化工仪表及自动化-执行器

工业自动化与仪表执行器

序A图1-2人工操作图图1-3液位自动控制系统图人工操作与自动控制比较图控制速度和精度不能满足大型现代化生产的需要自动控制系统的基本组成及方块图组成自动化装置被控对象测量元件与变送器自动控制器执行器执行器就是天津精通控制仪表技术有限公司的产品B内容提要气动执行器气动执行器的结构与分类控制阀的结构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电动执行器电-气转换器及电-气阀门定位器电-气转换器电-气阀门定位器1内容提要数字阀与智能控制阀数字阀智能控制阀23作用

接收控制器送来的控制信号，改变执行器内件的位置使被控介质改变，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。按能源形式分类

气动执行机构电动执行机构液动执行机构执行机构第一节气动执行器按动作形式分类

直行程机构角行程机构按结构形式分类

薄膜型活塞型第一节气动执行器4结构执行机构

执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。控制机构

执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。第一节气动执行器常用辅助设备阀门定位器手轮机构图6-1气动执行器示意图5第一节气动执行器一、气动执行器的结构与分类61.执行机构薄膜式活塞式结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。

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。

结构第一节气动执行器第一节气动执行器72.控制机构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、泄漏量小，易保证关闭，甚至完全切断。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。直通单座阀第一节气动执行器8（2）直通双座控制阀

阀体内有两个阀芯和阀座。

特点流体流过的时候，不平衡力小。缺点容易泄漏可分为正作用式与反作用式两种形式。

根据阀芯与阀座的相对位置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，一般为底进侧出。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。图6-4角形阀9第一节气动执行器（4）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

图6-5三通阀10第一节气动执行器11（5）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。图6-6隔膜阀注意执行机构须有足够的推力第一节气动执行器（6）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。图6-7蝶阀12第一节气动执行器13（7）球阀

球阀的阀芯与阀体都呈球形体，转动阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时，就具有不同的流通面积，以达到流量控制的目的。“V”形和“O”形两种开口形式。球阀阀芯分类图6-8球阀图6-9球阀阀芯的形状第一节气动执行器（8）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，适用于高黏度或带有悬浮物的介质流量控制。图6-10凸轮挠曲阀14第一节气动执行器15（9）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。缺点不适用高温、高黏度及含有固体颗粒的流体。

图6-11笼式阀二、控制阀的结构第一节气动执行器控制阀的阀体组件由以下零件组成:1.阀体承受介质的主体，阀内件均安装于阀体内

2.阀盖连接阀体与执行器的中间体

3.阀座阀内件，固定的截流元件

4.阀芯阀内件，活动的截流元件

5.阀杆阀内件，连接执行器与阀芯的元件

6.填料阀盖内密封的元件阀体阀盖阀座阀芯阀杆填料组件第一节气动执行器三、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16第一节气动执行器171.控制阀的理想流量特性图6-12不同流量特性的阀芯形状1—快开；2—直线；3—抛物线；4—等百分比

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。（6-2）第一节气动执行器18将（6-2）积分可得（6-3）边界条件：l=0时，Q=Qmin;l=L时Q=Qmax把边界条件代入式（6-3），可分别得（6-4）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（6-4）代入式（6-3），可得（6-5）注意：当可调比不同时，特性曲线在纵坐标上的起点是不同的。

19第一节气动执行器20图6-13理想流量特性1—快开；2—直线；3—抛物线；4—等百分比曲线举例当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

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21（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。（6-6）将（6-6）积分

将前述边界条件代入

（6-7）为了和直线特性进行比较，同样以形成10%、50%、80%三点进行研究，当行程变化为10%时流量变化为1.91、7.3、20.4，而相对流量变化值均为40%。第一节气动执行器22（3）抛物线流量特性（4）快开特性

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23２.控制阀的工作流量特性

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6-14串联管道的情形图6-15管道串联时控制阀压差变化情况第一节气动执行器图6-16管道串联时控制阀的工作特性24第一节气动执行器25（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。图6-17并联管道的情况如图6-17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。第一节气动执行器26

以x代表并联管道时控制阀全开时的流量Q1max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6-18并联管道时控制阀的工作特性第一节气动执行器27由上图可见

当x＝1，即旁路阀关闭、Q2＝0时，控制阀的工作流量特性与它的理想流量特性相同。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比控制阀本身的Q1min大得多。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。

28第一节气动执行器29①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，即输入信号变化引起的流量变化值减少。结论第一节气动执行器四、控制阀的选择301.控制阀结构与特性的选择

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。

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。选择要求有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。反之，为气开式。

2.气开式与气关式的选择31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（正）气开（反）气开（反）气关（正）32表6-1组合方式表图6-19组合方式图第一节气动执行器333.控制阀口径的选择

口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量。口径选择得过大，会浪费设备投资，且使控制阀经常处于小开度工作，控制性能变差，易使控制系统变得不稳定。控制阀的口径选择是由控制阀流量系数KV值决定的。流量系数KV的定义为：当阀两端压差为100kPa，流体密度为1g/cm3，阀全开时，流经控制阀的流体流量。对于不可压缩的流体，且阀前后压差p1－p2不太大时，有

第一节气动执行器额定流量系数Kv定义当调节阀全开，阀两端压差△P为100KPa，流体重度r为1g/cm3

（即常温水）时。每小时流经调节阀的流量数，以m3/h计，用Kv或C表示。国外额定流量系数一般以Cv表示，定义为当调节阀全开，阀两端压差△P为1磅/吋2

、介质为60。F水时，每分钟流经调节阀的流量数，以（加仑/分）计。由于Kv与Cv定义不同，试验所测数值之间不同，它们之间换算公式为Cv=1.156Kv。阀额定流量系数Kv是在一定条件下所测数值，而现场的工艺参数千差万别，这就有一个将实际参数通过计算转化为额定流量系数Kv值的过程。3.1控制阀的Kv与CvCv

KvCv=1.156Kv温度40~60F的水△P=1psi1分钟流过阀的美加仑数278~313K的水△P=100KPa1小时流过阀的立方米数34第一节气动执行器3.2控制阀Kv值的计算液体一般液体高粘度液体当△P<0.5P1时当△P≥0.5P1时气体一般气体高压气体蒸气饱和蒸汽饱和水蒸气过热水蒸气35第一节气动执行器36根据流量和压差计算得到Kv值，并按制造厂提供的各类调节阀的标准系列，选取调节阀的口径后，考虑到选用的Kv，因此对工作时的阀门开度应该进行验算一般最大流量时，调节阀的开度应在90%左右。最大开度过小，说明调节阀选得过大，它经常在小开度下工作。可调比缩小，造成调节性能的下降和经济上的浪费。一般不希望最小开度小于10%，否则阀芯和阀座由于开度太小，受介质冲蚀严重，特性变坏，甚至失灵。

R=30公式102030405060708090100Q/QMAX%直线13.022.732.342.051.761.371.080.790.3100等百4.66.69.313.018.325.736.150.671.2100抛物线7.012.018.326.035.045.357.070.084.3100R=50Q/QMAX%直线11.821.631.441.251.060.870.680.490.2100等百2.94.46.59.614.220.930.945.767.6100抛物线5.29.816.023.532.843.055.168.683.6100第一节气动执行器3.3控制阀的开度验算37苛刻工况是在实际工作中经常见到的液体出现闪蒸或气蚀介质压力差过大气体流速过高，产生较大的噪声介质中悬浮物过多，造成磨损严重腐蚀性介质第一节气动执行器4.苛刻工况控制阀口径的选择第一节气动执行器4.1液体的闪蒸或气蚀

在建立流量系数的计算公式时，是把流体假想为理想流体，根据理想的简单条件来推导公式，没有考虑到阀门结构对流动的影响。而实际上，当流体流过调节阀时，其压力变化情况如右图所示。也就是说，流体在节流处的压力急剧下降，并在节流通道中逐渐恢复，但已经不能恢复到P1值。在介质压力小于介质蒸气压力Pv时，在液态介质产生闪蒸，当压力恢复到Pv以上时，气态恢复到液态，称之为气蚀第一节气动执行器阻塞流产生于缩流处及其下游。产生阻塞流时的压差为△PT。为了说明这一特性，可以用压力恢复系数FL来描述：

上式中: △PT表示产生阻塞流的阀前、阀后压力差Pvc表示产生阻塞流时缩流断面处的压力

FL表示是阀体内部几何形状的函数，表示调节阀内流体流经缩流处之后动能变为静压的恢复能力

一般FL=0.5~0.98。当FL=1时，P1-P2=P1-Pvc，可以想象为P1直接下降为P2.。这与原来的推倒假设一样。FL越小△P比P1-Pvc小的越多，既压力恢复越大。

既4.2液体的阻塞流5.控制阀泄漏量的选择第一节气动执行器泄漏量定义

在规定的试验条件下和阀门关闭情况下，通过阀门的流体流量

执行机构有足够的推力，使阀座和阀芯能够压紧阀门前、后有一定压差在室温下测定第一节气动执行器5.1泄漏量的国家标准泄漏等级试验介质试验程序最大阀座泄漏量Ⅰ由用户与制造厂商定ⅡL或G15×10

3×阀额定容量ⅢL或G110

3×阀额定容量ⅣL1或210

4×阀额定容量G1Ⅳ

S1L1或25×10

6×阀额定容量G1Ⅳ

S2G12×10

4×Δp×DⅤL21.8×10

7×Δp×DⅥG13×10

3×Δp×(右表规定的泄漏量)1：Δp以kPa为单位。2：D为阀座直径，以mm为单位。3：对于可压缩流体体积流量，是绝对压力为101.325kPa和绝对温度为273K的标准状态下的测定值。阀座直径mm泄漏量mL/min每分钟气泡数25405065801001502002503003504000.150.300.450.600.901.704.006.7511.116.021.628.412346112745----1：每分钟气泡数是在用外径6mm、壁厚1mm的管子垂直浸入水下5~lOmm深度的条件下测量所得，所用管子的管端表面应光滑，无倒角和毛刺。2：如果阀座直径与表列值之一相差2mm以上，则泄漏系数可假设泄漏量与阀座直径的平方成正比的情况下通过内推法取得。执行机构在操作直行程控制阀时，需要力包括：克服阀芯的静态不平衡需要的力提供阀座关闭的负载力克服填料摩擦需要的力某些特定应用或结构需要的附加力不平衡力=静压差×静态不平衡面积阀座关闭的负载力Ⅳ级=80磅/线性英寸阀口周长填料摩擦力=附加力包括：波纹管密封的刚度、特殊需要密封力等5.2控制阀关闭力计算第一节气动执行器试验程序

试验程序1：试验介质压力应在300kPa~400kPa表压之间试验程序2：试验压差应在买方规定的控制阀前后最大工作压差±5%以内容量计算第一节气动执行器5.3泄漏量测试的容量计算介质条件液体气体表中：Q1——液体流量，m3/h；Qg——标准状态下的气体流量，m3/h；

Kv——额定流量系数；

p1——阀前绝对压力，kPa

p2——阀后绝对压力，kPa；

Δp——阀前后压差，kPa；

t

——试验介质温度，取20℃；

G——气体比重，空气=1；

ρ/ρ0——相对密度（规定温度范围内的水ρ/ρ0=1）。6.材料的选择控制阀应用在各种工况中，材料的选择应考虑以下几方面：根据介质的化学性能，选择合适的防腐蚀材质参考（SH3005-1999石油化工自动化仪表选型设计规范）根据材料确定该材料的允许使用温度和允许使用压力参考（GB/T12224-2005钢制阀门一般要求）第一节气动执行器第一节气动执行器6.1材料的牌号名称美国ASME日本JIS标准中国牌号及标准适用介质适用温度℃标准号等级可焊高温用碳素钢铸钢A216WCAG5151-SCPH1WCAGB12229水、油品、蒸汽-29~425A216WCBG5151-SCPH2WCBGB12229水、油品、蒸汽-29~425A216WCCWCCGB12229水、油品、蒸汽-29~425A217WC1G5151-SCPH11ZG20Mo水、油品、蒸汽≤455

ZG230-450GB5676水、油品、蒸汽≤455高温高压用合金钢铸钢A217WC4G5151-SCPH21(ZG20CrNiMo)蒸汽≤540A217WC5ZG20CrMoQ/ZB66蒸汽≤565A217WC6WC6.ZG20CrMo蒸汽、碳酸类≤595A217WC9G5151-SCPH32WC9.ZG15Cr2Mo1V蒸汽、碳酸类≤595马氏体耐热不锈钢合金钢铸钢A217C5G5151-SCPH61C5.ZG1Cr5Mo油品、蒸汽≤650A217C12C12(ZG15Cr9Mo1)油品、蒸汽≤650A217A296CA15G5151-SCS1-T2ZG1Cr13GB2100水、油品、蒸汽-20~480A296CA40G5151-SCS2ZG1Cr13GB2100水、油品、蒸汽-20~450第一节气动执行器高温用奥氏体不锈钢铸钢A351CF8G5121SCS13ZG0Cr18Ni9GB12230硝酸、蒸汽≤455(540)A351CF8MG5121SCS14ZG0Cr18Ni12Mo2硝酸、醋酸、蒸汽≤425(540)A351CF3G5121SCS19ZG00Cr18Ni10硝酸、尿素≤425A351CF3MG5121SCS16ZG00Cr18Ni14Mo2尿素、甲胺液≤455A351CN7MG5121SCS23ZG0Cr20Ni29Cu4Mo2硫酸、氢氟酸≤450A351CF10(ZG08Cr18Ni9)油品、蒸汽、弱质介质-29~540A351CK20G5121SCS18(ZG15Cr20Ni25)油品、蒸汽、弱质介质-29~540低温压力部件用奥氏体铸钢A351CF8G5121SCS13ZG0Cr18Ni9GB12230

-254~200A351CF8MG5121SCS14ZG0Cr18Ni12Mo2-254~200A351CF3G5121SCS19ZG00Cr18Ni10-254~425A351CF3MG5121SCS16ZG00Cr18Ni14Mo2(-254~455)---ZG0Cr18Ni9TiGB12230(-196~600)---ZG1Cr18Ni9TiGB12230

(-196~600)第一节气动执行器6.2材料的选择第一节气动执行器GB/T12224-2005钢制阀门一般要求ISO7005-1:1992PN20PN50PN63PN110ASMEB16.34a-1998Class150Class300Class600材料组别1.12.12.21.12.12.21.12.12.21.12.12.2材料类别WCB304316WCB304316WCB304316WCB304316温度°F°C分级表示的工作压力/Mpa-20to-29~38

1002.01.91.95.25.05.06.56.36.310.410.110.1200931.81.71.64.74.24.35.95.25.49.58.48.73001491.61.61.54.63.83.95.74.74.99.37.67.84002041.41.41.44.43.53.65.64.34.58.97.07.25002601.21.21.24.23.33.45.24.04.18.46.56.76003151.01.01.03.83.03.14.83.73.97.76.16.36503430.90.90.93.73.03.14.73.73.87.56.06.37003710.80.80.83.73.03.04.73.73.77.56.06.17503990.70.70.73.52.93.04.43.63.77.15.86.08004270.60.60.62.92.82.93.63.53.65.85.66.08504540.50.40.41.92.82.92.33.43.63.75.55.99004820.40.30.31.22.72.91.53.33.62.45.55.89505100.20.20.20.72.62.70.93.23.31.45.45.410005380.10.10.10.42.22.40.42.83.00.74.54.91050565

0.10.1

2.12.4

2.73.0

4.34.81100593

0.10.1

1.82.1

2.22.6

3.64.31150621

0.10.1

1.41.6

1.72.0

2.83.31200649

0.10.1

1.11.3

1.31.6

2.22.6铸件1.1组WCBGB/T122292.1组CF8/CF3GB/T122302.2组CF8M/CF3MGB/T122306.3材料允许使用压力第一节气动执行器第一节气动执行器五、气动执行器的安装和维护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。第一节气动执行器38（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6-20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。

第一节气动执行器六、气动执行器的常用标准GB/T4213-2008调节阀GB/T17213.1~15工业过程控制阀ASMEB16.34-2004法兰,螺纹和焊接端连接的阀门ASMEB16.104-1998控制阀门阀座泄漏SH3005-1999石油化工自动化仪表选型设计规范第二节电动执行器39

电动执行器接收来自控制器的0～10mA或4～20mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。定义分类

角