化工自動控制過程中氣動調(diào)節(jié)閥的選擇與應用 

    摘要 闡述了在化工自動控制過程中氣動調(diào)節(jié)閥的地位以及對一定的控制過程。為了實現(xiàn)高品質(zhì)的調(diào)節(jié)，怎樣從優(yōu)選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性和各項技術參數(shù)。

    關鍵詞：自動控制過程 氣動調(diào)節(jié)閥 流量特性 調(diào)節(jié)閥流通能力     

１ 前言     

在化工生產(chǎn)和自動控制領域中，一個工藝控制過程是否能滿足各項工藝控制指標，控制過程是否平穩(wěn)；超調(diào)量，衰減比，擾動是否在規(guī)定的范疇之內(nèi)；是否穩(wěn)、快、準，除了工藝設計合理，設備先進外，重要的一點就是調(diào)節(jié)閥是否能根據(jù)主體控制意識而動作，使過程主體的控制意識體現(xiàn)為物料能量和流量變化，如圖１所示。     

在眾多的化工自動控制過程中，就是因調(diào)節(jié)閥質(zhì)量不過關，流量特性差，滲漏大，動作不可靠而使自動控制過程失去了高品質(zhì)調(diào)節(jié)，或者調(diào)節(jié)品質(zhì)差，有甚者失去了調(diào)節(jié)作用，而給生產(chǎn)帶來了重大的經(jīng)濟損失，增加了勞動強度。調(diào)節(jié)閥的選擇與應用越來越被人們所重視。

圖1 典型過渡過程控制曲線     

２ 氣動調(diào)節(jié)閥的流量特性     

２．１ 調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比     

我們用可調(diào)比來衡量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)控制能量，當調(diào)節(jié)閥兩側的差壓為定值時，調(diào)節(jié)閥所能控制的*大流量qmax 和*小流量ｑmin之比，或所能控制的*大流通能力Ｃmax和*小流通能力Ｃmin 之比，稱為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比Ｒ。     

２．２ 壓降比Ｓ對串聯(lián)、并聯(lián)管路調(diào)節(jié)閥的影響     

２.２.１ 壓降比Ｓ     調(diào)節(jié)閥的壓降比定義為該調(diào)節(jié)閥可控制的*大流量所對應閥門前后的差壓面△Pmin和系統(tǒng)總差壓△Ｐ之比；     當調(diào)節(jié)閥用于串聯(lián)管路時，實際的可調(diào)比為：，如圖2 、圖3 所示。 圖2 調(diào)節(jié)閥串聯(lián)

圖3 S對串聯(lián)管路可調(diào)比影響       圖4、圖5為直線閥和等百分比閥在串聯(lián)管路中隨S畸變特性。 圖4 直線閥隨畸變特性

圖5 等百分比特性隨S畸變特性     

2.2.3 S對并聯(lián)管路中調(diào)節(jié)閥的影響

    

當調(diào)節(jié)閥用于并聯(lián)管路時，該并聯(lián)管路總管流量qt分為兩路：一路是調(diào)節(jié)閥控制流量qc，另一路是旁路流量qb，qt=qc＋qb。實際上，由于旁路流量的分流，調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)比下降了，旁路閥門開得越大，調(diào)節(jié)閥的控制能力越小。旁路程度恰好說明了這個問題。旁路程度X為

    調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管路中實際可調(diào)比隨著旁路程度X值的減小而迅速降低，在使用中應盡量不開旁路門。如圖6，圖7所示。

國6 調(diào)節(jié)閥并聯(lián)作用

圖7 x對實際可調(diào)比的影響旁路程度     圖8、圖9為關聯(lián)管路中直線閥、等百分比閥隨X畸變特性

圖8 X對直線閥畸變特性

圖9 X對等百分比閥畸變特性

2．3 調(diào)節(jié)間的流量特性

2.3.1 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性    

 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥相對流量與閥門相對開度之間的關系。在調(diào)節(jié)閥前后壓差不變的條件下，其流量特性是理想流量特性。常用的調(diào)節(jié)閥的理想流量特性有直線、等百分比、快開特性和拋物線四種特性，如圖10所示。

圖10 四種調(diào)節(jié)閥理想流量特性 其中:q----在某一開度時刻通過調(diào)節(jié)閥的流量       

qmax----閥全開時通過閥門的流量

      l----閥門某一開度下的行程（mm）       L----閥門的全行程（mm）

2.3.2 調(diào)節(jié)閥的工作流量特性     

在實際生產(chǎn)中管道系統(tǒng)除了調(diào)節(jié)閥外還有其它的串聯(lián)或并聯(lián)管道。因此，在生產(chǎn)中調(diào)節(jié)閥前后的差壓通常是變化的，在這種情況下相對流量與相對開度之間的關系稱為工作流量特性，如表一所示。

表一 調(diào)節(jié)閥特性

線性閥	等百分比閥	拋物線閥
1.  在小開度時流量變化大，而大開度流量變化小。    2. 小負荷時調(diào)節(jié)性能過于靈敏而產(chǎn)生振蕩，大負荷時，調(diào)節(jié)遲緩而不及時。    3. 適用性較小。	1. 每改變單位行程引起的流量變化的百分率是相等的。     2. 使用等百分比調(diào)節(jié)閥在全行程范圍內(nèi)工作都比較平穩(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。	1. 其特性介于線性和等百分比特性之間，即是一條拋物線，即流量與行程的平方成正比。     2. 調(diào)節(jié)性能較為理想，但閥芯加工制作比較困難。

3 調(diào)節(jié)閥的流通能力     所謂調(diào)節(jié)閥的流通能力C是指調(diào)節(jié)閥全開時，單位時間內(nèi)通過調(diào)節(jié)閥的流體體積和質(zhì)量，它反映了調(diào)節(jié)閥的流量特性c值在一定的條件下可定義為：在調(diào)節(jié)閥前后差壓為100KPa，水的密度為1000kg／m(立方)的條件下，每小時通過閥門水的立方米數(shù)。部分國產(chǎn)調(diào)節(jié)閥流通能力C值如表二所示。 表二 調(diào)節(jié)閥的流通能力C值表

公稱直徑Dg(mm)	閥門直徑dg(mm)	流通能力(m(立方)/h)
		單座閥	雙座閥
G3/4''	3	0.08
	4	0.12
	5	0.2
	6	0.32
	7	0.5
	8	0.8
20	10	1.2
	12	2
	15	3.2
	20	5
25	26	8	10
32	32	12	16
40	40	20	25
50	50	32	40
65	66	50	63
80	80	80	100
100	100	120	160
125	125	200	250
150	150	280	400
200	200	450	630
250	252		1000
300	303		1600

4 氣動調(diào)節(jié)閥的選用       

4．1 調(diào)節(jié)閥類型的選擇

    

主要是根據(jù)現(xiàn)場被控工藝介質(zhì)的特點、控制要求、安裝環(huán)境等結合調(diào)節(jié)閥本身的流量特性和結構而進行選用，如表三所示。

表三 調(diào)書閥應用特性

直通單座閥	直通雙座閥	角形閥	蝶閥	隔膜閥	閥體分離閥	三通閥	凸輪撓曲閥	套筒閥
結構簡單，裝配方便，泄漏小，但受流體沖擊不平衡力大。適用于小口徑Dg≤25mm 的場合。	受流體沖擊不平衡力影響小，但關不嚴滲漏較大，適用于大口徑管道的場合。	角形閥的閥體受流體的沖擊小，體內(nèi)不易結污，對粘度高、有懸浮物和顆粒物的流體尤為適用，并且調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較好。	流阻小，適用于低差壓大流量的氣體及含有固體懸浮物的介質(zhì)，通常流量特性與等百分比相似。	用于強腐蝕性粘度高帶懸浮物或帶纖維的 介 質(zhì)，但不耐高溫和 高 壓。	用于強腐 蝕性介質(zhì)，但不耐高 壓和高溫。	適用于介質(zhì)三個方向的流 通。分三通合流閥和三通分流閥。對于三個系統(tǒng)的分合流控制非常有效。屬新型結構閥。	屬新型結構閥，閥體為直通型閥阻小 密封性好，可調(diào)節(jié)，通用性強，對于粘度大如泥漿、石灰介質(zhì)的調(diào) 節(jié)非常有效。	新型結構閥，不平衡力小，可調(diào)性能好，通用性強、因維護方便而廣泛用于生 產(chǎn)之中，特別是高溫高粘 度，含顆粒結構的介質(zhì)調(diào)節(jié)。

    在選用調(diào)節(jié)閥時還應考慮上閥蓋的形式和所用的填料。當使用工作溫度為-20～十250℃時，只需采用普通的結構；當工作溫度為-60～十450℃應采用閥蓋上有多層散熱片的散熱結構。還有波紋管的波紋室封密閥蓋主要用于劇毒、易揮發(fā)、易滲透等重要介質(zhì)的場合。     調(diào)節(jié)閥常用的密封填料有聚四氟乙烯和石棉繩填料，雖然前者比后者昂貴但密封效果卻好得多。     氣開、氣關式調(diào)節(jié)閥的選擇應根據(jù)當氣源信號壓力中斷時，調(diào)節(jié)閥處于打開或關閉的位置對工藝生產(chǎn)造成危害性大小而定。若閥門處于打開位置時危害性小則選用氣關式。動作過程：有氣則關閉，無氣則開啟；若閥門處于關閉位置時危害性小則選用氣開式，動作為有氣則開，無氣則關     

4.2 調(diào)節(jié)閥口徑的選擇

    

利用計算公式及有關的物質(zhì)性圖表計算出常用的流通能力C值，如表四所示。

表四 調(diào)節(jié)間C值計算表

流體	壓差條件	計算公式	采用單位
液體			Q:體積流量 m(立方)/h M:質(zhì)量流量 kg/h △P:閥門前后壓差 KPa p:液體密度 kg/cm(立方)
氣體			QN:氣體流量 m(立方)/h pN:氣體密度 kg/m(立方) T:閥前氣體*溫度 K △P:調(diào)節(jié)閥前后壓差 KPa P1 P2:調(diào)節(jié)閥前后壓力 KPa
			Z:氣體的壓縮因素,可查有關圖表
蒸汽			Ms:蒸汽的質(zhì)量流量 kg/h △P:閥前后的差壓值 KPa P1 P2:調(diào)節(jié)閥前后壓力 KPa K:蒸汽修正系數(shù)
			△t:過熱蒸汽溫度

      調(diào)節(jié)閥口徑的選擇應遵循以下原則     

1.根據(jù)所選擇的C值和流量特性，驗證調(diào)節(jié)閥開度是否合適。一般閥的開度為全行程的90％～10％，即驗算

其中：Cmax——工藝提出的*大流通能力； Cmin——工藝提出的*小流通能力。     流量的比值是否小于所選調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)范圍，即驗算     其中：Qmax，Qmin——*大開度和*小開度的流量；     △Pmax， △Pmin——*大開度及*小開度時調(diào)節(jié)閥的壓差值。     

( 3) 一般情況下，等百分比閥*大流量對應的開度宜在90％，直線閥宜在70％，拋物線閥宜在80％，見表五。

表五 調(diào)節(jié)閥相對開度與相對流量的關系

特性↓	u%→	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
直線		8.16	13	22.7	32.3	42	51.7	61.3	71	80.6	90.4	100
等百分比		3.96	4.67	6.58	9.26	13	18.3	25.6	36.2	50.8	71.2	100
拋物線			7.3	12	13	26	35	45	62	70	84	100

    4.3 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇     

(1)從調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)分析。

    

考慮原則：適當選擇調(diào)節(jié)閥的特性，以閥的放大系數(shù)的變化來補償調(diào)節(jié)閥對象放大系數(shù)的變化，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持不變的控制效果，如圖11所示。

圖11 調(diào)節(jié)閥特性補償作用     

（2）從工藝配管情況分析

    如前所述調(diào)節(jié)閥流量特性與S壓降比有密切的關系，因此在選擇調(diào)節(jié)閥時，應結合工藝配管情況加以考慮，見表六。

表六 調(diào)節(jié)閥工作流量特性配管情況對照表

配管情況	S=0.6-0.1			S=03.-0.6
實際工作特性	直線	平方根	等百分比	直線	平方根	等百分比
選閥的理想特性	直線	平方根	等百分比	等百分比	直線	等百分比

    （3）從負荷變化情況分析     

直線閥在小開度時流量變化大，調(diào)節(jié)過于靈敏，容易引起振蕩，因此在S小負荷變化大的場合不宜使用；等百分比閥的放大系數(shù)隨閥門行程增加而增大，流量相對變化是恒定不變的，因此它適用于負荷變化幅度大的場合；快開特性閥一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制的場合。