上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)(集團)有限公司
1 概述
在自動(dòng)控制系統中,調節閥是其常用的執行器?刂七^(guò)程是否平穩取決于調節閥能否準確動(dòng)作,使過(guò)程控制體現為物料能量和流量的精確變化。所以,要根據不同的需要選擇不同的調節閥。選擇恰當的調節閥是管路設計的主要問(wèn)題,也是保證調節系統安全和平穩運行的關(guān)鍵。
2 調節閥的組成
調節閥由執行機構和調節機構組成,接受調節器或計算機的控制信號,用來(lái)改變被控介質(zhì)的流量,使被調參數維持在所要求的范圍內,從而達到過(guò)程控制的自動(dòng)化。
2.1 執行機構
執行機構按照驅動(dòng)形式分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)3種。氣動(dòng)執行機構具有結構簡(jiǎn)單,動(dòng)作可靠,性能穩定,價(jià)格低,維護方便,防火防爆等優(yōu)點(diǎn),在許多控制系統中獲得了廣泛地應用。電動(dòng)執行機構雖然不利于防火防爆,但其驅動(dòng)電源方便可取,且信號傳輸速度快,便于遠距離傳輸,體積小,動(dòng)作可靠,維修方便,價(jià)格便宜。液動(dòng)執行器的推力最大,調節精度高,動(dòng)作速度快,運行平穩,但由于設備體積大,工藝復雜,所以目前使用不多。
執行機構不論是何種類(lèi)型,其輸出力都是用于克服負荷的有效力(主要是指不平衡力和不平衡力矩、摩擦力、密封力及重力等有關(guān)力的作用)。因此,為了使調節閥正常工作,配用的執行機構要能產(chǎn)生足夠的輸出力來(lái)克服各種阻力,保證高度密封和閥門(mén)的開(kāi)啟。對執行機構輸出力確定后。應根據工藝使用環(huán)境要求,選擇相應的執行機構。例如,對于現場(chǎng)有防爆要求時(shí),應選用氣動(dòng)執行機構,且接線(xiàn)盒為防爆型。如果沒(méi)有防爆要求,則氣動(dòng)或電動(dòng)執行機構都可選用,但從節能方面考慮,應盡量選用電動(dòng)執行機構。對于要求調節精度高,動(dòng)作速度快和運行平穩的工況,應選用液動(dòng)執行機構。
綜合各類(lèi)執行器的特點(diǎn),自動(dòng)控制系統普遍采用電動(dòng)執行機構。如結構簡(jiǎn)單、體積小的 ZAZ 直行程類(lèi)及 ZAJ 角行程類(lèi),3610L(R) 型電子式及SKD型多轉電動(dòng)執行機構等。各類(lèi)執行機構盡管在結構上不完全相同,但基本結構都包括放大器、可逆電機、減速裝置、推力機構、機械限位組件、彈性聯(lián)軸器和位置反饋等部件(圖 1)。
圖1 電動(dòng)執行機構的方框圖
電動(dòng)執行機構一般需要與伺服放大器配套,接受調節器的信號,該信號經(jīng)過(guò)伺服放大器放大后轉換為三位繼電信號,控制可逆電機正轉或反轉,帶動(dòng)調節機構,使閥開(kāi)啟或關(guān)閉。
2.2 調節機構
調節閥門(mén)是調節閥的調節機構,它根據控制信號的要求而改變閥門(mén)開(kāi)度的大小來(lái)調節流量,是一個(gè)局部阻力可以變化的節流元件。調節閥門(mén)主要由上下閥蓋、閥體、閥瓣、閥座、填料及壓板等部件組成。在自動(dòng)控制系統中,閥門(mén)主要的調節介質(zhì)為水和蒸汽等。在壓力比較低,使用情況單一的情況下,常用的調節閥有直通調節閥、三通調節閥和蝶閥等。
直通閥有直通單座閥和雙座閥之分。單座閥結構簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,關(guān)閉時(shí)泄漏量小,但由于閥座前后存在的壓差對閥瓣產(chǎn)生的不平衡力較大,所以適用于低壓差的場(chǎng)合,例如供水管或回水管中。雙座閥有兩個(gè)閥瓣閥座,在其關(guān)閉狀態(tài)時(shí),兩個(gè)閥瓣的受力可部分抵消,閥瓣所受的不平衡力小,但是由于熱脹冷縮效應,其同時(shí)關(guān)閉性較差,造價(jià)也較高,只適用于閥前后壓差較高但密閉要求不高的場(chǎng)合,例如供水或回水之間的壓差旁通閥。
三通閥有三個(gè)出入口與管道相連,總進(jìn)水量較恒定,適用于定水量系統中,并要求有固定的安裝方向,不宜反裝,不適于溫差較大場(chǎng)合。三通調節閥有合流閥與分流閥之分。合流閥是將來(lái)自?xún)蓚(gè)入口的流體混合至一個(gè)出口。分流閥則是將一個(gè)入口的流體分別由兩個(gè)口送出。
蝶閥結構較簡(jiǎn)單,由閥體、蝶板軸及軸封等部分組成,其行程為 0°~90°。蝶閥有兩位式控制和比例控制 2 種方式。蝶閥的特點(diǎn)是阻力損失小,體積小,質(zhì)量輕,安裝方便,并且開(kāi)啟閥門(mén)和關(guān)閉閥門(mén)的允許壓差較大,但其調節性能和關(guān)閥密閉性能較差,通常用于壓差較大但調節性能要求不高的場(chǎng)所。除用作兩通閥外,還可以用兩個(gè)蝶閥組合,完成三通閥的功能。在自動(dòng)控制系統中,開(kāi)/關(guān)型電動(dòng)蝶閥常用于冷水和熱水系統中,作為水路的連通和關(guān)斷控制。
3 性能
3.1 工作原理
根據流體力學(xué)可知,調節閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節流元件。對不可壓縮流體,調節閥的流量可表示為:
式中:Q–調節閥某一開(kāi)度的流量,mm3/s
P1–調節閥進(jìn)口壓力,MPa
P2–調節閥出口壓力,MPa
A–節流截面積,mm2
ξ–調節閥阻力系數
ρ–流體密度,kg/mm3
由式(1)可知,當 A 一定,ΔP=P1-P2 也恒定時(shí),通過(guò)閥的流量 Q 隨阻力系數 ξ 變化,即阻力系數 ξ 愈大,流量愈小。而阻力系數 ξ 則與閥的結構和開(kāi)度有關(guān)。所以調節器輸出信號控制閥門(mén)的開(kāi)或關(guān),可改變閥的阻力系數,從而改變被調介質(zhì)的流量。
3.2 流量特性
調節閥的流量特性是指被調介質(zhì)流過(guò)調節閥的相對流量與調節閥的相對開(kāi)度之間的關(guān)系。其數學(xué)表達式為:
式中:Qmax–調節閥全開(kāi)時(shí)流量,mm3/s
L—-調節閥某一開(kāi)度的行程,mm
Lmax–調節閥全開(kāi)時(shí)行程,mm
調節閥的流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指在調節閥進(jìn)出口壓差固定不變情況下的流量特性,有直線(xiàn)、等百分比、拋物線(xiàn)及快開(kāi) 4 種特性(表1)。
流量特性 | 性質(zhì) | 特點(diǎn) |
---|---|---|
直線(xiàn) | 調節閥的相對流量與相對開(kāi)度呈直線(xiàn)關(guān)系,即單位相對行程變化引起的相對流量變化是一個(gè)常數 |
① 小開(kāi)度時(shí),流量變化大,而大開(kāi)度時(shí)流量變化小 ② 小負荷時(shí),調節性能過(guò)于靈敏而產(chǎn)生振蕩,大負荷時(shí)調節遲緩而不及時(shí) ③ 適應能力較差 |
等百分比 | 單位相對行程的變化引起的相對流量變化與此點(diǎn)的相對流量成正比 |
① 單位行程變化引起流量變化的百分率是相等的 ② 在全行程范圍內工作都較平穩,尤其在大開(kāi)度時(shí),放大倍數也大。工作更為靈敏有效 ③ 應用廣泛,適應性強 |
拋物線(xiàn) | 特性介于直線(xiàn)特性和等百分比特性之間,使用上常以等百分比特性代之 |
① 特性介于直線(xiàn)特性與等百分比特性之間 ② 調節性能較理想但閥瓣加工較困難 |
快開(kāi) | 在閥行程較小時(shí),流量就有比較大的增加,很快達最大 |
① 在小開(kāi)度時(shí)流量已很大,隨著(zhù)行程的增大,流量很快達到最大 ② 一般用于雙位調節和程序控制 |
在實(shí)際系統中,閥門(mén)兩側的壓力降并不是恒定的,使其發(fā)生變化的原因主要有兩個(gè)方面。一方面,由于泵的特性,當系統流量減小時(shí)由泵產(chǎn)生的系統壓力增加。另一方面,當流量減小時(shí),盤(pán)管上的阻力也減小,導致較大的泵壓加于閥門(mén)。因此調節閥進(jìn)出口的壓差通常是變化的,在這種情況下,調節閥相對流量與相對開(kāi)度之間的關(guān)系。稱(chēng)為工作流量特性。具體可分為串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性和并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性。
(1)串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性
調節閥與管道串聯(lián)時(shí),因調節閥開(kāi)度的變化會(huì )引起流量的變化,由流體力學(xué)理論可知,管道的阻力損失與流量成平方關(guān)系。調節閥一旦動(dòng)作,流量則改變,系統阻力也相應改變,因此調節閥壓降也相應變化。串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性與壓降分配比有關(guān)。閥上壓降越小,調節閥全開(kāi)流量相應減小,使理想的直線(xiàn)特性畸變?yōu)榭扉_(kāi)特性,理想的等百分比特性畸變?yōu)橹本(xiàn)特性。在實(shí)際使用中,當調節閥選得過(guò)大或生產(chǎn)處于非滿(mǎn)負荷狀態(tài)時(shí),調節閥則工作在小開(kāi)度,有時(shí)為了使調節閥有一定的開(kāi)度,而將閥門(mén)開(kāi)度調小以增加管道阻力,使流過(guò)調節閥的流量降低,實(shí)際上就是使壓降分配比值下降,使流量特性畸變,惡化了調節質(zhì)量。
(2)并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性
調節閥與管道并聯(lián)時(shí),一般由閥支路和旁通管支路組成,調節閥安裝在閥支路管路上。調節閥在并聯(lián)管道上,在系統阻力一定時(shí),調節閥全開(kāi)流量與總管最大流量之比隨著(zhù)并聯(lián)管道的旁路閥逐步打開(kāi)而減少。此時(shí),盡管調節閥本身的流量特性無(wú)變化,但系統的可調范圍大大縮小,調節閥在工作過(guò)程中所能控制的流量變化范圍也大大減小,甚至起不到調節作用。要使調節閥有較好的調節性能,一般認為旁路流量最多不超過(guò)總流量的 20%。
4 調節閥的選擇
4.1 流量特性選擇
流量特性的選擇方法有兩種,一種是通過(guò)數學(xué)計算的分析法,另一種是在實(shí)際工程中總結的經(jīng)驗法。由于分析法既復雜又費時(shí),所以一般工程上都采用經(jīng)驗法。具體來(lái)說(shuō),應該從調節質(zhì)量、工況條件、負荷及特性幾個(gè)方面考慮。
(1)根據自動(dòng)調節系統的調節質(zhì)量
根據自動(dòng)控制原理中的特性補償原理,為了使系統保持良好的調節質(zhì)量,希望開(kāi)環(huán)總放大系數與各環(huán)節放大系數之積保持常數。這樣,適當選擇閥的特性,以閥的放大系數變化來(lái)補償對象放大系數的變化,從而使系統的總放大系數保持不變。
(2)根據管道系統壓降變化情況
調節閥的壓降比 S 定義為該調節閥可控制的最大流量所對應閥門(mén)進(jìn)出口差壓 ΔP1m 和系統差壓 ΔP 之比:
調節閥流量特性與壓降比S有密切的關(guān)系(表2)。
管道系統壓降比 S | 1~0.6 | 0.6~0.3 | 0.3~0 |
---|---|---|---|
實(shí)際工作流量特性 | 直線(xiàn) 等百分比 | 直線(xiàn) 等百分比 | 調節不適宜 |
所選流量特性 | 直線(xiàn) 等百分比 | 等百分比 等百分比 |
(3)根據負荷變化
直線(xiàn)閥在小開(kāi)度時(shí)流量變化大,調節過(guò)于靈敏,易振蕩。在大開(kāi)度時(shí),調節作用又顯得微弱,造成調節不及時(shí),不靈敏。因此在壓降比S較小,負荷變化大的場(chǎng)合不宜采用直線(xiàn)閥。等百分比閥在接近關(guān)閉時(shí)工作緩和平穩,而接近全開(kāi)狀態(tài)時(shí),放大系數大,工作靈敏有效,因此它適用于負荷變化幅度大的場(chǎng)合?扉_(kāi)特性閥在行程較小時(shí),流量就較大,隨著(zhù)行程的增大,流量很快達到最大,它一般用于雙位調節和程序控制的場(chǎng)合。
(4)根據調節對象的特性
一般有自平衡能力的調節對象都可選擇等百分比流量特性的調節閥,不具有自平衡能力的調節對象則選擇直線(xiàn)流量特性的調節閥。
4.2 口徑選擇
調節閥口徑是根據工藝要求的流通能力確定的,要根據提供的工藝條件計算出調節閥的流通能力,再依據其流通能力選擇調節閥的口徑。流通能力是指當調節閥全開(kāi),閥兩端壓差為 9.81×104Pa,流體的密度為 1g/cm3 時(shí),每小時(shí)流經(jīng)調節閥的流量值,該值以 m3/h 或 kg/h 為單位。調節閥的流通能力是合理選擇閥門(mén)及閥門(mén)口徑的一個(gè)重要參數,通過(guò)對調節閥流通能力的計算,對比廠(chǎng)家提供的技術(shù)參數確定閥門(mén)口徑的大小。對于自動(dòng)控制系統來(lái)說(shuō),水是流經(jīng)調節閥的常見(jiàn)的介質(zhì)之一,所以以水為例介紹調節閥的流通能力 C:
實(shí)際工程中,閥門(mén)口徑是分級的,C 值通常也不是連續值(公式計算的 C 值是連續的)。不同廠(chǎng)商的同類(lèi)型產(chǎn)品有不同的 C 值與口徑對應表。在計算出期望的 C 值后,就可以查閱生產(chǎn)商的相應產(chǎn)品數據表來(lái)決定所需的閥門(mén)口徑。選取閥門(mén)口徑的原則應盡可能接近或大于計算結果,不應小于計算結果。
4.3 選用注意事項
(1)調節閥直接按照接管管徑選取是不合理的。閥門(mén)的調節品質(zhì)與接管流速或管徑?jīng)]有關(guān)系,閥門(mén)的調節品質(zhì)僅與水的阻力及流量有關(guān)。亦即一旦系統設備確定之后,理論上適合該系統的閥門(mén)只有一種理想的口徑,而不會(huì )出現多種選擇。
(2)調節閥口徑不能過(guò)小。選擇的閥門(mén)口徑過(guò)小,一方面會(huì )增加系統的阻力,甚至會(huì )出現閥門(mén)口徑 100% 開(kāi)啟時(shí),系統仍無(wú)法達到設定的容量要求,導致嚴重后果。另一方面閥門(mén)將需要通過(guò)系統提供較大的壓差以維持足夠的流量,加重泵的負荷,閥門(mén)易受損害,對閥門(mén)的壽命影響很大。
(3)調節閥口徑不能過(guò)大。選擇的閥門(mén)口徑過(guò)大,不僅增加工程成本,而且還會(huì )引起閥門(mén)經(jīng)常運行在低百分比范圍內,引起調節精度降低,使控制性能變差,而且易使系統受沖擊和振蕩。
(4)為了保證系統控制品質(zhì),最好的方法是在系統允許的范圍內選擇能獲得較大壓力降的閥門(mén)口徑,使閥門(mén)在運轉過(guò)程中壓力降的變化值盡可能小。閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下的壓力降占全泵壓百分比越高,則閥門(mén)壓力降相對變化值越小,閥門(mén)的安裝特性就越接近其內在特性。
(5)控制系統中調節閥應盡可能工作于恒定的壓力降條件下,因為閥門(mén)是否匹配盤(pán)管依賴(lài)于它的內在特性和流量因子,而這些閥門(mén)參數取決于恒定的閥門(mén)壓力降。
5 結語(yǔ)
設計調節閥時(shí),要求對調節閥的組成、分類(lèi)和特性有一個(gè)清楚的認識,并在此基礎上掌握正確的選擇方法。而且,對于一個(gè)實(shí)際系統配置調節閥時(shí),還需要對整個(gè)管系環(huán)路進(jìn)行詳盡的分析,綜合考慮各種因素。只有這樣,才能正確地選擇調節閥,保證調節系統的控制質(zhì)量。