過(guò)程控制調(diào)節(jié)閥的組成分類和選擇

1 調(diào)節(jié)閥的組成與分類


    調(diào)節(jié)閥又稱控制閥，是執(zhí)行器的主要類型，通過(guò)接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號(hào)，借助動(dòng)力操作去改變流體流量。調(diào)節(jié)閥一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門組成。如果按其所配執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的動(dòng)力，調(diào)節(jié)閥可以分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三種，即以壓縮空氣為動(dòng)力源的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以電為動(dòng)力源的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以液體介質(zhì)(如油等)壓力為動(dòng)力的電液動(dòng)調(diào)節(jié)閥，另外，按其功能和特性分，還有電磁閥、電子式、智能式、現(xiàn)場(chǎng)總線型調(diào)節(jié)閥等。調(diào)節(jié)閥的產(chǎn)品類型很多，結(jié)構(gòu)也多種多樣，而且還在不斷更新和變化。一般來(lái)說(shuō)閥是通用的，既可以與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配，也可以與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配。 


    2 調(diào)節(jié)閥類型的選擇


    2.1 調(diào)節(jié)閥的閥體類型選擇閥體的選擇是調(diào)節(jié)閥選擇中最重要的環(huán)節(jié)。


    調(diào)節(jié)閥閥體種類很多，常用的有直通單座、直通雙座、角形、隔膜、小流量、三通、偏心旋轉(zhuǎn)、蝶形、套筒式、球形等10種。在選擇閥門之前，要對(duì)控制過(guò)程的介質(zhì)、工藝條件和參數(shù)進(jìn)行細(xì)心的分析，收集足夠的數(shù)據(jù)，了解系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)閥的要求，根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)來(lái)確定所要使用的閥門類型。在具體選擇時(shí)，可從以下幾方面考慮:


    (1)閥芯形狀結(jié)構(gòu)主要根據(jù)所選擇的流量特性和不平衡力等因素考慮。


    (2)耐磨損性當(dāng)流體介質(zhì)是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時(shí)，閥芯、閥座接合面每一次關(guān)閉都會(huì)受到嚴(yán)重摩擦。因此閥門的流路要光滑，閥的內(nèi)部材料要堅(jiān)硬。


    (3)耐腐蝕由于介質(zhì)具有腐蝕性，在能滿足調(diào)節(jié)功能的情況下，盡量選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單閥門。


    (4)介質(zhì)的溫度、壓力當(dāng)介質(zhì)的溫度、壓力高且變化大時(shí)，應(yīng)選用閥芯和閥座的材料受溫度、壓力變化小的閥門。


    (5) 防止閃蒸和空化閃蒸和空化只產(chǎn)生在液體介質(zhì)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，閃蒸和空化不僅影響流量系數(shù)的計(jì)算，還會(huì)形成振動(dòng)和噪聲，使閥門的使用壽命變短，因此在選擇閥門時(shí)應(yīng)防止閥門產(chǎn)生閃蒸和空化。


    2.2 調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇


    2.2.1 輸出力的考慮


    執(zhí)行機(jī)構(gòu)不論是何種類型，其輸出力都是用于克服負(fù)荷的有效力(主要是指不平衡力和不平衡力矩加上摩擦力、密封力、重力等有關(guān)力的作用)。因此，為了使調(diào)節(jié)閥正常工作，配用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)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的開(kāi)啟。


    對(duì)于雙作用的氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般都沒(méi)有復(fù)位彈簧。作用力的大小與它的運(yùn)行方向無(wú)關(guān)，因此，選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵在于弄清最大的輸出力和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。對(duì)于單作用的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出力與閥門的開(kāi)度有關(guān)，調(diào)節(jié)閥上的出現(xiàn)的力也將影響運(yùn)動(dòng)特性，因此要求在整個(gè)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度范圍建立力平衡。


    2.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型的確定


    對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力確定后，根據(jù)工藝使用環(huán)境要求，選擇相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)有防爆要求時(shí)，應(yīng)選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，且接線盒為防爆型，不能選擇電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果沒(méi)有防爆要求，則氣動(dòng)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都可選用，但從節(jié)能方面考慮，應(yīng)盡量選用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)于液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其使用不如氣動(dòng)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)廣泛，但具有調(diào)節(jié)精度高、動(dòng)作速度快和平穩(wěn)的特點(diǎn)，因此，在某些情況下，為了達(dá)到較好調(diào)節(jié)效果，必須選用液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如發(fā)電廠透明機(jī)的速度調(diào)節(jié)、煉油廠的催化裝置反應(yīng)器的溫度調(diào)節(jié)控制等。


    3 調(diào)節(jié)閥的作用方式選擇


    調(diào)節(jié)閥的作用方式只是在選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)才有，其作用方式通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)正反作用和閥門的正反作用組合形成。組合形式有4種即正正(氣關(guān)型)、正反(氣開(kāi)型)、反正(氣開(kāi)型)、反反(氣關(guān)型)，通過(guò)這四種組合形成的調(diào)節(jié)閥作用方式有氣開(kāi)和氣關(guān)兩種。對(duì)于調(diào)節(jié)閥作用方式的選擇，主要從三方面考慮:a)工藝生產(chǎn)安全;b)介質(zhì)的特性;c)保證產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)損失最小。


    4 調(diào)節(jié)閥流，特性的選擇


    調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過(guò)閥門的相對(duì)流量與位移(閥門的相對(duì)開(kāi)度)間的關(guān)系，理想流量特性主要有直線、等百分比(對(duì)數(shù))、拋物線和快開(kāi)等4種，特性曲線和閥芯形狀如圖1和圖2所示。常用的理想流量特性只有直線、等百分比(對(duì)數(shù))、快開(kāi)三種。拋物線流量特性介于直線和等百分比之間，一般可用等百分比特性來(lái)代替，而快開(kāi)特性主要用于二位調(diào)節(jié)及程序控制中，因此調(diào)節(jié)閥特性的選擇實(shí)際上是直線和等百分比流量特性的選擇。


    調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇可以通過(guò)理論計(jì)算，但所用的方法和方程都很復(fù)雜。目前多采用經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，具體從下幾方面考慮:①?gòu)恼{(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量分析并選擇;②從工藝配管情況考慮;③從負(fù)荷變化情況分析。


    選擇好調(diào)節(jié)閥的流量特性，就可以根據(jù)其流量特性確定閥門閥芯的形狀和結(jié)構(gòu)，但對(duì)于像隔膜閥、蝶閥等，由于它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不可能用改變閥芯的曲面形狀來(lái)達(dá)到所需要的流量特性，這時(shí)，可通過(guò)改變所配閥門定位器的反饋凸輪外形來(lái)實(shí)現(xiàn)。


    5 調(diào)節(jié)閥口徑的選擇


    調(diào)節(jié)閥口徑的選擇和確定主要依據(jù)閥的流通能力即Cv。在各種工程的儀表設(shè)計(jì)和選型時(shí)，都要對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行Cv計(jì)算，并提供調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。從調(diào)節(jié)閥的Cv計(jì)算到閥的口徑確定，一般需經(jīng)以下步驟:


    1)計(jì)算流量的確定?，F(xiàn)有的生產(chǎn)能力、設(shè)備負(fù)荷及介質(zhì)的狀況，決定計(jì)算流量的Qmax和Qmin.


    2)閥前后壓差的確定。根據(jù)已選擇的閥流量特性及系統(tǒng)特點(diǎn)選定S(阻力系數(shù))，再確定計(jì)算壓差。


    3)計(jì)算Cv。根據(jù)所調(diào)節(jié)的介質(zhì)選擇合適的計(jì)算公式和圖表，求得Cmax和Cmin.


    4)選用Cv。根據(jù)Cmax,在所選擇的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)系列中選取>Cmax且與其最接近的一級(jí)C.


    5)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度驗(yàn)算。一般要求最大計(jì)算流量時(shí)的開(kāi)度≯90%，最小計(jì)算流量時(shí)的開(kāi)度≮10%。


    6)調(diào)節(jié)閥實(shí)際可調(diào)比的驗(yàn)算。一般要求實(shí)際可調(diào)比≮10。


    7)閥座直徑和公稱直徑的確定。驗(yàn)證合適后，根據(jù)C確定。


    6 結(jié)束語(yǔ)


    調(diào)節(jié)閥的選擇是非常細(xì)致的工作，不僅要有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)，還要有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。選擇得好不僅有利于調(diào)節(jié)控制回路PID參數(shù)的整定，使被調(diào)參數(shù)得到較好地控制效果，也使調(diào)節(jié)閥的使用壽命大大增長(zhǎng)。調(diào)節(jié)閥的選擇要因地制宜，并非一成不變，要在實(shí)踐的過(guò)程中不斷總結(jié)和創(chuàng)新，特別隨著機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)和數(shù)字信息技術(shù)的應(yīng)用，調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)功能變得更好、更全面，為選擇調(diào)節(jié)閥提供了極大的方便。