過程控制調(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。一般來說閥是通用的,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)生足夠的輸出力來克服各種阻力,保證高度密封和閥門的開啟。
對(duì)于雙作用的氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),一般都沒有復(fù)位彈簧。作用力的大小與它的運(yùn)行方向無關(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(氣開型)、反正(氣開型)、反反(氣關(guān)型),通過這四種組合形成的調(diào)節(jié)閥作用方式有氣開和氣關(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)流過閥門的相對(duì)流量與位移(閥門的相對(duì)開度)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代替,而快開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從調(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達(dá)到所需要的流量特性,這時(shí),可通過改變所配閥門定位器的反饋凸輪外形來實(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)說明書。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)閥開度驗(yàn)算。一般要求最大計(jì)算流量時(shí)的開度≯90%,最小計(jì)算流量時(shí)的開度≮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
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。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。
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