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關于控制回路中氣動調節閥的選用
發布于：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煤氣的化工企業，自動化水平較高，在過程控制中，執行器的控制品質與生產工況的穩定有著密切的聯系，所以對執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，絕大多數執行器采用的是氣動調節閥。
氣動調節閥的選擇一般要從以下幾個方面進行考慮：
1)根據工藝條件，選擇合適的調節閥結構和類型。
2)根據工藝對象，選擇合適的流量特性。
3)根據工藝參數，計算流量系數，選擇閥的口徑。
4)根據工藝要求，選擇材料和輔助裝置。
下面針對以上4點加以論述。
2 調節閥的結構和類型
氣動調節閥是由氣動執行機構和閥兩部分組成的，氣動執行機構是接收輸入的氣源信號，產生相應的推力，使推桿發生位移，推動閥門動作；而閥是指與管路聯接的閥體組件部分，它接受執行機構的推桿推力，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。
氣動調節閥有氣開與氣關兩種類型。確定調節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，以免爐溫過高而發生事故；鍋爐進水管路上的調節閥，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 調節閥的流量特性
調節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)之間的函數關系：
Q=f(L)
當調節閥兩端壓差△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)、拋物線和快開等4種類型，如圖3—1所示：
在生產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S。
S=△P/∑△P
∑△P為系統總壓差，是閥、全部工藝設備和管路系統上的各壓差之和。
從以下3個方面內容對閥的工作流量特性進行分析：
1)從控制系統的控制質量方面分析
對于一個簡單的控制系統，它是由控制對象、變送器、調節器和調節閥幾個基本環節組成的，系統的總放大系數K=K1K2K3K4K5
K1~K5分別表示變送器、調節器、執行機構、閥、控制對象的放大系數。在負荷變動的情況下，要使控制系統能保持預定的控制指標，希望總放大系數在控制系統的整個操作范圍內保持不變。一般來說，在一個確定的系統里，K1~K3的系數是固定不變的，只有對象的放大系數X5隨負荷的變化而變化，為此選擇適當的流量特性來豐I、償對象特性的變化，保證K4K5的乘積是個常數就保證了系統的總放大系數K是個穩定值。
2)從工藝配管情況分析
調節閥總是與管道、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，應根據對象的特性，選擇合適的工作特性，再根據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隨閥門行程增大而增大，流量相對變化量恒定不變。
4 調節閥的口徑
調節閥口徑的確定是在計算閥流量系數CV的基礎上進行的。流量系數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)，其節流公式為：
C是一個比例系數，它與流量系數的關系是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CV值確定調節閥口徑。
5 調節閥的材料和輔助裝置
調節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)調節閥口徑較大的場合；
5)實現分程控制；
6)改善調節閥的流量特性。
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測到閥位的信號才選用的。保位閥的選擇是根據工藝狀況，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
調節閥是自動控制系統中一個重要的環節，若選擇計算不準確，使用維護不得當，將直接影響控制系統的控制質量，甚至造成嚴重的生產事故。為此，對調節閥的正確選用、安裝和維修等各項工作都必須高度重視。
隨著工業自動化的發展，對氣動調節閥的要求越來越高，這些要求包括：新結構、新材料、高性能、與計算機通訊以及優越的動態性能等。因此，對新型調節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及網絡技術的研究
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