电磁阀选型与控制

电磁阀选型与控制电磁阀的关注熟悉、正确选用是热工自动化设计的一项基础工作。文中介绍了电磁阀的分类、流通能力的计算乃至其选型，并对电磁阀的控制提出一些个人见解。电磁阀是电厂热工自动化中应用相当广泛的设备之一。它可以用来控制一定压力下的某些工质在管道中的自动通断，成为特定的执行器，如锅炉的燃油快关阀、汽轮机组调速保安系统油路上的电磁滑阀、给水泵组密封水管路的切换阀以及采暖工程的热水阀等。它还可以作为气动、液动回路自动切换或顺序控制的执行元件，它就成了该气动、液动执行器的电——气、电——液执行元件，这方面的应用更为普遍。如主厂房锅炉的气动安全门、汽轮机组气动或液动的抽汽逆止门等都是由电磁阀控制通向操作装置的气路、液(水)路的通断来完成其开关动作的，辅助车间及其系统众多气动执行机构的自动控制也离不开电磁阀这一设备。再如，过去在锅炉各段烟道压力的常规检测中也使用过电磁阀切换做到一台表计的多点测量。可见，电磁阀在电厂热工测量、控制及保护联锁上都是一项基础元件设备，对电磁阀的关注熟悉、正确选用乃是热工自动化设计的一项基础工作。基于此，本文着重讨论电磁阀在选型与控制上的一些问题，有些见解仅是笔者一家之言，期盼同仁指正。1电磁阀的结构原理及其分类1．1电磁阀的结构原理电磁阀的结构并不复杂，它由两个基本功能单元组成，一是电磁线圈(电磁铁)和磁芯，另一是滑阀，即包含数个孔的阀体。电磁线圈带电或失电时，磁芯的运动导致工质流体通过阀体或被切断。上述用来在工艺管道中直接通断的作为特定执行器的电磁阀，电磁线圈带电时，磁芯直接开启常闭阀的孔或关闭常开阀的孔，阀门能从0(无压差)至其最大额定压力间开启或关闭。而上述用来在气动、液动执行器充当执行元件的电磁阀，则要借助动力源(压缩空气、有压头的水或油等液体)来操作电磁阀上的先导孔和旁通孔。电磁线圈带电时，磁芯开启先导孔，通过阀的出口消除膜片或活塞顶部的压力，且将其推离主孔，阀门得以开启。电磁线圈失电时，先导孔关闭，动力源的压头通过旁通孑L作用于膜片或活塞顶部而产生阀座力，阀门得以关闭。这是因为受这些执行机构控制的工艺阀门一般口径都较大，要求执行机构接受动力源的压头也大(如DNl50及以上的气动隔膜阀、气动蝶阀的操作压力》0．5MPa)，则传递动力源的电磁阀的孑L尺寸及工质流体压力势必也要大，只有将电磁线圈做大才足以开启电磁阀来传递执行机构所需的动力源。为了解决这一矛盾，保持电磁线圈的小尺寸，就不再使用磁芯直接启闭阀体孔的直接操作的(直动式)电磁阀，而改用磁芯启闭先导孔的导向操作的(先导式)电磁阀。1．2电磁阀的分类电磁阀的分类无定式，随分类方式不同而异，详见下表。实际上，上表并不能涵盖所有电磁阀的种类。如两通、三通直动式及单电控两位四通、五通(五个接口)电磁阀还有电脉冲控制的，电磁线圈非连续带电，而用磁闪锁控制。还如不同于两个电磁线圈控制的“双稳”先导式电磁阀，另一种“双稳”先导式电磁阀是由双外部压力源控制的(先导式要有压力源，丽一种说得更确切，是由电磁线圈及主压力源控制)，已无电气部件——电磁线圈。再如由两个电磁先导阀、一个滑阀及其连接体组成的三位三通、三位五通电磁阀。这些或应用相对较少，或仅是一个滑阀，就不再列入分类表内。电厂热工自动化设计中，应用最多的是两通直动式、先导式电磁阀及两位三通、四通、五通(五个接口)先导式电磁阀。两通直动式、先导式电磁阀可作为工艺管道控制工质通断的截止机构。两位三通、四通、五通先导式电磁阀用得更多的是空气操作的、，即工质流体为仪用压缩空气。三通用于控制单作用气缸执行机构、气动薄膜执行机构、气动调节阀等；四通用于控制双作用气缸及其他气动执行机构，带有活塞式执行机构的调节阀等；五通用于控制双作用气缸完成气路自动切换，驱动某些阀门装置，如一些汽包炉用气缸控制的炉底渣斗排渣门等。1．3电磁阀的图形符号下表列出常用的电磁阀的图形符号，比较象形，借此也能看出它们之间的区别，且对阅读电磁阀厂商的选型样本或指南有所帮助。2电磁阀的主要技术参数及其选型2．1电磁阀的主要技术参数(1)电磁阀口径，分管径、通径两个不同概念。管径专指电磁阀安装方式为管道连接式时的接管口径，其实就是它的外部接口尺寸，通常都以公制螺纹或锥螺纹(mm或英寸)表示，所以有的样本干脆称为连接口尺寸。通径则指电磁阀内部通路的口径，有的样本又称为标称直径，通常以一或英寸表示。后者更是我们特别关注的主要技术参数之一，电磁阀的流通能力与它直接关联。(2)电磁阀的流通能力。电磁阀作为一种特殊的阀门，也有一个流通能力的概念。流通能力过小，作为截止机构的直动式电磁阀难以满足工艺上对控制流量的要求，作为先导式电磁阀难以在规定的时间里打开或关上受控的阀门；流通能力过大，电磁阀或其受控阀门的动作不一定理想甚至出现险情，且造成选型设备上的浪费。电磁阀流通能力的表达式与其他阀门，如调节阀的计算公式一样，有我们之所以未将上述参数加以更细的限定以及列出它们的量纲单位，原因就在于电磁阀的生产厂商对此并未规范统一，只能随其所定选算。如流量Q通常都应指体积流量，极少数的(如ASC0的蒸汽电磁阀)选算时使用的却是质量流量。而量纲单位各用各的，甚至有些混乱。国产电磁阀已经使用了国际单位制(SI)的基本单位及其导出单位，而进口电磁阀除了使用能以国际单位表示的某些通用单位(如英寸、磅、华氏度等)外，尚使用英美制一些常用单位(如巴、加仑等)，这在电磁阀的具体选算时再予介绍。从上式中，我们可以清楚地看到，电磁阀流通能力的定义即是其阀进出口压降为1个压力单位时所通过的水量(γ为1个密度单位)。有些制造厂商又将电磁阀流通能力称作流量系数、流量因子等。根据工质流体的流量及此时阀两端压降，以及流体的比重计算出所需电磁阀的流，通能力，便可从制造厂商的选型样本中找出适当通径的电磁阀。(3)电磁阀的操作压差。电磁阀压差即是上式中的压降ΔP，操作压差则是电磁阀能安全操作运行的压降ΔP，所以有的也称作允许压差。操作压差的最大值、最小值又分别称为最大、最小操作压差，电磁阀选型样本上都有这一具体参数值，或者把他们列为压力范围的起始和终结值。显然，当电磁阀入、出口压力过大于其能承受的最大操作压差时，电磁线圈对阀体通路控制的安全性将不被保证。在出口压力未知时，不妨将阀人口压力，即供给压力视为最大压差与电磁阀的最大操作压差比较是最为安全可取的。最小操作压差是指阀门开启或保持开启所需的最小压差。对两通先导式电磁阀，最小操作压差即是(ΔP)min；对三通、四通先导式电磁阀，最小操作压差即是压力口及排压口的压差。从前述电磁阀分类中可知，直动式、悬挂式膜片或活塞结构的电磁阀是无需最小操作压差的。我们来看一下需要最小压差的电磁阀，在不满足时的动作情况。对浮动式膜片或活塞结构的两通先导阀，当低于最小压差时，电磁阀将关闭；对同样结构的三通、四通先导阀，当低于最小压差时，电磁阀将不能在开启或关闭间作转换。这就是工程设计时，烟道压力测量的多点切换不能使用先导阀而要选用直动阀的缘故，也是三通、四通先导阀的进压(如供气管)及排压(如排气管)接管处不能有缩口等障碍而须是全通径的缘故。至于流量控制器等选择件只能安装在电磁阀的气缸接口，而不能安装在压力口。(4)电磁阀的动作时间，指电磁阀开启、关闭转换的时间。它与电磁阀的操作形式(如气动还是液动等)、动作形式(如直动还是先导阀等)、结构尺寸(如膜片还是活塞结构及其尺寸大小)、供电种类(如直流还是交流)以及工质流体压力、温度等诸多因素有关。通常情况下，空气操作，即气动交流阀的时间：直动阀小口径5-l0ms，大口径20—40ms；先导阀小膜片15—50ms，大膜片50—75ms；先导阀小活塞75—lOOms，大活塞100—150ms。液体操作，即液动交流阀，小口径直动阀也维持在5—lOms之间，但大口径直动阀及各种先导阀则会比相对应的气动电磁阀各增加50—100％的动作时间。直流阀的动作时间又比相应的交流阀长50％。而双电控的换向时间又要比单电控长100％及以上。不管怎么说，电磁阀的动作时间是瞄级的，完全能满足热工自动化对过程控制的时间要求。至于有些电磁阀对切换(转换)频率的限制(单电控允许切换的频率要比双电控高)，在自动控制上也不存在问题。(5)电磁阀功率(功耗)。电磁阀选型样本上都有功率(功耗)这项参数，这种额定功率对交流、直流阀指的均是保持伏安值，即电磁阀保持开启或关闭位置时要求电磁线圈带电的功耗。对交流阀，还有一个起动伏安值，即电磁阀在开启及关闭间转换时要求电磁线圈带电的功耗，这在供电回路设计时应予关注。(6)电磁阀的允许泄漏量。电磁阀作为一种通断工质流体的阀门，也存在一定的泄漏，不过这种泄漏并不象调节阀那么明显，产生的负面影响也不明显。(7)电磁阀的工作制。一般地说，电磁阀应能连续运行，电磁线圈应能连续带电而无过热或事故危险。同时环境温度将与电磁线圈温升直接迭加，制造厂商已作充分考虑，将与电磁线圈的温度极限以及绝缘等级相适应，做到100％的工作制。(8)电磁阀的环境要求。如电磁阀工作的环境温度、相对湿度等，电磁阀的外壳密封性有室内(机柜内)、室外防水防尘等类型，防护等级分别可达IPI0、IP65(67)，另有本安防爆型。2．2电磁阀通径的选算从前述已知，电磁阀通径的选算要解决的就是电磁阀流通能力的计算。我们可以通过电磁阀制厂商在其选型样本上设计资料所列的公式及图表曲线，根据已知的参数条件进行，最终请制造厂商确认。当然也可以向制造厂商提出要求由其帮助选型，如目前流量测量节流件差压值的计算基本上都交由制造厂商完成。下面就结合具体制造厂商的设计资料作简要介绍。(1)原Honeywell公司的Lucifer电磁阀对液体工质，有流量因子KV=Q／(ΔP/γ)1/2。式中参数物理量含义见前述，这里只列出它们的单位，括弧内是与国际单位制基本单位或导出单位的换算，下同。Q：1／min(1L=103cm3)；Δp：bar(1bar=1．019716Kg／cm2)；γ：Kg／dm3(1Kg／dm3=1×10-3Kg／dm3)；KV：1／min。对气体(空气)工质，流量因子被定义为传导c，有C=Q／[P1KTWr空气／γ气体]。式中，Q：dm3／s；Pl：电磁阀入口压力，bar；KT：温度校正系数，无量纲；γ：Kg／dm3；w：电磁阀出口压力P2与人口压力P1比值的函数，无量纲；C：dm3／S·bar。Honeywell公司在这里引入了b=P2′/P1′这一临界压力比的概念，P2′、P1′分别为流体由于其截面及方向发生快速变化而产生阻塞流时的出、入口压力。b与阀体内部结构有关。当P2／P1≤b时，P2／P1的函数w=1，Q=CP1KTγ空气／γ气体，它说明气体(空气)工质经过电磁阀阀体节流孔速度突然增加，压力骤然下降以致P2／P1小到某一值(b)，此后流量不再随压差的增加而增加，如阻塞一般。如果这种气体就是常温(20℃)下的空气，则Q=CP1或C=Q／P1，即空气传导的定义就是其通过电磁阀发生阻塞流时的流量与入口压力的比值。比时流量与出口压力无关，而正比于人口压力。气体(空气)工质经过电磁阀阀体节流孔呈自由流动，P2／P1b，w≠1，Q=CP1KTWγ空气/γ气体。如果这种气体就是常温下的空气，则Q=CP1TTw或C=Q／P1KTw。电磁阀能获得理想节流孔的临界压力比理论值约为0．528，实际情况是在0．25至0．45之间。不言而喻，电磁阀运行的就是在工质流体自由流动时的工况。Lucifer电磁阀的选算可不经公式计算，而通过厂商提供的(液体、气体)计算图表用已知参数值的连线的交叉点查得。对液体工质，已知Q、ΔP及γ查KV。在液体流量计算图表上，Q与ΔP标尺已知值的连线延长后与辅助线相交一点，该点与γ厂标尺已知值的连线将与KV标尺相交，此点的KV值即是最终结果。对气体(空气)工质，已知Q、P1、P2、t(℃)及γ查C。在气体流量计算图表上，第一步先从w与P2／P1的函数曲线上查得w(w坐标上的某点)，第二步该点w与t标尺已知值连线与辅助线Ⅲ相交一点，第三步该交点与γ标尺已知值连