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關于控制回路中氣動調節(jié)閥的選用
發(fā)布于：2019/11/15 8:44:19 點擊量：174
1 引 言
哈爾濱氣化廠是一個利用煤加壓氣化工藝生產(chǎn)煤氣的化工企業(yè)，自動化水平較高，在過程控制中，執(zhí)行器的控制品質與生產(chǎn)工況的穩(wěn)定有著密切的聯(lián)系，所以對執(zhí)行器的選擇顯得格外重要，對于安全防爆要求比較高的化工企業(yè)，絕大多數(shù)執(zhí)行器采用的是氣動調節(jié)閥。
氣動調節(jié)閥的選擇一般要從以下幾個方面進行考慮：
1)根據(jù)工藝條件，選擇合適的調節(jié)閥結構和類型。
2)根據(jù)工藝對象，選擇合適的流量特性。
3)根據(jù)工藝參數(shù)，計算流量系數(shù)，選擇閥的口徑。
4)根據(jù)工藝要求，選擇材料和輔助裝置。
下面針對以上4點加以論述。
2 調節(jié)閥的結構和類型
氣動調節(jié)閥是由氣動執(zhí)行機構和閥兩部分組成的，氣動執(zhí)行機構是接收輸入的氣源信號，產(chǎn)生相應的推力，使推桿發(fā)生位移，推動閥門動作；而閥是指與管路聯(lián)接的閥體組件部分，它接受執(zhí)行機構的推桿推力，改變閥桿位移，從而改變閥門開度，最終控制流體流量的變化。
氣動調節(jié)閥按其行程可分為直行程和角行程兩種，按其結構類型分直通單座閥、直通雙座閥、高壓閥、角形閥、套筒閥、隔膜閥、蝶閥、偏心旋轉閥等。其中直通閥比較常見，單座閥泄漏量較小，但閥前后壓差不能太大，而雙座閥正好與之相反。高壓閥適合于高靜壓和高壓差的介質測量，但在高壓差情況下，流體對材料沖刷和氣蝕嚴重，一般要考慮閥芯和閥座的材質，以提高其使用壽命。在高壓差、高黏度、含懸浮物和顆粒狀物質流體的控制中可選用角形閥。隔膜閥更適用于強酸、強堿等強腐蝕性介質的控制。蝶閥適用于大流量、低壓差的氣體介質。套筒閥采用平衡型閥芯結構，具有低噪聲的特點，是應用較為廣泛的閥之一。
氣動調節(jié)閥有氣開與氣關兩種類型。確定調節(jié)閥開關方式的原則是：當信號壓力中斷時，應保證工藝設備和生產(chǎn)的安全。如果閥門在信號中斷后處于打開位置，流體不中斷最安全，則選用氣關閥；如果閥門在信號壓力中斷后處于關閉位置，流體不通過最安全，則選用氣開閥。如加熱爐的燃料氣或燃料油管路上的調節(jié)閥，應選用氣開閥，當信號中斷后，閥自動關閉，燃料被切斷，以免爐溫過高而發(fā)生事故；鍋爐進水管路上的調節(jié)閥，應選用氣關閥，當信號中斷后，閥自動打開，仍然向鍋爐內送水，可以避免鍋爐燒干。
3 調節(jié)閥的流量特性
調節(jié)閥的流量特性是指介質流過閥的相對流量Q與閥芯相對行程己(閥門的相對開度)之間的函數(shù)關系：
Q=f(L)
當調節(jié)閥兩端壓差△P保持不變時，閥的流量特性稱為固有流量特性。固有流量特性主要有直線、等百分比(對數(shù))、拋物線和快開等4種類型，如圖3—1所示：
在生產(chǎn)中閥的固有流量特性有直線、等百分比和快開3種。拋物線特性介于直線和等百之間，一般用等百特性來代替。快開特性主要用于二位式控制。
在一般情況下，閥兩端壓差不可能永遠保持不變，這時閥的固有流量特性就會發(fā)生畸變，閥在實際工作條件下的特性稱之為工作流量特性。這時在確定流量特性時要引入一個稱為閥阻比的系數(shù)S。
S=△P/∑△P
∑△P為系統(tǒng)總壓差，是閥、全部工藝設備和管路系統(tǒng)上的各壓差之和。
從以下3個方面內容對閥的工作流量特性進行分析：
1)從控制系統(tǒng)的控制質量方面分析
對于一個簡單的控制系統(tǒng)，它是由控制對象、變送器、調節(jié)器和調節(jié)閥幾個基本環(huán)節(jié)組成的，系統(tǒng)的總放大系數(shù)K=K1K2K3K4K5
K1~K5分別表示變送器、調節(jié)器、執(zhí)行機構、閥、控制對象的放大系數(shù)。在負荷變動的情況下，要使控制系統(tǒng)能保持預定的控制指標，希望總放大系數(shù)在控制系統(tǒng)的整個操作范圍內保持不變。一般來說，在一個確定的系統(tǒng)里，K1~K3的系數(shù)是固定不變的，只有對象的放大系數(shù)X5隨負荷的變化而變化，為此選擇適當?shù)牧髁刻匦詠碡SI、償對象特性的變化，保證K4K5的乘積是個常數(shù)就保證了系統(tǒng)的總放大系數(shù)K是個穩(wěn)定值。
2)從工藝配管情況分析
調節(jié)閥總是與管道、設備連在一起使用的，管道阻力的存在必然會使閥的工作特性與固有特性不同。所以，應根據(jù)對象的特性，選擇合適的工作特性，再根據(jù)配管情況選擇相應閥的固有流量特性。考慮工藝配管情況時，可參照表3—1來選擇閥的固有特性。
表3—1 配管狀況表
配管狀況 S=1~0.6 S=0.6~0.3 S＜0.3 閥的工作特性直線 等百分比 直線 等百分比 不宜控制 閥的固有特性直線 等百分比 等百分比 等百分比不宜控制
從表3—1上看，當S=1~0．6時，所選固有流量特性和工作流量特性一致。當S<0．3時，特性曲線畸變嚴重不宜控制。
3)從負荷變化情況分析
直線特性調節(jié)閥在小開度時流量相對變化量大，過于靈敏，容易引起振蕩，閥芯閥座易損壞，故在S值小、負荷變化幅度大的場合不宜采用。等百分比閥的放大系數(shù)隨閥門行程增大而增大，流量相對變化量恒定不變。
4 調節(jié)閥的口徑
調節(jié)閥口徑的確定是在計算閥流量系數(shù)CV的基礎上進行的。流量系數(shù)的定義是指在閥門全開條件下，閥兩端壓差△P為100 kPa，流體密度ρ為1g／cm3時，通過閥的流體體積流量為Q(m3／h)，其節(jié)流公式為：
C是一個比例系數(shù)，它與流量系數(shù)的關系是m倍，即CV=mC。當流量特性為直線型時m=1．63，當流量特性為等百分比型時m=1．97。
式(4--1)是當測量介質為液體時的計算方法，當測量介質為氣體時應考慮溫度和壓力對介質體積的影響，其C值的計算分兩種情況：
當閥前后壓差△P小于0．5倍的閥前壓力P1，即△P<0．5P1時
另外，當介質為過熱蒸汽時，計算C值要考慮蒸汽的過熱度。
確定完CV值以后，要對調節(jié)閥的開度進行驗算，要求最大流量時閥開度不大于90％，最小流量時開度不小于10％。在正常工況下，閥門開度應在15％~85％之間。最后根據(jù)CV值確定調節(jié)閥口徑。
5 調節(jié)閥的材料和輔助裝置
調節(jié)閥的閥體一般選用鑄鐵材質，其耐壓等級、使用溫度范圍、耐腐蝕等方面應不低于對工藝管道的要求，但在介質為易燃易爆的流體時應作特殊考慮。閥芯、閥座材質的選用應考慮到流體中是否有固體顆粒產(chǎn)生的磨損和氣蝕作用對閥內件的沖擊。一般對于非腐蝕性流體，常選用不銹鋼；對于腐蝕性較強的流體，可選用哈氏合金；對于沖擊、振動、磨損嚴重的流體，可選用堆焊硬質合金或噴涂材質。另外當操作介質溫度高于+200℃時，要選擇帶散熱片的上閥蓋。
調節(jié)閥的輔助裝置主要有閥門定位器、電磁閥、回訊開關、過濾減壓器、保位閥等。
閥門定位器是調節(jié)閥的一個重要附件，常見的有氣動閥門定位器和電氣閥門定位器兩種。它主要用于：
1)高壓差的場合；
2)高壓、高溫或低溫介質的場合；
3)介質中含有固體懸浮物或黏性流體的場合；
4)調節(jié)閥口徑較大的場合；
5)實現(xiàn)分程控制；
6)改善調節(jié)閥的流量特性。
電磁閥的作用是快速地切斷和接通氣源，使閥處于完全通、斷的位置，多用于安全放空閥。回訊開關是需要在控制室實時監(jiān)測到閥位的信號才選用的。保位閥的選擇是根據(jù)工藝狀況，當氣源切斷時，閥位要求保持在一定的位置上，但這種情況不多見。
6 結束語
調節(jié)閥是自動控制系統(tǒng)中一個重要的環(huán)節(jié)，若選擇計算不準確，使用維護不得當，將直接影響控制系統(tǒng)的控制質量，甚至造成嚴重的生產(chǎn)事故。為此，對調節(jié)閥的正確選用、安裝和維修等各項工作都必須高度重視。
隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，對氣動調節(jié)閥的要求越來越高，這些要求包括：新結構、新材料、高性能、與計算機通訊以及優(yōu)越的動態(tài)性能等。因此，對新型調節(jié)閥的研究和學習是一項艱巨而重要的任務。
作者簡介：周雪冰(1973-)，女，工程師，主要從事DCS及網(wǎng)絡技術的研究
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