化工自動(dòng)控制過(guò)程中氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選擇與應(yīng)用 

    摘要 闡述了在化工自動(dòng)控制過(guò)程中氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的地位以及對(duì)一定的控制過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的調(diào)節(jié)，怎樣從優(yōu)選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性和各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。

    關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制過(guò)程 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 流量特性 調(diào)節(jié)閥流通能力     

１ 前言     

在化工生產(chǎn)和自動(dòng)控制領(lǐng)域中，一個(gè)工藝控制過(guò)程是否能滿足各項(xiàng)工藝控制指標(biāo)，控制過(guò)程是否平穩(wěn)；超調(diào)量，衰減比，擾動(dòng)是否在規(guī)定的范疇之內(nèi)；是否穩(wěn)、快、準(zhǔn)，除了工藝設(shè)計(jì)合理，設(shè)備先進(jìn)外，重要的一點(diǎn)就是調(diào)節(jié)閥是否能根據(jù)主體控制意識(shí)而動(dòng)作，使過(guò)程主體的控制意識(shí)體現(xiàn)為物料能量和流量變化，如圖１所示。     

在眾多的化工自動(dòng)控制過(guò)程中，就是因調(diào)節(jié)閥質(zhì)量不過(guò)關(guān)，流量特性差，滲漏大，動(dòng)作不可靠而使自動(dòng)控制過(guò)程失去了高品質(zhì)調(diào)節(jié)，或者調(diào)節(jié)品質(zhì)差，有甚者失去了調(diào)節(jié)作用，而給生產(chǎn)帶來(lái)了重大的經(jīng)濟(jì)損失，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。調(diào)節(jié)閥的選擇與應(yīng)用越來(lái)越被人們所重視。

圖1 典型過(guò)渡過(guò)程控制曲線     

２ 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的流量特性     

２．１ 調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比     

我們用可調(diào)比來(lái)衡量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)控制能量，當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩側(cè)的差壓為定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥所能控制的*大流量qmax 和*小流量ｑmin之比，或所能控制的*大流通能力Ｃmax和*小流通能力Ｃmin 之比，稱為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比Ｒ。     

２．２ 壓降比Ｓ對(duì)串聯(lián)、并聯(lián)管路調(diào)節(jié)閥的影響     

２.２.１ 壓降比Ｓ     調(diào)節(jié)閥的壓降比定義為該調(diào)節(jié)閥可控制的*大流量所對(duì)應(yīng)閥門(mén)前后的差壓面△Pmin和系統(tǒng)總差壓△Ｐ之比；     當(dāng)調(diào)節(jié)閥用于串聯(lián)管路時(shí)，實(shí)際的可調(diào)比為：，如圖2 、圖3 所示。 圖2 調(diào)節(jié)閥串聯(lián)

圖3 S對(duì)串聯(lián)管路可調(diào)比影響       圖4、圖5為直線閥和等百分比閥在串聯(lián)管路中隨S畸變特性。 圖4 直線閥隨畸變特性

圖5 等百分比特性隨S畸變特性     

2.2.3 S對(duì)并聯(lián)管路中調(diào)節(jié)閥的影響

    

當(dāng)調(diào)節(jié)閥用于并聯(lián)管路時(shí)，該并聯(lián)管路總管流量qt分為兩路：一路是調(diào)節(jié)閥控制流量qc，另一路是旁路流量qb，qt=qc＋qb。實(shí)際上，由于旁路流量的分流，調(diào)節(jié)閥的實(shí)際可調(diào)比下降了，旁路閥門(mén)開(kāi)得越大，調(diào)節(jié)閥的控制能力越小。旁路程度恰好說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。旁路程度X為

    調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管路中實(shí)際可調(diào)比隨著旁路程度X值的減小而迅速降低，在使用中應(yīng)盡量不開(kāi)旁路門(mén)。如圖6，圖7所示。

國(guó)6 調(diào)節(jié)閥并聯(lián)作用

圖7 x對(duì)實(shí)際可調(diào)比的影響旁路程度     圖8、圖9為關(guān)聯(lián)管路中直線閥、等百分比閥隨X畸變特性

圖8 X對(duì)直線閥畸變特性

圖9 X對(duì)等百分比閥畸變特性

2．3 調(diào)節(jié)間的流量特性

2.3.1 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性    

 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過(guò)調(diào)節(jié)閥相對(duì)流量與閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系。在調(diào)節(jié)閥前后壓差不變的條件下，其流量特性是理想流量特性。常用的調(diào)節(jié)閥的理想流量特性有直線、等百分比、快開(kāi)特性和拋物線四種特性，如圖10所示。

圖10 四種調(diào)節(jié)閥理想流量特性 其中:q----在某一開(kāi)度時(shí)刻通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量       

qmax----閥全開(kāi)時(shí)通過(guò)閥門(mén)的流量

      l----閥門(mén)某一開(kāi)度下的行程（mm）       L----閥門(mén)的全行程（mm）

2.3.2 調(diào)節(jié)閥的工作流量特性     

在實(shí)際生產(chǎn)中管道系統(tǒng)除了調(diào)節(jié)閥外還有其它的串聯(lián)或并聯(lián)管道。因此，在生產(chǎn)中調(diào)節(jié)閥前后的差壓通常是變化的，在這種情況下相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系稱為工作流量特性，如表一所示。

表一 調(diào)節(jié)閥特性

線性閥	等百分比閥	拋物線閥
1.  在小開(kāi)度時(shí)流量變化大，而大開(kāi)度流量變化小。    2. 小負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)性能過(guò)于靈敏而產(chǎn)生振蕩，大負(fù)荷時(shí)，調(diào)節(jié)遲緩而不及時(shí)。    3. 適用性較小。	1. 每改變單位行程引起的流量變化的百分率是相等的。     2. 使用等百分比調(diào)節(jié)閥在全行程范圍內(nèi)工作都比較平穩(wěn)，尤其在大開(kāi)度時(shí)，放大倍數(shù)也大，工作更為靈敏有效。     3. 應(yīng)用廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)。	1. 其特性介于線性和等百分比特性之間，即是一條拋物線，即流量與行程的平方成正比。     2. 調(diào)節(jié)性能較為理想，但閥芯加工制作比較困難。

3 調(diào)節(jié)閥的流通能力     所謂調(diào)節(jié)閥的流通能力C是指調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流體體積和質(zhì)量，它反映了調(diào)節(jié)閥的流量特性c值在一定的條件下可定義為：在調(diào)節(jié)閥前后差壓為100KPa，水的密度為1000kg／m(立方)的條件下，每小時(shí)通過(guò)閥門(mén)水的立方米數(shù)。部分國(guó)產(chǎn)調(diào)節(jié)閥流通能力C值如表二所示。 表二 調(diào)節(jié)閥的流通能力C值表

公稱直徑Dg(mm)	閥門(mén)直徑dg(mm)	流通能力(m(立方)/h)
		單座閥	雙座閥
G3/4''	3	0.08
	4	0.12
	5	0.2
	6	0.32
	7	0.5
	8	0.8
20	10	1.2
	12	2
	15	3.2
	20	5
25	26	8	10
32	32	12	16
40	40	20	25
50	50	32	40
65	66	50	63
80	80	80	100
100	100	120	160
125	125	200	250
150	150	280	400
200	200	450	630
250	252		1000
300	303		1600

4 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選用       

4．1 調(diào)節(jié)閥類型的選擇

    

主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)被控工藝介質(zhì)的特點(diǎn)、控制要求、安裝環(huán)境等結(jié)合調(diào)節(jié)閥本身的流量特性和結(jié)構(gòu)而進(jìn)行選用，如表三所示。

表三 調(diào)書(shū)閥應(yīng)用特性

直通單座閥	直通雙座閥	角形閥	蝶閥	隔膜閥	閥體分離閥	三通閥	凸輪撓曲閥	套筒閥
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便，泄漏小，但受流體沖擊不平衡力大。適用于小口徑Dg≤25mm 的場(chǎng)合。	受流體沖擊不平衡力影響小，但關(guān)不嚴(yán)滲漏較大，適用于大口徑管道的場(chǎng)合。	角形閥的閥體受流體的沖擊小，體內(nèi)不易結(jié)污，對(duì)粘度高、有懸浮物和顆粒物的流體尤為適用，并且調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較好。	流阻小，適用于低差壓大流量的氣體及含有固體懸浮物的介質(zhì)，通常流量特性與等百分比相似。	用于強(qiáng)腐蝕性粘度高帶懸浮物或帶纖維的 介 質(zhì)，但不耐高溫和 高 壓。	用于強(qiáng)腐 蝕性介質(zhì)，但不耐高 壓和高溫。	適用于介質(zhì)三個(gè)方向的流 通。分三通合流閥和三通分流閥。對(duì)于三個(gè)系統(tǒng)的分合流控制非常有效。屬新型結(jié)構(gòu)閥。	屬新型結(jié)構(gòu)閥，閥體為直通型閥阻小 密封性好，可調(diào)節(jié)，通用性強(qiáng)，對(duì)于粘度大如泥漿、石灰介質(zhì)的調(diào) 節(jié)非常有效。	新型結(jié)構(gòu)閥，不平衡力小，可調(diào)性能好，通用性強(qiáng)、因維護(hù)方便而廣泛用于生 產(chǎn)之中，特別是高溫高粘 度，含顆粒結(jié)構(gòu)的介質(zhì)調(diào)節(jié)。

    在選用調(diào)節(jié)閥時(shí)還應(yīng)考慮上閥蓋的形式和所用的填料。當(dāng)使用工作溫度為-20～十250℃時(shí)，只需采用普通的結(jié)構(gòu)；當(dāng)工作溫度為-60～十450℃應(yīng)采用閥蓋上有多層散熱片的散熱結(jié)構(gòu)。還有波紋管的波紋室封密閥蓋主要用于劇毒、易揮發(fā)、易滲透等重要介質(zhì)的場(chǎng)合。     調(diào)節(jié)閥常用的密封填料有聚四氟乙烯和石棉繩填料，雖然前者比后者昂貴但密封效果卻好得多。     氣開(kāi)、氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥的選擇應(yīng)根據(jù)當(dāng)氣源信號(hào)壓力中斷時(shí)，調(diào)節(jié)閥處于打開(kāi)或關(guān)閉的位置對(duì)工藝生產(chǎn)造成危害性大小而定。若閥門(mén)處于打開(kāi)位置時(shí)危害性小則選用氣關(guān)式。動(dòng)作過(guò)程：有氣則關(guān)閉，無(wú)氣則開(kāi)啟；若閥門(mén)處于關(guān)閉位置時(shí)危害性小則選用氣開(kāi)式，動(dòng)作為有氣則開(kāi)，無(wú)氣則關(guān)     

4.2 調(diào)節(jié)閥口徑的選擇

    

利用計(jì)算公式及有關(guān)的物質(zhì)性圖表計(jì)算出常用的流通能力C值，如表四所示。

表四 調(diào)節(jié)間C值計(jì)算表

流體	壓差條件	計(jì)算公式	采用單位
液體			Q:體積流量 m(立方)/h M:質(zhì)量流量 kg/h △P:閥門(mén)前后壓差 KPa p:液體密度 kg/cm(立方)
氣體			QN:氣體流量 m(立方)/h pN:氣體密度 kg/m(立方) T:閥前氣體*溫度 K △P:調(diào)節(jié)閥前后壓差 KPa P1 P2:調(diào)節(jié)閥前后壓力 KPa
			Z:氣體的壓縮因素,可查有關(guān)圖表
蒸汽			Ms:蒸汽的質(zhì)量流量 kg/h △P:閥前后的差壓值 KPa P1 P2:調(diào)節(jié)閥前后壓力 KPa K:蒸汽修正系數(shù)
			△t:過(guò)熱蒸汽溫度

      調(diào)節(jié)閥口徑的選擇應(yīng)遵循以下原則     

1.根據(jù)所選擇的C值和流量特性，驗(yàn)證調(diào)節(jié)閥開(kāi)度是否合適。一般閥的開(kāi)度為全行程的90％～10％，即驗(yàn)算

其中：Cmax——工藝提出的*大流通能力； Cmin——工藝提出的*小流通能力。     流量的比值是否小于所選調(diào)節(jié)閥的實(shí)際可調(diào)范圍，即驗(yàn)算     其中：Qmax，Qmin——*大開(kāi)度和*小開(kāi)度的流量；     △Pmax， △Pmin——*大開(kāi)度及*小開(kāi)度時(shí)調(diào)節(jié)閥的壓差值。     

( 3) 一般情況下，等百分比閥*大流量對(duì)應(yīng)的開(kāi)度宜在90％，直線閥宜在70％，拋物線閥宜在80％，見(jiàn)表五。

表五 調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量的關(guān)系

特性↓	u%→	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
直線		8.16	13	22.7	32.3	42	51.7	61.3	71	80.6	90.4	100
等百分比		3.96	4.67	6.58	9.26	13	18.3	25.6	36.2	50.8	71.2	100
拋物線			7.3	12	13	26	35	45	62	70	84	100

    4.3 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇     

(1)從調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)分析。

    

考慮原則：適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)閥的特性，以閥的放大系數(shù)的變化來(lái)補(bǔ)償調(diào)節(jié)閥對(duì)象放大系數(shù)的變化，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持不變的控制效果，如圖11所示。

圖11 調(diào)節(jié)閥特性補(bǔ)償作用     

（2）從工藝配管情況分析

    如前所述調(diào)節(jié)閥流量特性與S壓降比有密切的關(guān)系，因此在選擇調(diào)節(jié)閥時(shí)，應(yīng)結(jié)合工藝配管情況加以考慮，見(jiàn)表六。

表六 調(diào)節(jié)閥工作流量特性配管情況對(duì)照表

配管情況	S=0.6-0.1			S=03.-0.6
實(shí)際工作特性	直線	平方根	等百分比	直線	平方根	等百分比
選閥的理想特性	直線	平方根	等百分比	等百分比	直線	等百分比

    （3）從負(fù)荷變化情況分析     

直線閥在小開(kāi)度時(shí)流量變化大，調(diào)節(jié)過(guò)于靈敏，容易引起振蕩，因此在S小負(fù)荷變化大的場(chǎng)合不宜使用；等百分比閥的放大系數(shù)隨閥門(mén)行程增加而增大，流量相對(duì)變化是恒定不變的，因此它適用于負(fù)荷變化幅度大的場(chǎng)合；快開(kāi)特性閥一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制的場(chǎng)合。