执行器（调节阀） [复制链接]

执行器是输油过程控制系统中一个重要的、必不可少的组成部分。它一般由执行机构和调节机构组成一体。在输油管道上，调节机构主要是各种类型的调节阀、挡板或风门等。其作用是接受来自
调节器的控制信号（或其它调节、控制信号），转换成角位移或直线位移输出，并通过调节机构（如调节阀）改变管道中介质的流量，使输油过程满足预定要求。
    执行器按照采用驱动能源形式的不同，可分为电动调书阀、气动调节阀、电动液压调节阀与电磁阀等。按照调节机构结构型式的不同又分为调节球阀，单座或双座调节阀、蝶阀等。    气动执行
机构除具有气动仪表的特点外，还有动作可靠稳定、输出力矩大、安装维修方便、价格便宜和防火防爆等优点。其缺点是滞后大，不适于远传（传送距离限制在1 50ｍ以内）。为了克服此缺点，可采
用电／气转换器或电／气阀门定位器，把控制室来的４～２０mA DC或０～10mA DC信号转换为 0.02-0.1MPa（0.2～1kgf／cm2）的气动标准统一信号，使传输信号为电信号，现场操作为气动信号。电
动执行机构能源取用方便，安装简单，信号传送速度快，适于近距离的信号传送，便于和工业控制计算机配合使用。但其推力小，响应速度慢，价格比气动的贵，在易爆易燃场所中检修困难。电动液
压式执行机构具有非常快的响应速度，电信号传送距离不受限制，能产生很大的驱动功率和能保证精确地定位等优点。其缺点是价格昂贵，液压系统要求非常清洁和过滤良好的管路系统以及维修较困
难等。
    在输油管道上，常采用电动液压式调节球阀来调节原油流量、压力；在有气源的现场，也采用气动调节阀。加热炉上大多采用电动调节阀、电动调节蝶阀、挡板等；采用电磁阀来开通或关断燃油
流量。
    １.调节机构
    节流式调节阀是一种主要的调节机构。从流体力学的观点看，它是一种局都阻力可以变化的节流元件。它安装在工艺管道上直接与被测介质接触，往往使用条件比较恶劣，例如在输送原油管道上
，要经受高粘度、高压力原油的作用。它接受执行机构的操纵，改变阀芯与阀座间的流通面积，调节原油的流量。
    调节阀有正作用和反作用两种。
调节阀的品种很多，根据阀芯的动作方式，分为直行程式和角行程式两大类。直行程式的阀有直通单座阀、直通双座阀、三通阀、小流量阀、笼式〔套筒阀〕等；角行程式的阀有蝶阀、凸轮挠曲阀、
球阀（O型、V型）等。按调节型式又分为调节型、切断型、调节切断型。
在输油管道上，常采用的调节阀有直通单座阀、直通双座阀、三通阀及蝶阀、凸轮挠曲阀、球阀等。
    单座阀适用于阀两端压差较小，对泄漏量要求严格的场合（其泄漏量为0.01%，是双座阀的1/10）。对于压差较高，就应适当地选用推力大的执行机构或配用阀门定位器。缺点是  介质对阀芯的不
平衡力大。双座阀的流通能力比同口径的单座阀大，介质对阀芯的不平衡力小，适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的场合。不适用于高粘度和含纤维的场合。
    蝶阀结构紧凑，体积小，流通能力大（约为同口径直通单，双座阀的２倍以上），价格低，特别适用于低压差、大口径、大流量的流体流量的调节。蝶阀的流量特性为近似等百分比。
    凸轮挠曲阀又称偏心旋转阀，是一种新型结构的调节阀，其流量特性为线性或等百分比特性，主要特点是体积小，重量轻，使用可靠，流通能力大．流体阻力小及密封性能好等。
    球阀作为调节机构得到了广泛的应用。在常用的调节阀中，球阀的流通能力是最高的。球阀结构简单，维护方便，开关迅速，可以在压降很大的情况下工作，其转角为0－90度。球阀按阀芯型式可
分为O型和V型球阀。O型球阀是在球体上开有一个直径等于管道内径的通孔。其流量特性为快开特性，一般作两位（开、关）调节用，可单方向旋转，亦可双方向旋转。为了得到调节特性，通常采用在
球体上开有“V”形缺口或抛物线口，使球体通径直径小于管道直径，通道形成”双节流孔”作用，以获得近似（改良）等百分比特性。前者称为赋予流量特性的球阀；后者称为全球阀。
    （1）流量特性：从自动控制的角度看，一个调节阀最重要的特性之一是它的流量特性。调节阀的固有流量特性是由阀内件的结构决定的。大多数输油控制过程都是使用线性、等百分比或者近似等
百分地流量特性的调节阀。
    图14-8示出快开、线性、等百分比、平方根、双曲线等基本的流量特性曲线。近似等百
分比流量特性一般介于线性和等百分比特性之间．图14-9示出几种调节阀的特性曲线。

图14-8阀门的固有流量特性曲线

图14-9各种类型阀门的流量特世曲线
    快开特性能在阀芯刚离开阀座时提供一个大的通道，但随着阀芯的进一步开启，流量却增加得很少。快开阀在一般的调节控制中不能使用，而只限于开、关场合使用。上面提及的O型球阀就是这样
的快开阀。
    线性特性是指流量变化与阀门开度成线性关系。从表面上着，这似乎是最理想的调节特性。然而，从阀门到连接有配管、设备和控制回路的系统来考虑，通常最为广泛使用的是等百分比特性。
    等百分比特性又称对数特性，是指当阀杆行程变化同样的值时，流量按等百分比变化。因此，等百分比特性的阀就具有这样的特性：即当阀的开度小时，流量非常小；而对于较大的开度，流量增
加的非常快，所以流量的可调范围大。
    很显然，所有阀门都有流量特性，图14-9示出了蝶阀、球阀、闸阀的流量特性。它们都具有介于线性和等百分比之间的特性。
    （2）调节阀口径的过择： 流通能力Cv是选择调节阀口径的主要依据。其计算及调节阀口径选择详见有关文献，这里不再赘述。
    2. 电动执行器
    电动执行器通常由电动执行机构和调节机构两部分组成，分为电动调节阀、电磁阀、电动调速泵、电功率调整器等。
    （1）电动调节阀：电动调节阀由电动执行机构和调节阀组成，通常连结成一个整体．以便于选择与使用。
    电动执行机构按功能分为角行程、直行程和多转式执行机构；按动作特性可分为比例式和积分式执行机构，按结构型式可分为普通型和特殊结构型（如防爆、防潮、热带用等）输油管道大多采用
比例式和防爆型。
    比例式电动执行机构的输出位移与输入信号成比例关系。积分式电动执行机构接受断续输入信号，其输出位移与输入信号成积分关系。
    具有角位移输出的比例式执行机构称为DKJ型角行程电动执行机构。它接受调节器来的４～２０mA DC或０～10mA DC电流信号，并变成 0-90度角位移输出，可带动风门、挡板、蝶阀等调节机构。
在输油管道上，常用这种执行机构来带动加热炉烟道挡板、风门挡板（蝶阀），分别控制炉膛负压和烟气中的含氧量、送风量等，提高加热炉的热效率。
    具有直行程位移输出的比例式执行机构称为DKZ型直行程电动执行机构。它同样接受调节器来的４～２０mA DC或０- １０mA DC电流信号，并变成相应的位移输出，可直接操纵调节机构。在输油管
道上，常用这种执行机构配调节阀去控制加热炉的燃油压力、流量，保证加热炉燃烧稳定、高效。
    DKJ型与DKZ型电动执行机构若与D型电动操作器配合，可实现控制系统的自动调节与手动操作的相互切换。当操作器的切换开关处于手动操作位置时，可利用正、反操作按钮直接控制电机的电源，
以实现执行机构输出轴的正转或反转，进行遥控手动操作。当操作器的切换开关处于自动位置时，执行机构则依据调节器的调节信号而改变输出轴的位移，即进行自动调节。在执行机构断电成操作器
的切换开关置于手动位置时，可在现场摇动手柄或手轮对执行机构进行手动操作。
    ３．气动执行器
    气动执行器由气动执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成，习惯上称为气动调节阀。它是以压缩空气作为动力源。气动执行机构按气动信号0.02-0.1MPa（0.2～1kgf／cm2）的大小产生相应的
输出力，通过执行机构的推杆，带动调节阀阀芯，产生相应的位移或转角，改变阀芯与阀座门的流通面积，从而达到控制流量的目的。气动执行器可根据需要配上阀门定位器和手轮机构等附件，增加
操作功能。
    气动执行机构主要有弹簧薄膜式和活塞式（或气缸式）两种。前者是最为常见的执行机构，它结构简单，便宜，比较可靠，维修容易，但其响应速度在某些应用场合还不能满足要求。活塞式其气
缸允许操作压力大，可达0.6MPa（6kgf／cm2），而且没有弹簧抵消推力，故具有较大的输出力。它适用于高静压，高压差以及需要较大推力的工艺场合。
    输油管道上，在有气源的现场，可采用气动调节阀。调节球阀是常采用的一种气动比例式调节阀。
    带气动阀门定位器的活塞执行机构的工作原理如图14-10所示。从调节器来的气压信号输入定位器的传感器波纹管内。如果信号压力增加，波纹管膨胀，挡板绕固定支点O顺时针方向转动，挡板Ⅱ
离开继动器Ｂ的喷嘴；指板Ⅰ靠近继动器Ａ的喷嘴。这样，继动器Ｂ的喷嘴背压减少；继动器Ａ的喷嘴背压增加。通过继动器的作用，输入气缸活塞上方的气压增加；而活塞下方的气压下降。由此在
活塞上产生了一个向下的作用力，活塞向下移动，通过活塞杆，曲柄，推动旋转轴动作，球芯也随之转动，从而改变了阀芯的位置，达到调节流量的目的。与此同时，反馈弹簧也随着活塞下降而拉伸
，使得挡板Ⅱ 靠近继动器Ｂ的喷嘴。由此，气缸活塞下方的气压上升，活塞上方的压力减少。从而使活塞重新平衡在所需要的位置上，使球芯能精确定位。同样地，如果调节器的输出信号压力减少，
活塞向上运动。
    上述为正作用的比例式执行机构，即活塞的位移与信号大小成正比。需要反作用时，只要把定位器中的波纹管装在挡板Ⅱ 的上方即可。
    如果不带阀门定位器，那就成为两位式。活塞由高压侧推到低压侧，阀只有开或关两种状态。
    V型调节球阀的流量特性为近似等百分比特性。具有流通能力大（相当于现有的双座阀流通能力的2-2.5倍），可调范围大（可达到300:1），密封效果好，控制特性好等特点，适合于控制各种液体
、气体和蒸气的调节场合。并且由于球芯和阀座之间具有剪切作用，尤其适用于含有纤维性和微小固体颗粒的悬浊液介质的调节场合。
    国产的气动Ｖ型调节球阀有比例式，两位式两种控制方式。其规格及技术数据详见有关图表。
    对电动调节仪表来说，在构成自动控制系统时，若选用气动调节球阀，必须配用电一气转换器或电一气阀门定位器。    

图14-10  带气动阀门定位器的活塞执行机构的工作原理图
１一调整弹簧； 2反馈弹簧；３一继动器B；4 一波纹管；
５一挡板Ⅱ；6 一挡板Ｉ； ７一继动器Ａ；
４．电动液压式调节球阀
    电动液压式调节球阀由电动液压式执行机构和调节球阀组成。电动液压式执行机构具有推力大，快速响应速度，动作可靠及能精确地定位等特点。它接收4-20mA DC电流信号来操纵比例式或两位式
调节球阀，达到调节介质流量的目的。
    在输油管道上，常用它作为输油泵站的出站压力调节阀，用来控制泵站的进泵压力不低于允许的最低吸入压力，出站压力不高于管线的最高允许操作压力。以及当管道发生水击时，通过提前改变
调节阀的压力设定值，确保压力不会超过最高允许操作压力。此外，也可以作为开、关型阀门。
电动液压式执行机构和单纯的电动执行机构通过电动机及减速器来使调节阀定位不一样。它是利用一自成体系的液压传输系统作媒介来使调节阀定位。典型的工作原理见图14-11。
    这种执行机构仅需要电动机电源以及来自调节器的电控制信号就可工作。如图示，电流信号馈送至一个移动线圈６中。当输入信号增大时，线圈周围产生磁场，向力马达７方向移动，并转动挡板
，使之贴近喷嘴Ａ而离开喷嘴B。同时，在波纹管内的不平衡压力转动挡板，贴近喷嘴Ｄ而离开喷嘴Ｃ。这样，由于喷嘴Ｄ被挡板盖住，输入油缸活塞上方的压力增加，推动活塞向下移动，从而带动活
塞杆同样下移。活塞下方的液压油通过喷嘴Ｃ排入到油箱里。    在活塞下移时，反馈凸轮的斜面使反馈杠杆顺时针轮动，减少反馈弹簧8的拉力。直到反馈弹簧的拉力与力马达产生的力相平衡时，活
塞的移动才停止下来。平衡时，挡板处于稳定状态。阀杆的位置由输入信号大小决定。
    同样地，当输入信号减少时，线圈离开力马达，活塞向上移动，带动阀杆同样向上移动。

图14-11 电动液压式执行机构工作原理图
１-吸入过滤器；2 -泵（包括溢流阀）；3 -电动机；４-调整弹簧．5 -插入信号、
6-线圈；7 -力马达；8-反馈弹簧；9-柱型关闭阀；１０-排气口：１１-反馈杠杆；
１２-旁通阀；13-泄漏连接口
    电动液压式执行机构的核心是电液伺服阀，电波伺服阀是以小的电信号控制并放大成功率较大的液压能量输出。
    喷嘴挡板式电波伺服阀输出液压较低，执行机构输出力或力矩较小。对于要求输出较大力或力矩的执行机构，采用别的型式的电液伺服阀，如射流管式等。
    这里必须注意的是，输油管道上用于压力、流量调节控制的执行机构应具有这样的功能，即一旦能量供应中断或信号系统故障时，阀门的位置不动（锁定在最后位置），或者移向全开的位置，以
保证管道的安全和正常运行。
    5．流量调节和压力调节
    当需要保证出口压力时，压力调节阀将通过改变流量的方法改变压力；当需要保证出口流量时，流量调节阀将通过阀的流量，这时进口端有适当的压力改变。
    为了在适当的范围内调节流量，必须注意见个因素。首先，在设计调节阀或确定调节阀尺寸时，要选择流量系数比所要求的有充分裕量的阀门，以便在流量万一发生波动或比预期的流量大时，仍
可保持调节。一般推荐流量系数取计算值的１.２５～２倍。这被从为是具有线性或等百分比调节特性阀门的最佳范围。如果确定的阀门在预计的最大流量时开度很大，继续增大开度就不会相应地增加
流量，工艺流程将失去控制。
    第二个需要考虑的因素是调节阀必须的或规定的压降值。通常应该把系统压降的尽可能大的部分给予阀门。以下所述是一般原则：
    ①通常把系统压降的１／３到１／２分配给调节阀。
    ②把吸水管绝对压力的５％以上、或系统动压损失的５０％以上分配给离心式压缩机吸气管中的调节阀。
    ③液体依靠静压由一个容器流到另一个容器时，把较低容器压力的 10％、或系统动压损失的５０％分配给调节阀。
    ④把设计压大的１０％分配给通向容器的蒸汽管道中的调节阀。
    第三个因素是选定能进行所需要的精密调节的阀瓣特性。一般指的是等百分比特性或线性特性。快开特性的阀门，用于调节流程时会产生非常大的增量，应当专用于关闭。
    第四个因素考虑流量范围，阀门必须在整个流量范围内保持有效的调节。这将在后面讨论调节范围时加以说明。在有些情况下，需要在非常宽的范围内进行调节，可能要两个阀门并联使用，一个
用于大流量调节。一个用于小流量调节。
    流量调节范围
在流量调节过程中，常常需要在一个大的流量值范围内保持精密调节。使阀门在整个流量范围保持必要调节的能力，用一个参数来描述，叫做调节范围。阀门的调节范围，即所谓固有调节范围，可以
定又为最大流量与最小流量之比，在此范围内，与确定的固有流量特性的偏差不超过某个规定的范围。换句话说，它是最大调节流量与最小调节流量的比值：Cmax／Cmin。理论上，有些阀类，如ｖ形
通道球阀、快开截止阀等，其调节范围可能非常大，实际上趋近于无穷大。这就是这些阀类可以用渗漏流量确定最小可调流量的原因。但是，非常大的调节范围值，一般是无意义的。首先，因为任何
实际的阀门操作机构都不可能随着调节信号把阀瓣调到准确的位置上；其次，因为没有需要调节范围如此大的实际流程。这样大的调节范围值叫做不可用调节范围。
    阀门的固有调节范围完全依赖于阀门调节元件的特性和阀门类别：例如单座截止阀、双座截止阀、蝶阀、或球阀。最小可调流量系数Cv被认为是：在此系数下，阀门的增益显著地大于由阀瓣特性
决定的值。因此，调节范围取决于阀门的增益（增益定义为流量的变化除以阀瓣升程的变比）。调节范围也取决于阀门调节元件的特性。总之，调节范围取决于阀门类别、阀门增益和阀门调节元件的
特性。注意，这三个参数不是各自无关的。
    还应注意的一个经验法则是：为具有良好的调节作用，阀门的调节范围应该大——至少 ５０：１。
    各种阀类的一些常用调节范围如下（需要更大的特性值时，查阅制造厂的文件）：
      截止型调节阀（快开调节件）：100
      截止型调节阀（线性调节件）：30
      截止型调节阀（抛物线调节件）：50
      截止型调节阀（等百分比）：30-60
      蝶阀（开度６０o）：33
      蝶阀（低扭矩，开度９０o）：100
      球阀（等百分比）：50
      特制的球阀：300
      隔膜阀：5
      仿形曲线调节件：50
      可调闸板：100
    应选定合适的阀门，以便产生需要的调节范围，推荐采用下列程序。首先算出上述用途需要的调节范围。第二步，查阅制造厂的文件选取需要的阀门，查看阀瓣升程９０％的Cv与阀瓣升程１０％
的Cv之比，是否等于或大于需要的调节范围，选定９０％和１０％的阀瓣升程值以保证得到精确的调节。但这并不是绝对的。如果算出所选阀门的调节范围比要求的小，可重新考虑，另选一只阀门，
控制造厂给定的调节范围检验；需要的话，也可用两台阀门并联。
    在多数生产过程中，阀门的固有调节范围大于预期流量范围的实际需要。因此，需要用另一个术语来描述实际的流量范围，叫做设备的调节度。调节度可以定义为额定最大流量与最小可调流量之
比。阀门的固有调节范围是一固定的参数，而调节度取决于系统参数，因而是可变的。例如研究通过调节阀时的压降减小的情况，似乎这意味着有一较大的阀门升程，从而意味着最小可调流量有一个
较大的值。因而减小了调节度，但阀门的调节范围不变。