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調節(jié)閥是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器,用來完成被控對象流量的調節(jié)。正確地選擇調節(jié)閥,是調節(jié)系統(tǒng)控制品質的保證。就調節(jié)閥的組成分類、流量特性進行了詳細描述,并給出調節(jié)閥的選擇方法和應注意的問題。
0?前言
調節(jié)閥是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器,是自動控制的終端主控元件,直接控制被測介質的輸送量。調節(jié)閥由執(zhí)行機構和調節(jié)機構組成,接受調節(jié)器或計算機的控制信號,用來改變被控介質的流量,使被調參數(shù)維持在所要求的范圍內,從而達到過程控制的自動化。在自動控制領域中,控制過程是否平穩(wěn)直接取決于調節(jié)閥能否準確動作,使過程控制體現(xiàn)為物料能量和流量精確變化。所以,要根據不同的需要選擇不同的調節(jié)閥。選擇恰當?shù)恼{節(jié)閥是管路設計的主要問題,也是保證調節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運行的關鍵。
1?類型選擇
調節(jié)閥一般由執(zhí)行機構和閥門組成。調節(jié)閥門是調節(jié)閥的調節(jié)機構,它根據控制信號的要求而改變閥門開度的大小來調節(jié)流量,是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。調節(jié)閥門主要由上下閥蓋、閥體、閥芯、閥座、填料及壓板等部件組成。在自動控制系統(tǒng)中,閥門主要的調節(jié)介質為水和蒸汽等。在壓力比較低、使用情況單一的情況下,常用的調節(jié)閥有直通調節(jié)閥、三通調節(jié)閥和蝶閥等種類。執(zhí)行機構按照使用的能源種類可分為氣動、電動、液動3種,即以壓縮空氣為動力源的氣動調節(jié),以電為動力源的電動調節(jié),以液體介質(如油等)壓力為動力的液動調節(jié)。其中,氣動執(zhí)行機構具有結構簡單、動作可靠、性能穩(wěn)定、價格低、維護方便、防火防爆等優(yōu)點,在許多控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。電動執(zhí)行機構雖然不利于防火防爆,但其驅動電源方便可取,且信號傳輸速度快、便于遠距離傳輸、體積小、動作可靠、維修方便、價格便宜。液動執(zhí)行器的推力大,且調節(jié)精度高、動作速度快及平穩(wěn),但設備體積大,工藝復雜。
(1)調節(jié)閥門類型的選擇
調節(jié)閥的閥體類型選擇是調節(jié)閥選擇中重要的環(huán)節(jié)。在選擇閥門之前,要對控制過程的介質、工藝條件和參數(shù)進行細心的分析,了解系統(tǒng)對調節(jié)閥的要求,根據所收集的數(shù)據來確定所要使用的閥門類型。在具體選擇時,可從以下幾方面考慮:
?、匍y芯形狀結構?主要根據所選擇的流量特性和不平衡力等因素考慮;
②耐磨損性?當流體介質是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時,閥芯、閥座接合面每一次關閉都會受到嚴重摩擦。因此閥門的流路要光滑,閥的內部材料要堅硬;
?、勰透g?由于介質具有腐蝕性,在能滿足調節(jié)功能的情況下,盡量選擇結構簡單閥門;
④介質的溫度、壓力?當介質的溫度、壓力高且變化大時,應選用閥芯和閥座的材料受溫度、壓力變化小的閥門;
?、莘乐归W蒸和空化?閃蒸和空化只產生在液體介質中。在實際生產過程中,閃蒸和空化不僅影響流量系數(shù)的計算,還會形成振動和噪聲,使閥門的使用壽命變短,因此在選擇閥門時應防止閥門產生閃蒸和空化。
(2)調節(jié)閥執(zhí)行機構的選擇
?、倏紤]執(zhí)行機構的輸出力?執(zhí)行機構不論是何種類型,其輸出力都是用于克服負荷的有效力(主要是指不平衡力和不平衡力矩、摩擦力、密封力、重力等有關力的作用)。因此,為了使調節(jié)閥正常工作,配用的執(zhí)行機構要能產生足夠的輸出力來克服各種阻力,保證高度密封和閥門的開啟。
?、诳紤]執(zhí)行機構的使用環(huán)境要求?對執(zhí)行機構輸出力確定后,根據工藝使用環(huán)境要求,選擇相應的執(zhí)行機構。例如,對于現(xiàn)場有防爆要求時,應選用氣動執(zhí)行機構,且接線盒為防爆型,不能選擇電動執(zhí)行機構。如果沒有防爆要求,則氣動、電動執(zhí)行機構都可選用,但從節(jié)能方面考慮,應盡量選用電動執(zhí)行機構。對于液動執(zhí)行機構,雖然使用不如氣動、電動執(zhí)行機構廣泛,但它具有調節(jié)精度高、動作速度快和平穩(wěn)的特點,所以在特殊的情況下,為了達到較好調節(jié)效果也會采用。后,還要考慮執(zhí)行機構的可靠性、經濟性,選擇動作平穩(wěn)、重量輕、外觀美、結構簡單、維護方便的執(zhí)行機構。
2?流量特性分析
2.1工作原理
根據流體力學可知,調節(jié)閥是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對不可壓縮流體,調節(jié)閥的流量??式中p1———調節(jié)閥前壓力;
p2———調節(jié)閥后壓力;
A———節(jié)流截面積;
ξ———調節(jié)閥阻力系數(shù);
ρ———流體密度。
由式(1)可知,當A一定,Δp =p1 -p2也恒定時,通過閥的流量Q隨阻力系數(shù)ξ變化,即阻力系數(shù)ξ愈大,流量愈小。而阻力系數(shù)ξ則與閥的結構和開度有關。所以調節(jié)器輸出信號控制閥門的開或關,可改變閥的阻力系數(shù),從而改變被調介質的流量。
2.2流量特性分析
調節(jié)閥的流量特性是指被調介質流過調節(jié)閥的相對流量與調節(jié)閥的相對開度之間的關系。
調節(jié)閥的流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指在調節(jié)閥前后壓差固定不變情況下的流量特性,有直線、等百分比、拋物線及快開4種特性,如表1。在實際系統(tǒng)中,閥門兩側的壓力降并不是恒定的,使其發(fā)生變化的原因主要有2個方面:
?、儆捎诒玫奶匦?當系統(tǒng)流量減少時由泵產生的系統(tǒng)壓力增加;
②當流量減少時,盤管上的阻力也減少,導致較大的泵壓加于閥門。因此調節(jié)閥前后的壓差通常是變化的,在這種情況下,調節(jié)閥相對流量與相對開度之間的關系,稱為工作流量特性。具體可分為串聯(lián)管道時的工作流量特性、并聯(lián)管道時的工作流量特性。
表1?調節(jié)閥4種理想流量特性
流量特性性質特點
直線調節(jié)閥的相對流量與相對開度呈直線關系,即單位相對行程變化引起的相對流量變化是一個常數(shù)。(1)小開度時,流量變化大而大開度時流量變化小; (2)小負荷時,調節(jié)性能過于靈敏而產生振蕩,大負荷時調節(jié)遲緩而不及時; (3)適應能力較差。
等百分比單位相對行程的變化引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比。(1)單位行程變化引起流量變化的百分率是相等的; (2)在全行程范圍內,工作都較平穩(wěn),尤其在大開度時,放大倍數(shù)也大,工作更為靈敏有效; (3)應用廣泛,適應性強
拋物線特性介于直線特性與等百分比特性之間,使用上常以等百分比特性代之。?(1)特性介于直線與等百分比特性之間; (2)調節(jié)性能較理想但閥芯加工較困難。
快開在閥行程較小時,流量就有比較大的增加,很快達大。(1)在小開度時流量已很大,隨著行程的增大,流量很快達到大; (2)一般用于雙位調節(jié)和程序控制。
(1)串聯(lián)管道時的工作流量特性
調節(jié)閥串聯(lián)管道時,因調節(jié)閥開度的變化會引起流量的變化,由流體力學理論可知,管道的阻力損失與流量成平方關系,調節(jié)閥一旦動作,流量則改變,系統(tǒng)阻力也相應改變,因此調節(jié)閥壓降也相應變化。串聯(lián)管道時的工作流量特性與壓降分配比有關。閥上壓降越小,調節(jié)閥全開流量相應減少,使理想的直線特性畸變?yōu)榭扉_特性,理想的等百分比特性畸變?yōu)橹本€特性。在實際使用中,當調節(jié)閥選得過大或生產處于非滿負荷狀態(tài)時,調節(jié)閥則工作在小開度,有時為了使調節(jié)閥有一定的開度,而將閥門關小以增加管道阻力,使流過調節(jié)閥的流量降低,實際上就是使壓降分配比值下降,使流量特性畸變,惡化了調節(jié)質量。
(2)并聯(lián)管道時的工作流量特性
并聯(lián)管路一般由閥支路和旁通管支路組成,調節(jié)閥安裝在閥支路管路上。調節(jié)閥在并聯(lián)管道上,在系統(tǒng)阻力一定時,調節(jié)閥全開流量與總管大流量之比隨著并聯(lián)管道的旁路閥逐步打開而減少。此時,盡管調節(jié)閥本身的流量特性無變化,但系統(tǒng)的可調范圍大大縮小,調節(jié)閥在工作過程中所能控制的流量變化范圍也大大減小,甚至起不到調節(jié)作用。要使調節(jié)閥有較好的調節(jié)性能,一般認為旁路流量多不超過總流量的20 %。
3?流量特性的選擇
流量特性的選擇方法:
①通過數(shù)學計算的分析法;
?、谠趯嶋H工程中總結的經驗法。由于分析法既復雜又費時,所以一般工程上都采用經驗法。具體來說,應該從以下幾個方面考慮:
(1)從自動調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)質量考慮
根據自動控制原理中的特性補償原理,為了使系統(tǒng)保持良好的調節(jié)質量,希望開環(huán)總放大系數(shù)與各環(huán)節(jié)放大系數(shù)之積保持常數(shù)。這樣,適當選擇閥的特性,以閥的放大系數(shù)變化來補償對象放大系數(shù)的變化,可使系統(tǒng)的總放大系數(shù)保持不變。
(2)根據管道系統(tǒng)壓降變化情況來選擇
調節(jié)閥的壓降比定義為該調節(jié)閥可控制的大流量所對應閥門前后差壓Δp1m和系統(tǒng)差壓Δp之比
調節(jié)閥流量特性與壓降比S有密切的關系,如表2所示。
表2?根據管道系統(tǒng)壓降選擇調節(jié)閥特性表
管道系統(tǒng)壓降比S 1-0.6 0.6-0.3 0.3-0
實際工作流量特性直線等百分比直線等百分比調節(jié)不適宜
所選流量特性直線等百分比直線等百分比
(3)從負荷變化的情況來分析
直線閥在小開度時流量變化大,調節(jié)過于靈敏,易振蕩;在大開度時,調節(jié)作用又顯得微弱,造成調節(jié)不及時,不靈敏。因此在壓降比S較小、負荷變化大的場合不宜采用直線閥。等百分比閥在接近關閉時工作緩和平穩(wěn),而接近全開狀態(tài)時,放大系數(shù)大,工作靈敏有效,因此它適用于負荷變化幅度大的場合?？扉_特性閥在行程較小時,流量就較大,隨著行程的增大,流量很快達到大,它一般用于雙位調節(jié)和程序控制的場合。(4)根據調節(jié)對象的特性進行選擇一般凡是具有自平衡能力的調節(jié)對象都可選擇等百分比流量特性的調節(jié)閥,不具有自平衡能力的調節(jié)對象則選擇直線流量特性的調節(jié)閥。
4?調節(jié)閥口徑選擇
選擇調節(jié)閥門口徑的目的是使閥門和管道組合,產生一個合理的組合線性特性,使系統(tǒng)的調節(jié)能進行有效控制。調節(jié)閥口徑是根據工藝要求的流通能力確定的,由提供的工藝條件計算出調節(jié)閥的流通能力,再依據其流通能力選擇調節(jié)閥的口徑。
要合理選擇調節(jié)閥門的口徑,必須了解調節(jié)閥流通能力。流通能力是指當調節(jié)閥全開,閥兩端壓差為9.81×104 Pa ,流體的密度為1 g cm3時,每小時流經調節(jié)閥的流量值。調節(jié)閥的流通能力是合理選擇閥門及閥門口徑的一個重要參數(shù),通過對調節(jié)閥流通能力的計算,比對廠家提供的技術參數(shù)確定閥門口徑的大小。對于自動控制系統(tǒng)來說,水是流經調節(jié)閥普通、常見的介質,所以這里以水為例介紹調節(jié)閥的流通能力。
在實際工程中,閥門口徑是分級的, C值通常也不是連續(xù)值(公式計算的C值是連續(xù)的)。不同廠商的同類型產品有不同的C值與口徑對應表。在算出期望的C值后,就可以查閱生產商的相應產品數(shù)據表來決定所需的閥門口徑。選取閥門口徑的原則應盡可能接近或大于計算結果,不應小于計算結果。
5注意事項
(1)調節(jié)閥門直接按照接管管徑選取是不合理的,因為閥門的調節(jié)品質與接管流速或管徑沒有關系,閥門的調節(jié)品質僅與水的阻力及流量有關。亦即一旦系統(tǒng)設備確定之后,理論上適合該系統(tǒng)的閥門只有一種理想的口徑,而不會出現(xiàn)多種選擇。
(2)就閥門的選擇而言,選擇的閥門口徑過小,一方面會增加系統(tǒng)的阻力,甚至會出現(xiàn)閥門口徑100 %開啟,系統(tǒng)也無法達到設定的容量要求,導致嚴重后果;另一方面閥門將需要通過系統(tǒng)提供較大的壓差以維持足夠的流量,加重泵的負荷,閥門易受損害,對閥門的壽命影響很大。
(3)就閥門的選擇而言,選擇的閥門口徑過大,不僅增加工程成本,而且還會引起閥門經常運行在低百分比范圍內,引起調節(jié)精度降低,使控制性能變差,而且易使系統(tǒng)受沖擊和振蕩。
(4)為了保證系統(tǒng)控制品質,好的方法是在系統(tǒng)允許的范圍內選擇能獲得較大壓力降的閥門口徑,使閥門在運轉過程中壓力降的變化值盡可能小。閥門全開狀態(tài)下的壓力降占全泵壓百分比越高,則閥門壓力降相對變化值越小,閥門的安裝特性就越接近其內在特性。
(5)控制系統(tǒng)中調節(jié)閥應盡可能工作于恒定的壓力降條件下,因為閥門是否匹配盤管依賴于它的內在特性和流量因子,而這些閥門參數(shù)取決于恒定的閥門壓力降。
綜上所述,進行調節(jié)閥設計的目是大限度地保證系統(tǒng)控制的品質要求,這就要求對調節(jié)閥的組成、分類、特性有一個清楚的認識,并在此基礎上掌握正確的選擇方法。而且,對于一個實際系統(tǒng)配置調節(jié)閥時,還需要對整個管系環(huán)路進行詳盡的分析,綜合考慮各種因素。只有這樣,才能正確地選擇調節(jié)閥,保證調節(jié)系統(tǒng)的控制品質。