化工仪表工-讲义3

四、化工(huàgōng)控制系统中的执行器先进的现代工业是以生产(shēngchǎn)自动化为标志的，从自动化系统的发展历史和进步来看，技术工具的变革起着极为重要的作用，而执行器在调节系统中是必不可少的，它是组成工业自动化系统的重要环节，被称之为生产(shēngchǎn)过程自动化的“手脚”。从执行器的驱动能源来分，主要有气动执行器、电动执行器、液动执行器。在化工生产中，考虑安全生产，多数还是使用的是气动执行器，而气动执行器指的就是气动调节阀，下面主要介绍气动调节阀的知识。1、调节阀的理论基础1）调节阀的节流原理和流量系数调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。当流体流过调节阀时，由于阀芯、阀座所造成的流通面积的局部缩小，形成局部阻力，与孔板类似，它使流体的压力和速度产生变化。精品资料流体流过调节阀时产生能量损失，通常用阀前后的压差来表示阻力损失的大小。如果调节阀前后的管道直径一致，流速相同(xiānɡtónɡ)，根据流体的能量守恒原理，可得调节阀的流量方程式为：Q=A/ξ1/2[2(P1-P2)/ρ]1/2

式中：Q—流体的体积流量m³/hA－调节阀连接管的横截面积cm²ρ—流体的密度ɡ/cm³P1、P2—调节阀前后(qiánhòu)压力100kPaξ—调节阀的阻力系数精品资料可见，当调节阀口径一定即A一定，并且(bìngqiě)调节阀两端压差（P1-P2）不变时，阻力系数ξ减小，流量Q增大，反之ξ增大Q减小。故调节阀的工作原理就是按照信号的大小，通过改变阀芯行程来改变流通截面积，从而改变阻力系数而达到调节流量的目的。由此，可将上述方程式改写为：Q＝C（ΔP/ρ）1/2

C称为流量系数，它与阀芯和阀座的结构，阀前后的压差、流体性质等因素有关。我国过去用C表示流量系数，现在采用国际单位制时，流量系数用Kv表示，Kv的定义为：温度为5～40ºC的水在105Pa压降下(jiànɡxià)，1小时内流过阀立方米数。例如：一个Kv值为32的调节阀则表示当阀全开，阀前后压差为100kPa时，5～40℃的水每小时能通过的流量为32m3。采用英寸制单位的国家用Cv表示流量系数，定义为：用40～60℉的水，保持阀两端压差为1psi，阀门全开状态下每分钟流过的水的美加仑数。Kv和Cv的换算如下：Cv=1.167Kv精品资料2）流量(liúliàng)特性调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对位移(阀门的相对开度)间的关系，数学表达式为Q/Qmax=f(l/L),Q/Qmax为相对流量，l/L为相对位移。一般来说，改变调节阀的阀芯与阀之间的流通截面积，便可控制流量，但实际由于多种因素影响，如在节流面积变化时，阀前后压差(yāchà)也发生变化，而且其又引起流量的变化。为便于分析，先假定阀前后压差(yāchà)不变，再引伸到真实情况研究，前者称为理想流量特性，后者称为工作流量特性。调节阀的理想特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开等四种。直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学表达式表示为：Q/Qmax=kl/L+C，k是调节阀放大系数。C是积分常数。直线特性的阀门在开度小时流量相对变化值大，灵敏度高，不易控制，甚至发生振荡，而在大开度时，流量相对变化值小，调节缓慢，不够及时。精品资料等百分比流量特性也称对数流量特性，它是指单位相对位移(wèiyí)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。即调节阀的放大系数是变化的，它随相对流量的增大而增大。用数学表达式为：d(Q/Qmax)/d(l/L)=kQ/Qmax,经积分，代入后可得Q/Qmax=R(l/L-1)，R为可调比。从式中可看出相对位移(wèiyí)与相对流量成对数关系。对数流量特性在小开度时，调节阀放大系数小，调节平稳缓和；在大开度时，放大系数大，调节灵敏有效。因此，在同一位移(wèiyí)时直线阀通过的流量要比对数大。抛物线特性流量是指单位相对(xiāngduì)的变化所引起的相对(xiāngduì)流量变化与此点的相对(xiāngduì)流量值的平方根成正比关系，其数学表达式表示为:Q/Qmax=[1+(R1/2-1)l/L]2/R，R为可调比。它介于直线与对数特性之间，弥补了直线特性小开度时调节性能差的缺点，这种特性的阀芯一般是V形窗口，如三通阀、V形球阀等。精品资料快开流量特性在开度较小时就有较大的流量，随开度的增大(zēnɡdà)，流量很快就达到最大；此后再增加开度，流量变化很小，故称快开流量特性，由其特性曲线可知。快开特性的阀芯形式是平板形的，它的有效位移一般为阀座直径的1/4，所以其适用于快速启闭的切断阀或两位调节系统。在实际生产过程中，调节阀的阀前、后压差总是(zǒnɡshì)变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。在实际使用中，阀门往往串接在管路系统中，管路内的直管沿程阻力和管件局部阻力都会随流量的变化而变化。因此，阀两端的压降ΔP在Qmin时数值最大，而在Qmax时（即阀全开）数值最小，结果使工作特性与理想特性有差异，称为畸变。在阀全关时，管路压降极小，阀两端压降接近总压降，流量减小不多，随着阀门开度的增加管路压降很快上升，而阀两端的压降则很快下降，所以流量比理想情况减小，精品资料2、调节阀的组成(zǔchénɡ)及分类调节阀又称控制阀，它是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置。调节阀由执行机构和阀组成，执行机构起推动(tuīdòng)作用，而阀起调节流量的作用。执行机构是将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置或其它调节机构的装置。它按信号压力的大小产生相应的推力，使推杆产生相应的位移，而带动调节阀芯动作，达到调节的目的。①气动薄膜执行机构1）执行机构它是最常用的机构，其结构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉。气动薄膜执行机构分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）。信号压力一般是20~100kPa，膜片使用信号压力不应大于250kPa，气源压力的最大值为500kPa。精品资料信号压力增加时推杆向下动作的叫正作用执行机构；信号压力增加时推杆向上动作的叫反作用执行机构。其均由上、下膜盖、波纹薄膜片、推杆、托盘、支架(zhījià)、压缩弹簧、弹簧座、调节件、标尺等组成。在正作用执行机构上加一个装有O形密封圈的填块，只要更换个别零件，即可变为反作用执行机构。这种执行机构的输出(shūchū)特性是比例式的，即输出(shūchū)位移与输入的气压信号成比例关系。当信号压力通入薄膜气室时，在薄膜上产生一个推力，使推杆移动并压缩弹簧。当弹簧的反作用力与信号压力在薄膜上产生的推力相平衡时，将推杆稳定在一个新的位置。信号压力越大，在薄膜上产生的推力就越大，与它平衡的弹簧反力也越大，即推杆的位移量越大。推杆的位移就是执行机构的直线输出(shūchū)位移，也称为行程。调节阀气动薄膜执行机构的弹簧范围有20～100kPa、40～200kPa、80～240kPa三种。精品资料②气动(qìdònɡ)活塞式执行机构气动(qìdònɡ)活塞式执行机构主要是由气缸、活塞、气缸盖、密封圈、支架、推杆、调节件、限位螺栓、标尺等组成。它有带弹簧和不带弹簧两种结构形式。其气缸允许操作压力可达700kPa，故输出力大，适用于高压差、高静压及紧急切断等场合。按输出特性它分比例式和两位式两种。所谓比例式是指输入信号压力与推杆的行程成比例关系，这时它必须带阀门定位器。两位式是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力差来完成的。活塞由高压侧推向低压侧，就使推杆由一个极端位置移到另一个极端位置，故其只控制阀的开关动作（二位式一般为无弹簧结构）。活塞执行机构的行程一般为10～100mm或0º～90º。③轻型气动执行机构精品资料轻型气动执行机构也称为精小型气动执行机构，它是由日本山武霍尼威尔公司于八十年代中期推出的新产品，配其执行机构的调节阀也称为Cv300系列调节阀。它的特点是重量(zhòngliàng)轻、高度小、结构紧凑、装校简单、动作可靠、输出力大、节约能源等。与传统气动薄膜调节阀相比，高度、重量(zhòngliàng)均减少30%，流通能力增加30%，可调比扩大到50∶1。轻型气动多弹簧薄膜执行机构按作用方式分为正作用和反作用两种方式；按开关方式则分为气开式和气闭式两种。它们均由波纹膜片、膜盖、压缩弹簧、托盘、推杆、支架、轴套等主要零件组成。膜片是较深的盆形，采用丁腈橡胶加涤纶织物制成保证密封，压缩弹簧用多根组合的形式，代替老式结构的一根大弹簧，弹簧的数量可为4根、6根或8根，为提高机构刚度(ɡānɡdù)，也可把大弹簧套在小弹簧外面，两弹簧工作高度相同，但弹簧力显著增加。该机构的工作原理与上述薄膜执行机构的相同，其反作用执行一般采用O形密封圈与推杆、轴套配合，密封可靠，结构简单，设计上省去压缩弹簧的调节机构，可一次装配而成，不必调整。推杆与阀杆的连接一般可用开缝螺母，装卸方便。其缺点是调节行程必须进行拆卸，或在安装膜片室上盖之前就进行调整。精品资料④滚动(gǔndòng)膜片执行机构滚动膜片执行机构其结构是由在圆筒形的缸体内有滚动膜片、活塞、弹簧、密封圈等零件(línɡjiàn)组成。滚动膜片实际上是一个位移量较大的杯形膜片，压缩弹簧一端在缸底，另一端穿过活塞杆顶在活塞底部，滚动膜片随压力的变化而位移，使活塞和推杆一起作往复运动。它兼有薄膜式和活塞式执行机构的优点，即有较大行程、且摩擦力小，密封性好。其常与偏心旋转调节阀配套使用。⑤长行程执行机构气动长行程执行机构与活塞式执行机构类似，也是由气缸、活塞、推杆、缸盖、密封圈、摇臂等组成，具有行程长（200～400mm）、转动力矩大的特点，适用于输出力矩和输出一个转角的阀门，如蝶阀、风门等。它将20～100kPa信号压力或4～20mA信号电源转变成相应的转角或位移，但目前该执行机构在调节阀中已应用较少了。精品资料2）阀阀是调节阀的调节部分，它直接与介质接触，由执行机构推杆的位移，改变调节阀内的节流面积，达到调节的作用。阀是由阀体、上阀盖组件、下阀盖、阀内件等组成。上阀盖组件包括上阀盖和填料函及填料。阀内件是指与流体接触并可拆卸的，起到改变节流面积和截流(jiéliú)件导向等作用的零件总称，例如阀芯、阀座、阀杆、导向套、套筒等。①直通单、双座调节阀上、下阀盖都装有衬套，为阀芯移动起导向作用；由于上、下都有导向作用，故称为双导向，但对公称直径DN<25mm的调节阀一般无下阀盖，阀芯为单导向。单座阀特点是泄漏量小、易于保证关闭，但介质对阀芯推力大即不平衡力大。双座阀的特点是流通能力较单座阀大约20～25%，不平衡力小，允许压差大，但是(dànshì)泄漏量较大。精品资料这两种阀有正装和反装两种类型，当阀芯向下移动时，阀芯与阀座之间流通面积减小，称之为正装，反之则为反装。双导向阀芯变正装为反装很方便；单导向阀芯只能正装不能反装，故气开式必须采用(cǎiyòng)反作用执行机构。气开式调节阀随信号压力的增大而流通面积也增大，反之则为气闭式调节阀。②角形阀角形调节阀阀体为直角形结构，它流路简单，阻力(zǔlì)小，适用于高压差、高粘度，含悬浮物和颗粒状物质流体的调节，可以避免结焦、堵塞，也便于自净和清洗。其一般使用于底进侧出的场合，这样可使调节阀有较好的稳定性。③高压调节阀高压阀是一种适用于高静压和高压差调节的特殊阀门，为多角形单座结构，最大公称压力可达32MPa。这种阀的阀体多为锻造结构，填料函与阀体做成一体，阀座与下阀体分开，该结构简单，内件易配换。但阀芯为单导向结构，只能用正装式，因不平衡力大，一般要配用阀门定位器。精品资料④套筒调节阀套筒阀也称笼式阀，它的阀体与一般直通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，根据流通能力的大小要求，套筒开有四个、两个或一个的窗口，窗口形状由何种流量特性来取决。阀芯利用套筒导向在其中上下移动，来改变窗口的节流面积，形成各种流量特性并实现流量调节(tiáojié)。由于套筒阀采用平衡型的阀芯结构，阀芯和套筒侧面导向，因此不平衡力小，稳定性好，不易振荡，允许调节(tiáojié)压差也大，且维修方便并有降噪声的作用。⑤蝶阀蝶阀的形式较多，除普通型外，还有高温型、切断型、偏心型、软密封型，以及采用各种不同作用的阀板构成的蝶阀。它阻力小，结构紧凑，寿命长，特别适用于低压差、大口径、大流量气体和带有悬浮物流体的场合(chǎnghé)，一般泄漏较大。但也有高性能、低泄漏量的蝶阀结构，如空分系统用的软密封切断、调节蝶阀。它的流量特性在转角60º前与等百分比相似，60º以后转矩增大，工作不稳定，特性变差，故蝶阀常在75º转角范围内使用。精品资料⑧自力式调节阀⑥球阀气动球阀按阀芯型式可分为O形球阀和V形球阀，从全开(quánkāi)位置到全关位置的转角为90º。⑦偏心(piānxīn)旋转调节阀偏旋阀又称凸轮挠曲阀，它动作过程是球面阀芯的中心线与转轴中心偏离，转轴带动阀芯偏心旋转，由于这种偏转运动，使阀芯向前下方进入阀座，工作时转轴运行是由气动执行机构来驱动，推杆的运动通曲柄传给转轴。该阀特点是阀芯与阀座闭合时依靠柔臂的弹性变形，自动对中，密封性好，泄漏量小，流路简单，流体阻力小，流通能力大，不平衡力小，可耐受较高温度，允许压差大，且结构简单，体积小重量轻，价格低廉。在气化炉的灰水系统中广泛使用。它又称为直接作用调节阀，它不需外部能源，直接利用被调介质的能量来推动调节机构，实现自动控制，其可实现温度、压力、流量等参数的调节。应用较多的为薄膜式自力调节阀，多用于低压气体的压力控制，如施放气站、空分、甲醇系统等气路的压力自调。精品资料DN3、国产调节阀的型号(xínghào)编制Z

公称(gōngchēng)压力阀结构形式执行机构的结构特征执行机构形式执行器大类（标准规定，该字符不变）

变形产品作用方式1）执行机构形式：M气动薄膜执行机H气动薄膜多弹簧执行机构S气动活塞执行机构N气动深波纹执行机构（滚动膜片）SL气动长行程执行机构X或JH轻型或精小型执行机构（同H）精品资料2）执行机构结构特征：薄膜执行机构中：A表示(biǎoshì)正作用B表示(biǎoshì)反作用活塞执行机构中：H表示(biǎoshì)双作用（横装式双气缸）T表示(biǎoshì)单作用G表示(biǎoshì)两位式3）阀结构特征：P单座阀N双座阀M套筒阀S角形阀O球阀V是V型球阀Z偏心旋转阀W蝶阀T隔膜阀K高压阀X三通分流阀Q三通合流(héliú)阀U阀体分离阀4）公称压力：精品资料5）作用(zuòyòng)方式：K表示(biǎoshì)气开式B表示(biǎoshì)气闭式6）变形产品：G高温型S中温型D低温型B保温夹套型W波纹管密封型7）公称通径：用DN加数字表示，单位mm。例如DN25，DN100等。4、阀门定位器1）概述在生产过程中，控制系统对阀门提出了各种各样的特殊要求，因此，调节阀就需要配用各种各样的附属装置来满足生产过程的需要，其中阀门定位器就是其中的一种。如要改变阀门的静态特性和动态特性而配用的阀门定位器，为实现电气转换而应用的电气转换器等、继电器、功率放大器、空气过滤减压器、限位开关、阀位保持器（气动保位阀）、电磁阀、阀位开关等。而其中阀门定位器是应用最广泛、最重要的一种附件。精品资料阀门定位器是与气动调节阀配套使用，接受来自调节器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，因此，阀门定位器与调节阀形成一个闭环回路(huílù)，改变阀杆位移的线性度，克服阀杆的各种附加磨擦力，消除被调介质在门上产生的不平衡力的影响，从而形成阀门开度的准确定位。2）阀门(fámén)定位器的分类阀门定位器按其结构形式、工作原理可以分为气动阀门定位器、电气阀门定位器、智能式阀门定位器。气动阀门定位器是将20～100KPa的标准信号转换成阀门所需要的标准信号，驱动阀门动作并通过反馈从而实现阀杆的准确定位。电气阀门定位器是将0～10mA或4­～20mA标准信号转换成阀门所需要的标准信号，驱动阀门动作并通过反馈从而实现阀杆的准确定位。智能式阀门定位器是将4～20mA或数字信号转换成阀门所需要的标准信号驱动阀门动作并通过反馈来实现阀杆的准确定位。精品资料3）阀门(fámén)定位器的用途阀门定位器能够增大调节阀的输出功率，减小调节信号的传递滞后性，加快阀杆的动作速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的磨擦力，并消除不平衡力的影响，保证阀门的正确定位。主要有以下(yǐxià)用途：①用于高压介质的场合：克服阀杆产生的静磨擦力和流体产生的不平衡力的作用。②用于高压差场合：当阀前后压差较大时，阀芯受到较大的不平衡力，此力将破坏阀门原来的工作位置，对单座阀尤其明显，使用阀门定位器后可以提高执行机构驱动力，克服不平衡力的作用。③适用于高温或低温介质场合：高温或低温介质势必造成阀杆与填料同时磨擦力增大，使调节信号与阀门的行程之间产生较大误差。精品资料④提高执行机构动力速度的场合：特别是气动信号，由于其输出(shūchū)距离较长，为克服信号的传递滞后。⑤用于调节阀口径较大的场合：当调节阀口径过大，大于DN100时，由于阀芯重、阀芯截面积大及执行机构气室容积增大，使阀门的响应(xiǎngyìng)特性变差，改善的方法之一就是配用阀门定位器。⑥用于活塞式执行机构的比例动作无弹簧的活塞式执行机构，是两位式，非开则关，要使它具有比例动作就要配用阀门定位器，一般配用双作用定位器；单侧有弹簧的活塞执行机构，一般配用单向定位器。⑦实现阀门的动作反向：当一台阀门（正作用执行机构）需要由气关式改为气开式的时，可以把阀芯反装或采用反作用式的执行机构，相对比较麻烦，而应用阀门定位器就相对简单。精品资料⑧改变调节阀的流量特性：调节阀的流量特性可以通过改变反馈凸轮的几何形状来改变，因为反馈凸轮的几何形状不一样，能改变调节阀对定位器的反馈量，使定位器的输出特性发生变化，从而改变调节器的输出信号(xìnhào)与调节阀位移之间的关系，即修正了流量特性。凸轮的流量特性有三种：分别是线性、对数和快开特性。定位器定货(dìnɡhuò)时如不特别说明一般提供的是线性的反馈凸轮，它适用于现有的阀门。无特殊要求，一般不采取利用定位器来改变阀门的流量特性。⑨操作非标准信号的执行机构当需要用20～100KPa信号或标准信号去操作20～100KPa以外的气信号时就需要阀门定位器，操作40～200KPa信号的也可选用1：2定位器。精品资料⑩实现(shíxiàn)分程控制气动定位器信号输出20～100KPa来实现阀门(fámén)的分程控制。电动定位器4mA～12mA→20～100KPa或40～200KPa等；12mA～20mA→20～100KPa或40～200KPa等。4）定位器的作用改善调节阀的静态特性，提高阀门的线性度。改变调节阀的动态特性，减少调节阀的信号滞后。改变调节阀的流量特性。改变调节阀对信号压力的影响范围，实现分程控制等。使阀门动作反向。5）气动阀门定位器按工作原理可分为位移平衡式和力矩平衡式两大类。精品资料位移平衡式定位器主要(zhǔyào)通过波纹管、反馈凸轮等的位移变化引起喷嘴与挡板的位移发生变化，最后达到平衡来实现阀杆定位的，它的正、反作用通过调节凸轮来实现的。只能(zhīnénɡ)是单作用定位器。力平衡式定位器是通过力矩平衡原理工作的，使主杆上受到的力达到一个平衡的位置。（喷嘴处一个力，反馈凸轮，还有流纹管或线圈产生的电磁力）。可以做成双作用定位器。6）电气阀门定位器①组成：接线盒组件、转换组件、气路组件、反馈组件②采用的是力平衡（力矩）式定位器。③定位器的作用方式正作用：输入信号增加的输出力增加的为正作用。反作用：输入信号减少的输出力增加的为反作用。精品资料定位器的正反作用与所配套的执行机构有相应关系：平时讲单对定位器本身(běnshēn)来说，正作用是