧的压差而移动，两侧可分别输入不同的信号p1和p2，可以1个是固定信号，或两个都是变动信号。气缸操作压力允许为500kPa，因无弹簧反作用力输出推力大，适合于高静压，高压差的场合。输出持性有两位式和比例式两种。两位式根据两侧的压差而工作。压差产生推力，活塞被推向低压侧，推杆由一个极端位置到另一个极端位置。比例式带有阀门定位器工作原理要复杂些。过程控制(processcontrol）第四章调节阀气动活塞式执行机构（1-活塞2-气缸）过程控制(processcontrol）第四章调节阀带定位器的活塞式执行机构1波纹管2杠杆3功率放大器4、6上、下喷嘴5-挡板7功放8调零弹簧9推杆10活塞11气缸12反馈弹簧过程控制(processcontrol）第四章调节阀p1→波纹管→输入力矩M1→杠杆绕O逆时针偏转→挡板5靠向喷嘴4而远离喷嘴6→放大器3的P出l增加、放大器7的P出2减小→活塞10下移、反馈弹簧12对杠杆产生反馈力M2→杠杆2绕O顺时针偏转。杠杆上的输入力矩M1和反馈力矩M2相平衡时，活塞稳定在一个新的位置而不变，活塞位移量S和输入信号压力p1成比例，关系为：121pClAlSP1输入信号压力；A波纹管1的有效面积；l1、l2力臂长度；C反馈弹簧12的刚度。过程控制(processcontrol）第四章调节阀(二)阀阀下部的阀体组件，局部阻力可变的节流元件。阀芯在阀杆的推动下移动，改变阀芯与阀座间的流通面积，则阀的阻力系数变，被控介质的流量发生改变。1．阀的结构类型由上、下阀盖、阀体、阀座、阀芯、阀杆、填料和压板等组成。双导向正装直通单座1-阀杆2-压板3-填料4-上阀盖5-阀体过程控制(processcontrol）第四章调节阀（1）直通单座阀阀的公称直径DN和阀座直径dn标志着阀的规格大小。阀芯和阀杆有两种连接方法，口径较大的阀靠螺纹连接，有固定销固紧(b)所示；口径较小的阀，阀杆直接嵌入阀芯内部，用两个互相垂直的圆柱销固紧(a)所示。（a）（b）阀杆阀芯连接图过程控制(processcontrol）第四章调节阀阀有正装和反装两种。阀芯下移时流通截面减小，则称为“正装”阀；反之称为“反装”阀。♠对于DN≥25mm的阀，阀芯为双导向，所以正、反装可以互换；♠对于DN＜25mm的单座阀，阀芯为单导向，只能正装而不能反装。过程控制(processcontrol）第四章调节阀(2)直通双座阀两个阀芯和阀座，从左侧进入从右侧流出，流量系数约增大20％～30％。流体作用在上、下阀芯上的不平衡力互相抵消，不平衡力小，允许压差大。缺点泄漏量较大，流路复杂，高压差时流体对阀体内部冲刷和气蚀损伤大，不适于高粘度介质和含纤维、有悬浮颗粒的介质。1-阀杆2-压板3-填料4-上阀盖5-衬套6-阀芯7-阀座8-阀体9-下阀盖直通双座调节阀过程控制(processcontrol）第四章调节阀上、下阀盖有衬套，起导向作用，称为双导向。有双导向结构的调节机构，阀芯可以正装或反装。♠正装指阀芯下移，阀芯与阀应之间的流通截面积减小；♠反装指阀芯下移时，阀芯与阀座之间的流通截面积增大。阀芯的正装与反装1-阀杆2-阀芯3、4-阀座过程控制(processcontrol）第四章调节阀（3）蝶阀（翻板阀）与长行程执行机构相配合。由阀体、挡板、挡板轴和轴封等部分组成。特点是阻力损失小，结构简单、紧凑，使用寿命长．持别适用于低压差，大口径，大流量气体及悬浮液流体的场合。泄漏量大不易工作在小角度。蝶阀结构示意图1-阀体2-挡板3-轴封4-挡板轴过程控制(processcontrol）第四章调节阀气动蝶阀：旋转型调节阀气动薄膜直通双座调节阀过程控制(processcontrol）第四章调节阀2．阀芯结构型式分直行程和角行程阀芯两大类。（1）直行程阀芯①平板形阀芯其结构简单，加工容易，具有快开持性，可作两位式控制。②多级阀芯把几个阀芯串联在一起，起到逐级降压作用。适用于高压阀，可防止气蚀的破坏作用。平板形阀芯多级阀芯过程控制(processcontrol）第四章调节阀③柱塞型阀芯柱塞型阀芯可分为上、下双导向及上导向两种。柱塞型阀芯常见的持性有直线和等百分比两种。柱塞型阀芯过程控制(processcontrol）第四章调节阀④窗口型阀芯左边的为合流型，右边的为分流型。窗口型阀芯常见的特性有直线、等百分比和抛物线三种。⑤套筒阀芯为圆筒状，套在套筒内，在阀杆带动下作上下移动。适用于干净气体或液体的控制，是较新的一种结构。窗口型阀芯套筒阀芯过程控制(processcontrol）第四章调节阀(2)角行程阀芯旋转运动来改变它与阀座间的流通面积。☆偏心旋转阀芯(a)，用于偏旋阀。☆蝶形阀芯(b)，用于蝶阀。☆球形阀芯(c)，用于球形阀，有“O”和“v”型。过程控制(processcontrol）第四章调节阀三、气动执行器气开和气关组合方式气动调节阀的气开与气关方式是由执行机构的正、反作用和阀的正、反装相配合而实现的。输入增加阀杆下移输入增加阀杆上移阀杆下移流量减小阀杆下移流量增加过程控制(processcontrol）第四章调节阀气开指随着执行器输入信号的增大，阀的流通截面积增大；气关指随着执行器输入信号的增大，阀的流通截面积减小。实现执行器的气开或气关时有四种组合方式。（a）、（d）气关式；（b）、（c）气开式过程控制(processcontrol）第四章调节阀一、调节阀的节流原理和流量系数流体能量守恒原理得到流体在阀中的能量损失H与阀前后压差（p1