第五章 执行器.doc

第五章 自动控制阀
执行器是控制系统的执行机构，它接受控制器的控制信号，调整控制变量，从而影响被控参数以补偿干扰作用，最终使得被控参数回到工作点。由于过程工业中的控制变量常常是流体，所以执行器一般都是控制阀。根据控制阀的驱动能源不同，一般分为两种，既气动控制阀和电动控制阀。又由于过程工业中的控制阀常常工作在危险区域，所以过程工业中大量使用的是气动控制阀。根据控制方式不同，可以分为连续控制阀和开关阀。常用开关阀是电磁阀。由于需要向位于现场的电磁阀供电，所以这类阀门不能用在危险区域内。
第一节 控制阀结构与流量特性
一．控制阀结构及选择
图5．1-1 典型执行机构
a 气动直行程执行机构
b 电动直行程执行机构
控制阀结构分为两部分，即执行器部分与阀体部分。执行器分为气动执行器和电动执行器。按其动作形式还可分为直行程执行器和角行程执行器。控制阀上的执行器大部分是直行程执行器，图5．1-1是两种典型的执行机构图。

控制阀阀体部分是决定流量特性的关键部分，同时根据不同的使用情况，厂家设计了多种阀体结构。表格5．1-1给出了常见阀体结构的特点及适用场合。
表5．1-1 不同结构形式控制阀特点及适用场合
阀结构形式
特 点 及 使 用 场 合
直通单座
阀前后压降低，适用于要求泄漏量小的场合
直通双座
阀前后压降大，适用于允许较大泄漏量的场合
角阀
适用于高压降、高粘度、含悬浮物或颗粒状物质的场合
高压阀
适用于高压控制的特殊场合
蝶阀
适用于有悬浮物的流体、大流量气体、压差低、允许较大泄漏量的场合
隔膜阀
适用于有腐蚀性介质的场合
三通阀
适用于分流或合流控制的场合

二．控制阀流量特性
控制阀特性有阀体特性和执行器特性组合而成。执行器特性所完成的工作是将信号转变为控制阀阀杆位移，控制阀阀体特性完成的工作是将阀杆位移变为流通面积的变化，进而改变流量。
1．控制阀理想流量特性
1）控制阀阀体理想流量特性
（1）直线形流量特性
（5—1）
两边积分得：
（5—2）
当L=0时，Q=Qmin，Qmin为控制阀得最小可控流量。可得。
当L=Lmax时，Q=Qmax，Qmax为控制阀得最大可控流量。可得

令，R成为该控制阀得可调比。则线性流量特性为：
（5—3）
（2）等百分比（对数）流量特性
（5—4）
两边积分得：
（5—5）
代入边界条件解出K和C，最后可得：
（5—6）
（3）抛物线特性
抛物线特性是介于等百特性与直线特性之间的一种特性。其特性公式为：
（5—7）
两边积分得：
（5—8）
经整理可得到：
（5—9）
（4）快开特性
（5—10）

2）执行器特性
气动执行器的输入信号为20kP~100Kp，电气阀门定位器的输入信号为4~20mA，电气阀门定位器（转换器）将4~20mA 转换为的电信号20kP~100Kp的气信号，再通过执行器上的压力膜片或活塞转换为阀杆位移。下面是其转换关系：
a．电气阀门定位器（转换器）
（5—11）
b．压力膜片或活塞转换为阀杆位移
（5—12）
将公式（5—12）代入公式（5—3）、（5—6）、（5—9），就可得出气信号与流量的关系。
将公式（5—11），（5—12）联立，可解出：
（5—13）
将公式（5—13）代入公式（5—3）、（5—6）、（5—9），就可得出电信号与流量的关系。
下面表5—1是控制阀整体理想特性表

表5—1 控制阀整体理想特性表
阀门特性类型
气信号与流量
电信号与流量
线性特性

等百分比特性

抛物线特性

快开特性

图5．1-2中是常见控制阀整体特性
100（%）
D
A
C
B

0 100（%）

图5．1-2 控制阀整体特性

图中5．1-2中A是线性特性，B是等百分比特性，C是抛物线特性，D是快开特性。
2．控制阀实际流量特性
（1）串联管道的工作特性
控制阀与其他管件串联在一起，压力降将分配给控制阀和这些管件上，为此定义控制阀全开时阀上的压力降与管道总压力降之比为s系数，既：

该参数描述了管道中控制阀上与管道阻力上压降分配情况。s=1表示管道所有压力都降落在控制阀上，即管道阻力为零，其压力降为零。此时管道当中的流量完全由控制阀所决定。当s=0表示控制阀压力降为零，即管道压力降都降落在管道上，此时管道中的流量由管道阻力决定，控制阀已经不能控制管道流量。一般来说，当s≤0.3时该管道流量不适合控制。
图5．1-3为串联阻力等百分比特性控制阀工作特性与s的关系。图5．1-4为串联阻力下线性特性控制阀工作特性与s的关系。
s

图5．1-4 串联阻力下线性特性控制阀
工作特性与s的关系

s
图5．1-3 串联阻力下等百分比特性控制阀
工作特性与s的关系

由图5．1-3和图5．1-4可以看出，管道阻力的增加，即s下降，将导致控制阀的最大流量变小，流量特性畸变。等百分比特性向线性特性变化，线性特性向快开特性变化。
（2）并联管道的工作特性
当控制阀有旁路存在时，则流过管道总管的流量又两部分组成，即流过控制阀的流量QVmax和流过旁路的流量Q。定义控制阀全开时流量QVmax与管道总流量之比为x系数。即：

该参数描述了管道中控制阀与旁路流量分配情况。x=1表示控制阀的流量就是管道的最大流量，即旁路流量等于零。此时管道流量完全由控制阀决定。当x=0表示控制阀的最大流量非常小，旁路流量非常大，即控制阀对流量的影响非常小。
x

图5．1-6 有旁路线性特性控制阀
工作特性与x的关系

x
图5．1-5 有旁路等百分比特性控制阀
工作特性与x的关系
图5．1-5为有旁路等百分比特性控制阀工作特性与x的关系。图5．1-6为有旁路线性特性控制阀工作特性与x的关系。

由图5．1-5和图5．1-6可以看出，管道旁路流量的增加，即x下降，将导致控制阀的最小可控流量变大，控制阀的实际可调范围变小。
三．控制阀开闭形式及其选择
1．控制阀开闭形式
控制阀接受的是气压信号，当膜头输入压力增大，控制阀开度也增大时，称之为气开阀（A.O：Air Open）。反之，当膜头输入压力增大时，控制阀开度减小，则称之为气闭阀(A.C：Air Close)。
对于一个具体的控制系统来说，控制阀选气开还是气闭，要由具体的生产工艺来决定。一般来说，要根据以下几条原则来进行选择。
(1)首先要从生产安全出发。即当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制阀膜片破裂而漏气等而使控制阀无法正常工作，以致阀芯回复到无能源的初始状态(气开阀回复到全闭，气闭阀回复到全开)，应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。如锅炉供水控制阀，为了保证发生上述情况时不致把锅炉烧坏，控制阀应选气闭式。
(2)从保证产品质量出发。当发生控制阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。如精馏塔回流量控制阀常采用气闭式，一旦发生事故，控制阀全开，使生产处于全回流状态，这就防止了不合格产品的蒸出，从而保证塔顶产品的质量。
(3)从降低原料、成品、动力损耗来考虑。如控制精馏塔进料的控制阀就常采用气开式，一旦控制阀失去能源控制阀即处于关闭状态，不再给塔进料，以免造成浪费。
(4)从介质的特点考虑。精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般都选气开式，以保证在控制阀失去能源时能处于全闭状态，避免蒸汽的浪费。但是如果釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，控制阀则应选气闭式，以防控制阀失去能源时阀门关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。
一般来说，有了上面介绍的几条原则，控制阀开闭形式的选择是不难解决的。不过有两种情况在控制阀开闭形式的选择上需要加以注意。
第一种情况是由于工艺要求不一，对于同一个控制阀可以有两种不同的选择结果。如图5．1-7所示的锅炉供水控制阀，如果从防止蒸汽带液会损坏后续设备汽轮机 (蒸汽带液会导致蒸汽轮机叶片损坏)的角度出发，控制阀应选气开式。如果从保护锅炉出发，防止断水而导致锅炉烧爆，控制阀则应选气闭式。如果出现这种情况，需要与工艺专业认真分析，仔细协商分清主次，权衡利敝，慎重进行选择。如果前者是主要要求则应选气开阀，如果后者是主要要求则应选气闭阀。
FC

图5．1-8 离心泵出口流量控制阀选择
蒸汽

LC

供水
图5．1-7 锅炉供水控制阀选择

第二种情况是某些生产工艺对控制阀的开闭形式的选择没有严格的要求。在这种情况下，控制阀的开闭形式可以任选。图5．1-8所示离心泵出口流量控制阀就属于这种情况。因为控制阀在无能源状态时无论处于全关或全开位置都不会对离心泵造成什么伤害，对离心泵的安全运行也没有影响。因此，控制阀的开闭形式可以任选。
2．控制阀主要技术参数及选择
控制阀阀主要技术参数有流通能力C、公称通径DN、公称压力PN和工作温度等。
（1）流通能力C
流通能力C表示的是控制阀流过流体的能力。其定义为控制阀前后压力差为100kPa，流体重度为1000g/cm2条件下流过控制阀的体积流量，单位为[m3/h]。实际工况是多种多样的，具体的C值可根据工艺条件计算进行选择。相关的计算过程可参考有关专业手册。下面表5—2是C值计算公式汇总。
表5—2 C值计算公式汇总
流体
压力差条件
计算公式
采用单位
液体

或

当液体黏度＜20CS时，应当进行黏度修正。
Q——体积流量[m3/h]
G——重量流量[t/h]
Δp——阀前后压力差[kPa/cm2]
γ——流体重度[g/ cm3]
气体
当Δp＜0.25p1

当Δp≥0.25p1

QN——体积流量[Nm3/h]
γN——标准重度[kg/N cm3]
t——操作温度[℃]
Δp——阀前后压力差[kPa/cm2]
p1——阀前绝对压力[kPa/cm2]
ε——压缩系数

蒸汽
当Δp＜0.5p1

当Δp≥0.5p1

Gs——重量流量[kgf/h]
Δp——阀前后压力差[kPa/cm2]
p1——阀前绝对压力[kPa/cm2]
γ1——操作状态下饱和或过蒸汽重度[kg/ cm3]
ε——压缩系数

（2）公称通径DN
公称通径DN是控制阀主要的接管参数，根据该参数来决定连接管道的直径。不同C参数下有不同的公称通径DN，用户可根据管道直径选择一个接近控制阀的公称通径DN。
（3）公称压力PN
公称压力PN是控制阀在一定条件下的最大耐压。在该压力之下工作，控制阀不会对外发生泄漏。一般控制阀的公称压力PN有1.6、4.0、6.4、10.0、16.0MPa。因此在选用时应当根据具体的使用条件，选择一个大于工艺最大压力的公称压力PN。需要注意，如果使用条件发生变化，使用压力也会发生改变。例如PN为1.6 MPa的碳钢阀，工作温度为200℃时可耐1.6 MPa的压力，当工作温度为200℃时，可耐1.5 MPa的压力，当工作温度变为400℃时，则只能耐0.7 MPa的压力。
（4）工作温度
是指控制阀可以工作的最大温度。常见有（-20℃~+225℃）、（-60℃~-250℃）、（-60℃~+450℃）、（+450℃~+650℃）几种温度范围。
第二节 气动控制阀
执行机构接受自控系统中调节仪表给定的电流信号(或气压信号)经过电气(气动)阀门定位器转换成气压输入到气室中，作用于膜片上产生推力，使推杆产生位移。与此同时，经过托盘使弹簧受到压缩，当膜片推力和弹簧反作用力相互平衡时，推杆便停止位移，达到预定的位置，这样便可使调节阀门得到高精度的定位功能。
通常，在执行机构中弹簧置于膜片下方时，输入气压增大时，推杆向下移动为正作用执行机构，反之称为反作用执行机构。图5．1-9是正作用与反作用执行机构示意图。
p
p
图5．1-9 正作用与反作用执行机构示意图
a 正作用
b 反作用

与执行机构相似，控制阀的阀体也有正作用与反作用之分。控制阀阀杆下移导致流通面积减小成为正作用，控制阀阀杆下移导致流通面积减小成为反作用。
图5．1-10是直通单座控制阀正作用、反作用阀体图。

图5．1-10 直通单座控制阀正作用、反作用阀体图
a 正作用
a 反作用

这样，执行机构与阀体就有四种组合，既：
表5—3
执行器
阀体
控制阀
执行器
阀体
控制阀
正作用
正作用
气闭
反作用
正作用
气开
正作用
反作用
气开
反作用
正作用
气闭

但通常使用者只是关系控制阀的整体气开、气闭形式。
常见的气动薄膜控制阀的型号编排由三部分组成，为：

第一部分

第二部分
尾注
表示温度，见表5—4
整体作用方式，K为气开，B为气闭。
表示公称压力。以数字表示。
控制阀结构形式。直通双座为N，直通双座为P
执行机构特征。正作用为A，反作用座为B
M，表示气动薄膜执行机构。
Z，表示执行器类。

表5—4
名称
普通型
长颈型
散（吸）热型
波纹管密封
代号

D
G
V
温度范围
（-20℃~+225℃）
（-60℃~-250℃）
（-60℃~+450℃）

控制阀有直通单座、直通双座、角形、高压、三通、蝶阀和隔膜阀等不同结构形式，这要根据生产过程的不同需要和控制系统的不同特点来进行选用。图5．1-11中给出了几种常见的控制阀。

图5．1-4 几种常见的控制阀
a
b
c

图5．1-11中a为气动直通单座控制阀，b为气动蝶阀，c为气动角阀

第三节 电动控制阀
电动控制阀有两大类，一类是连续控制阀。电动控制阀一般所指是电动连续控制阀。一类是开关阀，例如电磁阀。
一．电动控制阀
图5．1-5 常见的电动控制阀
电动控制阀的执行机构是电动的，一般是可逆电机带动变速机构，产生角位移或直线位移，然后带动相应的机构使得阀门改变流通面积。电动控制阀的阀体部分与气动控制阀没有什么区别。下面图5．1-5中是常见的电动控制阀。

伺服放大器
4~20mA
伺服
电机
电动操作器
角位置发生器
角执行器
角度输出

变
速
机
构
图5．1-5 电动角执行机构方块图
电动执行机构分为角执行机构和直行程机构两种。下面图5．1-5和图5．1-6是这两种执行机构的方块图。

伺服放大器

4~20mA
伺服
电机
电动操作器
线位置发生器
直行程执行器
直线输出

变
速
机
构
图5．1-6 电动直行程执行机构方块图

电动执行机构由两部分组成，即执行机构和伺服放大器执行机构由伺服电机、变速箱、位置信号发生器组成，伺服放大器由220VAC供电，接收4~20mA的控制信号，与位置发生器产生的位置反馈信号进行比较，产生驱动伺服电机的信号。
由于电动控制阀需要220VAC供电，所以不能做成本质安全型控制阀，需要时可选择隔爆型电动控制阀。
二．电磁阀
电磁阀的用途有两个方面，一种是用于信号回路的切换，例如电—液系统；一种是用于切换（断）流体。前者公称通径都比较小，而后者的公称通径比较大。信号切换电磁阀一般都是多入——多出流通通路。切换（断）流体的电磁阀一般都只有一个流通通路。作为过程控制中使用的电磁阀，一般都是切换（断）流体的电磁阀。
过程控制中使用电磁阀一般有两种情况，一种是直接切换（断）工艺流体，一种是做气动控制阀气路切换（断），这种情况一般出现在信号连锁、自动开停车系统。
自动控制中有时会采取开关型控制，此时的执行器是电磁阀。下面图5．1-6中是两种电磁阀的外型。
与控制阀相类似，电磁阀也有电开、电闭形式。没有加电时电磁阀处在其初始状态，加电之后电磁阀转换其状态。加电导致电磁阀开通其通路的叫做电开型电磁阀，加电导致电磁阀闭锁其通路的叫做电闭型电磁阀。
除了上述电开、电闭形式之外，用户还需要注意电磁阀供电要求。一般电磁阀供电要求有两种，既220VAC和24VDC。
图5．1-6 两种电磁阀外型

第四节 电—气阀门定位器与电—气转换器
一．电—气阀门定位器
由于过程工业的特殊性，出于安全考虑过程控制系统大量的采用气动薄膜控制阀。而控制装置送出的信号常常是电信号，例如4~20mA、0~10mA。这就需要将电信号转换为气信号。另外，当控制阀口径比较大，管道内压力比较高，控制阀上压力降比较大时，控制阀阀杆所受到的不平衡力就比较大，控制阀阀杆定位就会出现偏差，此时需要对阀门进行准确定位。另外，在分程控制中一个控制器需要控制两个以上的控制阀，每个阀门都需要接受20kPa~100 kPa的气信号，这就需要将4~20mA、0~10mA的电流信号分成若干段，此时需要电—气阀门定位器将一段电流信号转换成20kPa~100 kPa的气信号。电—气阀门定位器的基本工作原理是，信号电流通过线圈产生一个电磁力，该电磁力通过杠杆带动挡板使其靠近喷嘴，所产生的背压使气动放大器产生一个输出。下面图5．1-7是电—气阀门定位器工作原理图。
输入电流
气源
气动放大器
挡板，喷嘴
磁钢
阀位反
馈凸轮
反馈
弹簧
图5．1-7 电—气阀门定位器工作原理图
零点弹簧

电—气阀门定位器的阀杆位移——电流关系可用下式表示：
4~20 mA
0~10mA
当电流I=4或0 mA时，L=0；当电流I=20或10 mA时，L= Lmax
当电流信号通过磁钢里的线圈时，其所产生的电磁力会使得挡板靠近喷嘴，所产生的背压使得气动放大器产生一个输出信号，该信号通过管路送到控制阀的膜头上推动阀杆向下移动。通过电—气阀门定位器上的连杆带动凸轮，将反馈弹簧向相反方向拉动，如果阀杆没有到达规定位置，则气动放大器就会增加其输出，最终使得电—气阀门定位器中的杠杆平衡。电—气阀门定位器正是通过其位置反馈来实现阀杆准确定位的。
通过调整零点弹簧可以调整杠杆初始位置实现零点调整。通过调整反馈弹簧的张力可实现放大倍数的调整。
二．电—气转换器
如果只完成电信号到气信号的转换，则这种装置叫做电—气转换器。电—气转换器与电—气阀门定位器的工作原理基本相同，只是反馈信号不是来自阀杆位移。气动放大器的输出信号送到反馈波纹管中作为反馈力与电流信号的电磁力建立平衡，所以电—气转换器不能感测到阀杆位移，也就不能准确定位阀杆位置。
5．1-8是电—气转换器工作原理图
输入电流
气源
气动放大器
挡板，喷嘴
磁钢
零点弹簧
反馈波纹管
下面图5．1-8是电—气转换器工作原理图。

电—气转换器的气压信号——电流关系可用下式表示：
4~20 mA
0~10mA
当电流I=4或0 mA时，p=20 kPa；当电流I=20或10 mA时，p= 100 kPa

思考题与习题
1． 如何选择控制阀的结构？
2． 控制阀的理想流量特性的定义是什么？
3． 控制阀有几种理想流量特性？
4． 何谓等百分比流量特性？
5． 控制阀的工作特性是什么？
6． s系数是如何定义的？
7． S系数对控制阀特性有什么影响？