化工仪表与自动化第5章执行器

1、5.1概述5.2执行机构构5.3调节机构构5.4执行器的的选择第五章执行器1.作用：接受来自自控制器器的控制制信号，改变操操纵变量量流量，使测量量值保持持在给定定值或一一定范围围内相当于人人工控制制中执行行大脑命命令的手手的作用用。5.1概述2.重要性直接与介介质接触触，是薄薄弱环节节，和调调节质量量密切相相关。工工作在高高温、高高压、腐腐蚀、振振动等恶恶劣环境境中，需需要有足足够的功功率以影影响生产产过程。3.种类根据控制制参数不不同,分为：调节阀Control Valve（最常见见）:通过改变阻力力元件的的阻力来来改变流体体流量风门Damper：通过改变变挡板角角度改变变气体流流量步进电机

2、机Step Motor：将电脉冲冲转化为为角位移移的执行行机构变频调速速器Variable-frequencegovernor：控制动动力源的的转速来来改变流流量5.1概述4.结构从结构功功能上分分：执行结构构（ValveActuator）：是执行器器的推动动装置，按控制制器送来来的操纵纵信号产产生相应应的直线行程程或转角行程程调节机构构（ValveBody）：是执行器器的调节节部分，在执行行机构推推理作用用下，调调节机构构产生一一定的位位移或转转角，改改变管道道阻力，实现对对流量的的控制5.1概述5.1概述5.2执行机构构5.2.1分类5.2.2气动薄膜膜执行机机构5.2.3电动执行行机构5

3、.3调节机构构5.4执行器的的选择第五章执行器1.按其能源源形势可可分为：（1）气动（pneumatic）以压缩空空气(0.14MPa)为能源。输入信信号范围围:0.020.1MPa特点：结构简单单、动作作可靠、平稳、输出推推动力大大、维修修方便、防火防防爆，价价格便宜宜。得到到广泛应应用。利用电/气转换器器(I/PConvertor)420mA20100KPa（315PSI）或阀门定位位器(Valvepositioner)与电动仪仪表配用用（2）电动（electricmotor）靠伺服机机构带动动，接受受电信号号，易于于电动仪仪表配用用，功率率大，易易燃易爆爆场合需需防爆（3）液动（hydr

4、aulic）以液压为为能源、功率大、准确到到位；结结构复杂杂、维护护要求高高，只能能在某些些特殊场场合。如：炼厂厂催化裂裂化装置置中催化化剂的流流量控制制（待生生滑阀、再生滑滑阀）（4）自力式（self-operated）利用被调调介质能能量来动动作的。5.2.1分类2.按结构分分：薄膜式(flexiblediaphragm)常用，可可与各种种形式的的直行程程阀配用用。结构构简单、价格便便宜、动动作可靠靠、维修修方便。输出作作用力小小活塞式(piston)气缸活塞塞机构，输出力力大、行行程长（400mm）。两位位式，主主要用作作大口径径、高静静压、高高压差的的直行程程阀和蝶蝶阀的推推动装置置，

5、是一一种强力力的气动动执行机机构。长行程式式行程长、转矩大大，多与与大转矩矩的蝶阀阀、闸阀阀、风门门等角行行程阀配配用。5.2.1分类5.2.2气动薄膜膜执行机机构1.结构上膜盖、波纹膜膜片、下下膜盖、支架、推杆、压缩弹簧簧、弹簧簧支座、调节件件、螺母母、行程程标尺波纹膜片片关键部件件波纹状以以保持有有效面积积基本保保持不变变，提高高执行机机构的线线性度膜片有效效面积有有200，280，400，630，1000和1600cm2有效面积积越大，执行机机构的推推动力越越大5.2.2气动薄膜膜执行机机构1.结构压缩弹簧簧刚度全行行程范围围内保持持不变，以提高高执行结结构的线线性度调节件调整弹簧簧支座

6、的的位置，从而调调整压缩缩弹簧的的预紧量量，改变变信号的的起始值值行程标尺尺指示执行行机构的的推杆位位移行程规格格：10，16，25，40，60和100mm六种压缩弹簧弹簧支座推杆2.作用：控制信号号（20100KPa）作用在在由上膜膜盖与波波纹膜片片组成的的气室中中，在波波纹膜片片中上产产生向下下的推力力，克服服压缩弹弹簧的弹弹力使其其产生向向下的行行程。推推杆行程程传递给给调节机机构。3.工作原理理：膜片受力力分析：F信信号压力力在膜片片上产生生的推力力：Po薄膜气气室内的的信号压压力Ad薄膜的的有效面面积F0无信号时时弹簧的的预紧力力F弹弹簧受压压后在膜膜片上产产生的反反作用力力推杆位位

7、移；Cs弹簧刚刚度PF信F0F弹5.2.2气动薄膜膜执行机机构PF信F0F弹3.工作原理理：膜片受力力分析：根据力平平衡关系系：可得：结论：无负载时时，线性性；有负负载时无无法达到到预定行行程5.2.2气动薄膜膜执行机机构4.正反作用用：正作用（Direct-Acting）信号由薄薄膜气室室上方通通入信号：20100KPa推杆：0全行程程反作用（Reverse-Acting）信号由薄薄膜气室室下方通通入信号：20100KPa推杆：全全行程05.2.2气动薄膜膜执行机机构POPO5.2.3电动执行行机构接收420mA操纵信号号，通过过控制电电动机的的正、反反转产生生推杆的的直行程或角行程直行程电

8、动执行机构角行程电动执行机构5.1概述5.2执行机构构5.3调节机构构5.3.1结构5.3.2种类5.3.3调节机构构的性能能指标5.3.4调节机构构的工作作性能指指标5.4执行器的的选择第五章执行器165.3.1结构主要部件件：阀杆杆、压板板、填料料、上阀阀盖、阀阀体、阀阀芯、阀阀座、下下阀盖上阀盖(Bonnet)导向、密密封填料(Packing)防止流体体沿阀杆杆向上泄泄露针对不同同流体分分为：普通型散热型（高温）长颈型（深冷）波纹管密密封型（有毒气气体）5.3.2种类按阀芯动动作不同同分为：直行程程和角行行程直行程（Sliding-stem）：阀杆带动动阀芯沿沿直线运运动直通单座座阀、直

9、直通双座座阀、角角型阀、套筒阀阀、隔膜膜阀、三三通阀等等角行程两两大类：阀芯按转转角运动动蝶阀、球球阀、偏偏心旋转转阀等闸阀(Gate valve)隔膜阀阀（Diaphram valve)蝶阀（Butterfly Valve）球阀（Ball Valve）1.直通单座座阀(Singleported globe valve)直通：出出入口在在同一条条直线上上（相对对角型和和三通调调节阀）结构：阀阀体内只有一组组阀芯和和阀座，流通能力力小特点：易关闭，泄漏量（阀芯压紧紧阀座后后仍能流流过的流流量）很小，不平衡衡力大（流体对对阀芯产产生的轴轴向力，即对执执行机构构的反作作用）。适用：低压差差，小口口径

10、场合合单座阀5.3.2种类18全关（full closed）半开（half open）全开（half open）1.直行程式式（1）直通单单座阀阀芯安装装阀芯正装装：阀芯芯向下移移动时，阀芯与与阀座间间的流通通面积减减少；阀芯反装装：阀芯芯向下移移动时，阀芯与与阀座间间的流通通面积增增大。5.3.2种类注：管道道口径小小于25mm时阀芯只只能正装装不能反反装2.直通双座座阀Double-ported globe valve结构：体内只有两套套阀芯和和阀座，流通能力力比同口口径的单单座阀大特点：不平衡力力小流体从两两个环形形间隙流流过，对对上、下下两个阀阀芯所产产生的轴轴向力可可以部分分抵消泄漏

11、量较较大两个个阀芯不不易同时时关闭适用：压差大大，对泄泄露量要要求不严严格的场场合。5.3.2种类不适用于于高温、低温场场合（因因材料热热膨胀不不同引起起较严重重的泄露露）3.角形调节节阀anglevalve结构：除阀体为直直角形外，其它它和直通通单座相相似特点：流道简单单，不易易堵塞，流通能能力同直直通双座座阀，阀阀芯只能能正装适用：高粘度、高压、含颗粒粒的场合合，或要要求直角角配角的的地方5.3.2种类注：一般般使用于于底进侧侧出，此此时稳定定性较好好；在高压差差场合，可采用用侧进底底出，减减轻流体体对阀芯芯的损伤伤4.三通阀（three-wayglobevalve）结构：由由三个个出入口

12、口与管道道相连，可分为为合流和和分流两两种适用：换换热器器温度控控制、简简单的配配比调节节5.3.2种类合流(mixing)分流(diverting)注：合流流阀冷热热流温差差不宜超超过150C235.蝶阀(翻板阀butterflyvalve)特点：流通能力力大（为为同口径径双座阀阀的1.52倍）；阻力损损失小；具有自洁能力力；泄漏量大适用：广泛适用用于含有悬浮浮颗粒、浑浊流流体；尤其大口径、大流量量、低压差的场合，用于调调节液体体、气体体和蒸汽汽的流量量5.3.2分类调节阀流通面积积可变的的节流元元件对不可压压缩流体体A调节阀接接管面积积；P调节阀前前后差压压；调节阀阻阻力系数数；流体密度度

13、。1.流量系数数C调节阀容容量的大大小定义：在给定开开度下，阀前、后的差差压为100kPa， 流体体密度为为1000kg/m3时，每小小时通过过阀门的的流体体体积m3，称为调调节阀在在该开度度下的流流量系数数。额定流量量系数开度100%（全开）下的流流量系数数，反应应了阀的流通通能力。5.3.4调节机构构的性能能指标2.可调比R反映调节节阀的可调节能能力定义：调调节阀所所能控制制的最大大流量Qmax与最小流流量Qmin之比注：Qmin是调节阀阀所能稳稳定有效效控制的的最小流流量，与与完全关关闭的泄泄漏量不不同，一般为Qmax的24泄漏量是是指在一一定的上上、下游游压差且且执行机机构使阀阀完全关

14、关闭(输入信号号为105Kpa)。仅为Qmax的0.10.01分为理想可调调比和实际可调调比（1）理理想可调调比阀前后压压差不变变时的可可调比一般国内内调节阀阀R=30，国外R=30505.3.4调节机构构的性能能指标26（0S1）管道和阀阀的阻力配置置情况（2）实际可可调比Rr实际串并并联管道道阀前后压压差变化化串联管道道一般取S=0.30.7进行配管管设计5.3.4调节机构构的性能能指标RrS301Rr与S的关系曲曲线27（0X1）旁通阀对流量的的影响（2）实际可可调比Rr实际串并并联管道道阀前后压压差变化化并联管道道旁路流量量XRr5.3.4调节机构构的性能能指标RrQ2并联管道道实际可

15、可调比曲曲线注：实际际使用时时应尽量量避免打打开旁通通阀28例:已知Qmax=100m3/h，R=30。流体密度度为1g/cm3阀全关到到全开时时，由于于串联管管道的影影响，若若不考虑虑阀的泄泄漏量的的影响，阀两端端的压差差从100kPa降到60KPa。计算S。并分析析串联对对可调比比的影响响解:S=60/100=0.6Qmin=Qmax/R=100/30=3.33m3/hR=Qmax/Qmin=23.265.3.3调节机构构的性能能指标（2）实际可可调比Rr主要有四四种：1.快开2.直线3.抛物线4.等百分比比（对数）5.3.3调节机构构的性能能指标3.流量特性性(1)定义：表表示调节节阀相

16、对对行行程程与流过过的相对对流量之之间的关关系Q/Q100相对流量量l/L相对开度度固有特性性，由阀阀芯的形形状决定定(2)理想流量量特性：阀前后流流量不变变时的流流量特性性。直线:等比分比比：特点：小小开度过过于灵敏敏，特点：任任何开度度下相对对灵敏度度相同大开度过过于迟钝钝有利于系系统稳定定，使用用最广抛物线：快开：特点：介介于直线线与等百百分比之之间（如如三通阀阀）特点：适适用于迅迅速启闭闭的主要为弥弥补直线线特性在在小开度度时性能能差设计计位式或程程序控制制5.3.3调节机构构的性能能指标31例:已知Qmax=100m3/h，R=30。试计算在在理想情情况下l/L=0.1,0.2, 0

17、.8,0.9时的流量量Q，并比较较直线和等百分比比流量特性性的控制制阀在小小开度与与大开度度时流量量变化的的情况.解: 1.直线Q0.1=13m3/hQ0.2=22.67m3/hQ0.8=80.57m3/hQ0.9=90.33m3/h0.10.2Q相对变化化量75.4%；0.80.912%（小开度时时：控制制强，振振荡大开开度，控控制弱，不及时时）2.等百分比比Q0.1=5.68m3/hQ0.2=6.58m3/hQ0.8=50.65mQ0.9=71.17m3/h0.10.2Q相对变化化量40%；0.80.940%（小开度度时：变变化小,平缓大开开度，变变化大，灵敏使使用最广广!）5.3.3调节

18、机构构的性能能指标（2）理想流流量特性性:（3）工作流流量特性性串联管道道调节阀开开度阀前、后压差差流量特性性发生畸畸变当S1时，S愈小畸变变愈严重重。与旁路阀阀并联和和X值有关S=0.1S=0.5S=1直线S=0.1S=0.5S=1等百分比5.3.4调节机构构的性能能指标33结论：（1）串、并联联管道均会使理想流量量特性发生畸变；畸变程度度取决于于S和X值。（2）串、并联联管道均会使调调节阀可调比下降。为保证控制质量量，尽可能不使用旁路阀或串联截止止阀调节流量量 5.3.3调节机构构的性能能指标5.1概述5.2执行机构构5.3调节机构构5.4执行器的的选择5.5.1执行器气气开、气气关特性性

19、的选择择5.5.2执行结构构的选择择5.5.3调节机构构的选择择第五章执行器执行机构构调节机构构正作用正装气（风）关正作用反装气（风）开反作用反装气（风）关反作用正装气（风）开1.什什么是气气动执行行器的气气开气关关选择？气开：AirtoOpen(FailuretoClose)气关：AirtoClose(FailuretoOpen)5.5.1执行器气气开、气气关的选选择注：电动动执行器内部具有有掉电自自锁功能能，故断电时时能保持持原开度度不变。一般不涉涉及电开开/电关问题题365.5.1执行器气气开、气气关的选选择2.选择原则则：保证气压压中断（回零）后阀门门自动归归位到工工艺安全全位置气开（风风开）：有气则则开，无无气则关关，信号号，开开度气关（风风关）：有气则则关，无无气则开开，信号号，开开度气开阀（信号号中断下下自动切切断燃料料）若防止液液位过低低,气开阀5.2.2气动薄膜膜执行机机构385.5.2执行结构构的选择择考虑因素素：能源源、工艺艺要求、安全、调节精精度、经经济效益益及现场场情况等等一般来说说：气动便宜宜，