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调节阀流量特性(1)

2019-07-02

  调节阀流量特性(1)_机械/仪表_工程科技_专业资料。调节阀的流量特性及附件 ?5.2.1调节阀的流量特性 调节阀的阀芯位移与流量之间的关系,对控制 系统的调节品质有很大影响。 流量特性的定义: 被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开 度(相对位移

  调节阀的流量特性及附件 ?5.2.1调节阀的流量特性 调节阀的阀芯位移与流量之间的关系,对控制 系统的调节品质有很大影响。 流量特性的定义: 被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开 度(相对位移)间的关系称为调节阀的流量特性。 Q l = f( ) Qmax L Q/Qmax —相对流量 l/L — 相对开度 调节阀的流量特性 相对流量Q/Qmax 是控制阀某一 开度流量Q与全开时流量Qmax之比; 相对开度l/L 是控制阀某一开度 行程l与全开行程L之比。 L Q l = f( ) Qmax L 调节阀的流量特性不仅与阀门 的结构和开度有关,还与阀前后的 压差有关,必须分开讨论。 调节阀的流量特性 Q 为了便于分析,先将阀前后压差固定,然后再引伸到实际工作 情况,于是有固有流量特性与工作流量特性之分。 1、固有(理想)流量特性 在将控制阀前后压差固定时得到的流量特性称为固有流量特性。 它取决于阀芯的形状。 3 3 3 1 4 2 (1)直线)抛物线 调节阀的流量特性 (1)直线流量特性 控制阀的相对流量与相对开度成直线关系,即 单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式 表示为: 3 Q 1 l 1 ? (1- ) ? Qmax R L R R — 调节阀 1 2 4 的可调比系数。 调节阀的流量特性 可调比R为调节阀所能 控制的最大流量与最小流量 的比值。 3 1 2 4 R = Qmax / Qmin 其中Qmin不是指阀门全关时的泄漏量,而是阀门能平稳控 制的最小流量,约为最大流量的2~4%一般阀门的可调比R=30。 在小开度时,流量相对变化值大,灵敏度高,不易控制,甚 至发生震荡;在大开度时,流量相对变化值小,调节缓慢。 调节阀的流量特性 ? 直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的,但 其对流量的控制力却是不同的。 控制力:阀门开度改变时,相对流量的改变比值。 例如在不同的开度上,再分别增加10%开度,相对流 量的变化比值为 10%时: [(20-10)/10]×100%=100% 50%时: [(60-50)/50]×100%=20% 80%时: [(90-80)/80]×100%=12.5% Q/Q100 s=1 L/Lmax 调节阀的流量特性 (2) 等百分比(对数)流量特性 单位相对行程变化所引起的相对流量变化与 此点的相对流量成正比关系: Q =R Qmax l ( -1) L 3 ? 曲线斜率(放大系数)随行程 的增大而增大。流量小时,流量变化 小;流量大时,流量变化大。 ? 等百分比特性在直线特性下方, 在同一位移时,直线流量特性阀比等 百分比流量特性的调节阀通过的流量 大。 1 2 4 调节阀的流量特性 ? 等百分比阀在各流量点的放大系数不同,但对 流量的控制力却是相同的。 同样以10%、50%及80%三点为例,分别增加 10%开度,相对流量变化的比值为: 10%处: (6.58%-4.68%)/4.68%≈41% 50%处: (25.7%-18.2%)/18.2%≈41% 80%处: (71.2%-50.6%)/50.6%≈41% Q/Q100 s=1 L/Lmax 调节阀的流量特性 (3)快开特性 开度较小时就有较大流量,随开度的增大,流 量很快就达到最大,故称为快开特性。适用于迅速 启闭的切断阀或双位控制系统。 3 (4) 抛物线流量特性 特性曲线为抛物线, 介于直线 调节阀的流量特性 各种阀门都有自己特定的流量特性,如隔 膜阀的流量特性近于快开特性,蝶阀的流量特性接 近于等百分比特性。选择阀门时应该注意各种阀门 的流量特性。 对隔膜阀和蝶阀,由于它的结构特点,不 可能用改变阀芯的曲面形状来改变其特性。因此, 要改善其流量特性,只能通过改变阀门定位器反馈 凸轮的外形来实现。 调节阀的流量特性 2、调节阀的工作流量特性 实际使用时,调节阀装在具有阻力的管道系统 中。管道对流体的阻力随流量而变化,阀前后压差 也是变化的,这时流量特性会发生畸变。 例:管道串联时的工作流量特性 如图,管道系统总压力ΔP等于管路系统的压降 ΔPG与控制阀的压降ΔPT之和。 P 调节阀 管路及设备 △PT △PT △P △PG △ P △ PG Q 调节阀的流量特性 从串联管道中调节阀两端压差 △PT的变化曲线 可看出,调节阀全关时阀上压力最大,基本等于系 统总压力;调节阀全开时阀上压力降至最小。 为了表示调节阀两端压差 △ PT的变化范围,以 阀权度s表示调节阀全开时,阀前后最小压差△PTmin 与总压力△ P之比。 s =P /△P Tmin P 调节阀 管路及设备 △PT △PT △P △PG △ P △ PG Q 调节阀的流量特性 以Qmax 表示串联管道阻力为零时(s=1),阀全开时达 到的最大流量。可得串联管道在不同s值时,以自身Qmax作 参照的工作流量特性。 ? 流量特性畸变: s↓ 直线阀变为快开阀 对数阀变为直线阀 调节阀的流量特性 例:管道并联时的工作流量特性 有的调节阀装有旁路,便于手动操作和维护。 当生产能力提高或其他原因引起调节阀的最大流量 满足不了工艺生产的要求时,可以把旁路打开一些, 这时调节阀的理想流量特性就成为工作流量特性。 调节阀的流量特性 在图1-5-30所示的并联管路中, 有 q qmax 式中 = X?( l) +(1-X) L q——并联管道的总流量,即:q= q1+ q2; qmax——管路总流量的最大值;?——调节阀的理想流量特性; l/L——阀芯相对位移; X——调节阀全开时最大流量和总管流量之比,即 X= q1max qmax ? 上式表示并联管道的工作流量特性。理想流量特性为直线及等百分 比的调节阀,在不同的X值时,工作流量特性如图1-5-31所示。 ? 由图1-5-31可以看出,并联管道中,阀本身的流量特性变化不大, 但可调比降低了。实际应用中,为使调节阀有足够的调节能力,旁路 流量不能超过总流量的20%,即X值不能低于0.8。 调节阀的流量特性 结论 ? 串、并联管道使理想流量特性发生畸变,串联管道的影响尤为 严重; ? 串、并联管道式调节阀可调比降低,并联管道更为严重; ? 串联管道使系统总流量减少,并联管道使系统总流量增加; ? 串联管道调节阀开度小时放大系数增加,开度大时则减少,并 联管道调节阀的放大系数在任何开度下总比原来的减少。 调节阀的流量特性 5.3.1气动阀门定位器 气动阀门定位器接受气动调节器(或 电气转换器)的气压输出信号,然后产生与 该输出信号成比例的气压信号,用以控制气 动调节阀。气动阀门定位器按其工作原理可 分成位移平衡式和力(力矩)平衡式两大类。 下面介绍力(力矩)平衡式气动阀门定位器。 气动调节阀中,阀杆的位移是由薄膜 上气压推力与弹簧反作用力平衡确定的。 为了防止阀杆处的泄漏要压紧填料, 使阀杆摩擦力增大,且个体差异较大,这会 影响输入信号P的执行精度。 调节阀的附件 解决措施 在调节阀上加装 阀门定位器,引入阀杆 位移负反馈。使阀杆能 按输入信号精确地确定 自己的开度。 调节阀的附件 调节阀的附件 力(力矩)平衡式气动阀门定位器按力矩平衡原理工作,如图1-532所示。当通入波纹管1的信号压力增加时,使主杠杆2绕支点15转动, 挡板13靠近喷嘴14,喷嘴背压经放大器16放大后,送入到执行机构8的 薄膜室,并使阀杆向下移动,带动反馈杆9绕支点4转动,反馈凸轮5也 跟着作逆时针转动,通过滚轮10使副杠杆6绕支点7顺时针转动,并将 反馈弹簧11拉伸,弹簧11对主杠杆2的拉力与信号压力作用在波纹管1 上的力达到力矩平衡时仪表达到平衡状态。此时,一定的信号压力就 对应一定的阀门位置。弹簧12是调零弹簧,调其预紧力可使挡板初始 位置变化。弹簧3是迁移弹簧,在分程控制中用来改变波纹管对主杠杆 作用力的初始值,以使定位器在接受不同输入信号范围(20-60kPa或 60-100kPa)时,仍能产生相同的输出信号。 改变定位器反馈杆的长度可实现行程调整。将正作用定位器中的 波纹管从主杠杆的右侧换到左侧,调节调零弹簧,是定位器的使其输 出压力为100kPa,就能实现反作用调节。 调节阀的附件 5.3.2 电-气转换器 为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出 信号,必须把标准电流信号转换为标准气压信号。 电/气转换器作用: 把电动调节器或DCS 输出的电流信号转换成气 压信号,送到气动执行机 构或其他气动仪表上去。 (将4~20mA的电流信号 转换成20~100KPa的标准 气压信号 ) 调节阀的附件 常见的电-气转换器的结构原理图。它由三大步分组 成:电路部分,主要是测量线 构成,它产生永久磁场;气动力平衡部分,由喷嘴、挡 板、功率放大器及正、负反馈波纹管和调零弹簧组成。 电-气转换器的动作原理是力矩平衡原理。当4-20mA 的直流信号通入测量线圈之后,载流线圈在磁场中产生 电磁力,改电磁力与正、负反馈力矩平衡杠杆平衡,于 是输出信号就与输入电流成为一一对应的关系,从而把 电流信号变成对应的20-100kPa的气压信号。 调节阀的附件 工作原理 I ↑? 吸力Fi↑ ? 杠杆偏转 ? 挡板与喷嘴间隙↓ ? 背压↑ ? 放大器输入↑ ? 输出压力P ↑ ? 杠杆 的反馈力Ff ↑ ? 杠杆平衡 ? P∝I Fi 调零 负反馈 Ff 磁铁 背压 调节阀的附件 调节阀的附件 5.3.3 电-气阀门定位器 电-气阀门定位器输入信号为调节器来的4-20mA的直流电信号,输出 为驱动气动调节阀的气压信号,如图1-5-34所示。它能够同时起到电-气 转换器和气动阀门定位器的作用。实际应用中,常把电/气转换器和阀门 定位器结合成一体,组成电/气阀门定位器。 调节阀的附件 I↑?杠杆上端右移? 挡板靠近喷嘴 ? P压力↑ ?阀杆下移?反馈凸轮 右转 ?反馈弹簧右拉? 杠杆平衡 调节阀的附件 ?图1-5-35表示一种双向电-气 阀门定位器的工作原理。它是按 力矩平衡原理工作的,它与气动 阀门定位器有两个明显的区别, 一个是把波纹管组件换成力矩马 达,一个是把单相放大器改为双 向放大器。当信号点流通入到力 矩马达1的线圈两端时,它与永 久磁钢作用后,对主杠杆产生一 个力矩,于是挡板靠近喷嘴,经 放大器放大后的输出压力送入到 活塞式执行机构2的气缸,通过 反馈凸轮拉伸放反馈弹簧,弹簧 对主杠杆的反馈力矩与输入电流 作用在主杠杆上的力矩相平衡时, 仪表达到平衡状态,此时,一定 的输入电流就对应一定的阀门位 置。 调节阀的附件 5.3.4 智能式阀门定位器 随着电子技术的迅速发展,微处理器也被引入到 调节阀中,出现了智能式调节阀。主要功能如下: 1.控制及执行功能 2.补偿及校正功能 3.通信功能 4.诊断功能 5.保护功能 智能电动执行机构 调节阀的附件 5.3.5 阀门定位器的应用场合 阀门定位器是调节阀的主要附件,它和调节阀组成一个闭环回路,能够增大调节 阀的输出功率,减少调节信号的传递滞后,加快阀杆的移动速度,能够提高阀门 的线性度,克服阀杆的摩擦力并消除不平衡力的影响,从而保证调节阀的正确定 位。其主要作用如下: ?(1) 用于气动、电动仪表的复合调节系统 在调节系统中,检测和调节仪表经 常采用电器仪表,而执行机构又要求采用气动仪表。可采用电-气阀门定位器, 也可使用一台电-气转换器和一台气动阀门定位器。 ?(2) 用于摩擦力大的场合 当调节阀用于高压介质时,为了防止流体从阀杆填 料处泄漏,经常把填料压盖压得比较紧,在阀杆与填料之间会产生很大的摩擦力; 当介质温度过高或过低时,阀杆与填料之间的摩擦力增大,过大的摩擦力会使阀 杆行程产生误差。定位器能够克服这些摩擦力的作用,改善调节阀基本特性。 ?(3) 用于高压差场合 当调节阀两端的压差大于1MPa时,介质对阀芯产生较大 的不平衡力,从而破坏原来的工作位置,使控制系统产生扰动作用。使用定位器, 可以起到增大执行机构的输出力,克服不平衡力的作用。 ?(4) 用于介质中含有固体悬浮物、黏性流体、含纤维、易结焦的场合 使用定 位器可以克服这些介质对阀杆移动所产生的较大阻力。 调节阀的附件 (5) 增加执行机构的动作速度 当调节器与调节阀相距较远时,为尽量 缩短气动信号管的长度,克服信号的传递滞后,应使用电-气阀门定位器。 (6) 用于调节阀口径较大的场合 当调节阀口径大于100㎜、蝶阀口径 大于250㎜时,由于阀芯重,阀芯截面积大及执行机构气室容积增大,响应特 性变差。阀门定位器可改善调节阀的响应特性。 (7) 用于活塞式执行机构的比例动作 没有弹簧平衡的活塞式执行机构 一般是两位式动作,非开则关。配用阀门定位器(单向或双向)可使这种执 行机构执行比例动作。 (8) 方便实现调节阀反向动作 如果需要改变调节阀的气开/气关模式, 就必须把阀芯反装,或改装另一种作用方式(正、反)的执行机构,这种改 装限制较多,困难较大。如果利用阀门定位器,这种改变就容易多了。 (9)改善调节阀的流量特性 由于定位器反馈凸轮的几何形状决定调节 阀对定位器的反馈量,从而改变调节器的输出信号与调节阀开度之间的关系, 即修正了流量特性,所以调节阀的流量特性可以通过改变反馈凸轮的几何形 状来改变 调节阀的附件 (10) 操作非标准信号的执行机构 当阀门定位器的输出以标准信号 (20-100KPa)去操作非标准信号(如40-200KPa)的气动薄膜执行机构时, 可以有两种方法:一种是在定位器与执行机构之间配用一个1:2的气动继 动器,把信号压力放大一倍;另一种方法是通过将阀门定位器的气源压力 提高,这时阀门定位器的输出也相应提高,就可以操作非标准信号的执行 机构。 (11) 用于分程控制 分程控制如图1-5-37所示,两台定位器由一 台调节器来操纵。通过调整,使一台定位器的输入在20-60Kpa范围内变化 时,另一台在60-100 Kpa范围内变化时,输出均为20-100Kpa,从而实现 分程控制。 调节阀的附件 5.3.6 电磁阀 电动调节阀接受来自调节器的电流信 号,阀门开度连续可调。 电磁阀也接受来自调节器的电流信号, 但阀门开度是位式调节。 调节阀的附件 电磁阀由两个基本功能单元组成,即电磁线圈(电磁铁)和磁芯以 及包含一个或几个孔的阀体。当电磁线圈通电或断电时,磁芯的运动将导 致流体通过阀体或被切断。电磁线圈被直接装在阀体上,阀芯被封闭在密 封管中,构成一个简洁、紧凑的组合。 1.电磁阀的技术指标 电磁阀的常用技术指标有以下几个: (1) CV值(流量系数) 电磁阀的CV值与调节阀的CV值一样,表示 介质通过电磁阀的流通能力,它取决于以下三个因素:介质的最大和最小 流量;介质通过阀门的最大和最小压差;介质的相对密度、温度和黏度。 (2) 电磁线圈外壳的密封等级 一般有传统的金属密封和整体模 压的环氧树脂结构,在选用时要根据现场的实际使用条件即防水、防腐、 防爆及环境温度来选取相应的适用等级。 (3)最大操作压力差 最大操作压力差是指确保电磁线圈安全操作 阀门时可承受的阀门入口与出口间的最大压力差。若阀门出口压力是未知 的, 调节阀的附件 可把供给压力当作最大差压。需要注意,同口径的电磁阀使用交流 电驱动与使用直流电驱动其最大操作压力差是不同 (4) 最小操作压力差 最小操作压力差是指开启阀门所需的最小 压差。对于二通浮动活塞或浮动膜片阀来说,实际压差低于最小操作压力 差时,阀门将开始关闭。 (5) 安全操作压力 安全操作压力是指阀门可以承受的无损害的 管路或系统压力。试验压力是安全工作压力的5倍。 (6) 流体最高温度 阀门所允许使用的被控介质的最高工作温度。 (7) 阀体材质 应确保不与介质起化学反应(腐蚀)。如果大 气环境中含有腐蚀性气体,也需慎重选择阀体材质。 (8) 动作时间 阀门从全闭到全开或反之的时间称为动作时间。 它取决于阀门尺寸和操作形式、电力供给、流体黏度、入口压力和温度等。 调节阀的附件 2.电磁阀的选择 可从以下三个方面选择电磁阀: 按使用介质或功能选用 电磁阀一般按使用介质及用途而标注 名称,如可在蒸汽介质中使用的标为蒸汽电磁阀。常用电磁阀 有如下品种:二位二通电磁阀。二位三通电磁阀、二位四通电 磁阀、二位五通电磁阀、蒸汽电磁阀、微压电磁阀、制冷电磁 阀、渣油电磁阀、高温电磁阀、真空电磁阀、煤气电磁阀、防 爆电磁阀、船用电磁阀、防水电磁阀、脉冲电磁阀、不锈钢电 磁阀、塑料电磁阀、自锁电磁阀、多功能电磁阀和组合电磁阀 等。 按电磁阀工作原理选用 场合。 不同电磁阀适用于不同压力(压差) 调节阀的附件 按电磁阀口径选用 一般电磁阀通径与工艺管道通径相同。在石油化工装 置的联锁控制系统中,电磁阀一般用于操作仪表风去控制调节阀的动作。 此时,电磁阀的通径也应与仪表风管的管径相同。若电磁阀上压降较大, 在大口径时从节约与可靠性考虑,可选择比工艺管道通径小一档的电磁阀。 除一般考虑工作介质的温度、黏度、悬浮物、腐蚀性、压力、压差等因素 外,选用电磁阀还必须考虑下列问题: ① ② 为防止线圈烧坏,应限制电磁阀每分钟通断的工作次数。 介质进入导阀前,一般应先经过过滤器防止杂质堵塞阀门。 ③ 介质压力低于电磁阀的最小工作压力时,介质不能通过阀门,只有 当介质压力大于时最小工作压力才能通过阀门。 ④ 电磁阀有电开型(通电打开)和电闭型(通电闭合)两种,未特别 说明的,则一般为电开型。 ⑤ 通常电磁阀是水平安装。若垂直安装,电磁阀将不能正常工作。 调节阀的附件 3.电磁阀的动作原理 (1)常闭式二通电磁阀的动作原理 二通阀有一个入口和一个出口与管线连接, 它可以使流体流过阀门或切断流体通道。 它有两种结构:浮动膜片或活塞式,阀门 需要一个最小压降,保持阀门开启;悬挂 膜片或活塞式,靠电磁线圈磁芯机械地保 持开启,阀门压差即使是零,阀门也能开 启或保持开启。 图1-5-38所示为直动式二通阀。在直动阀 中,电磁线圈通电时,磁芯直接开启常闭 阀的孔,阀门将在其最大的压力范围内操 作。开启阀门需要的力与孔尺寸及流体压 力成正比。孔尺寸增大,所需要的力也增 大。因此,要开启大孔,又要保持电磁线 圈尺寸小,应选用先导式电磁阀。 调节阀的附件 图1-5-39所示的二通阀为 先导式二通阀,这类阀门 能借用管线压来操作一个 先导孔和一个旁通孔。电 磁线圈断电时,先导孔关 闭,管线的压力通过旁通 孔施压于活塞或膜片的顶 部,提供一个阀座力,严 密关闭阀门。电磁线圈通 电时,磁芯开启先导孔, 通过阀的出口消除活塞或 膜片的顶部压力,管线压 力本身将膜片或活塞推离 主孔,开启阀门。 调节阀的附件 (2)常闭式三通电磁阀的动作原理 三通电磁阀有三个孔与管线连接,其中 两个孔为输出 孔 (一个开启 另一个关 闭)。它们一般用于交替地向一个膜片 阀或单动气缸施压或排压,见图1-5-40。 三通电磁阀有三种操作方式: ① 常闭 阀断电时,压力口关闭, 而排气口连到气缸口;阀通电时,压力 口连到气缸口,而排气口关闭。 ② 常开 阀断电时,压力口连到 气缸口,而排气口关闭,阀通电时,压 力口关闭,而气缸口连到排气口; ③ 通用结构 允许阀连结成常闭 或常开位置其中之一,或选择两种流体 之一,或由一个口转换流动到另一个口。 调节阀的附件 ( 3 ) 常 闭 式 四 通电 磁阀的动作原理 四通电磁阀一般用于 操作双动气缸。它们 有四个或五个管线连 接口,其中有一个压 力口,两个气缸口和 一个或两个排气口, 见图1-5-41。在断电 位置,压力连接到一 个气缸口,另一个气 缸口连到排气口。在 通电位置,压力口和 排气口被反向连到气 缸口。 调节阀的附件 4.电磁阀的应用举例 如直动式电磁阀: 线圈通电时,产生电磁 力,吸引阀芯柱上移,阀门 打开。 线圈断电后,电磁力消 失,阀芯落下。在弹簧压力 下阀门紧闭。 电磁阀是位式阀,只有 全开和全关两个位置。 调节阀的附件 (1)直接用于控制 在一些要求不高的双位控制中常用电磁阀作执行装置,如卫生间的 自动供水。但由于控制准确度以及安全的因素,作为直接控制用的电 磁阀多用在不便操作处的排污或放空。 (2)用于联锁系统 电磁阀与气动调节阀可组装在一起在连锁系统中使用。图1-5-42 所示为两位三通电磁阀在联锁系统中的应用。控制系统中控制对象的 被控参数在正常范围内波动时,电磁阀带电,控制器的输出信号经过 电气阀门定位器,在经过电磁阀进入气动薄膜调节阀的膜头,正常工 作。当联锁系统检测出事故信号并要求采取紧急措施时,联锁信号时 电磁阀失电,这时控制器出来的信号经过电气阀门定位器,到电磁阀 处被切断,没有信号到气动执行机构,再根据所选用的调节阀的作用 方式以及其他条件(比如有否保位阀等),从而使调节阀停留在使生 产装置处于安全的状态。 调节阀的附件 在联锁系统 中,电磁阀一般在通电 情况下工作,即正常情 况下电磁阀带电。这是 为了避免电磁阀长期不 动作,可能生锈而失灵, 导致联锁要求动作时不 能动作,从而造成事故。 电磁阀长期通电可以防 止卡住,同时,也比较 容易判断出电磁阀是否 故障,便于维修。 调节阀的附件

  


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