上一條：閥門(mén)在安裝時(shí)的14個(gè)禁忌與其排解措施
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調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器,用來(lái)完成被控對(duì)象流量的調(diào)節(jié)。正確地選擇調(diào)節(jié)閥,是調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制品質(zhì)的保證。就調(diào)節(jié)閥的組成分類、流量特性進(jìn)行了詳細(xì)描述,并給出調(diào)節(jié)閥的選擇方法和應(yīng)注意的問(wèn)題。
0?前言
調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器,是自動(dòng)控制的終端主控元件,直接控制被測(cè)介質(zhì)的輸送量。調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成,接受調(diào)節(jié)器或計(jì)算機(jī)的控制信號(hào),用來(lái)改變被控介質(zhì)的流量,使被調(diào)參數(shù)維持在所要求的范圍內(nèi),從而達(dá)到過(guò)程控制的自動(dòng)化。在自動(dòng)控制領(lǐng)域中,控制過(guò)程是否平穩(wěn)直接取決于調(diào)節(jié)閥能否準(zhǔn)確動(dòng)作,使過(guò)程控制體現(xiàn)為物料能量和流量精確變化。所以,要根據(jù)不同的需要選擇不同的調(diào)節(jié)閥。選擇恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)閥是管路設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題,也是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。
1?類型選擇
調(diào)節(jié)閥一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門(mén)組成。調(diào)節(jié)閥門(mén)是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),它根據(jù)控制信號(hào)的要求而改變閥門(mén)開(kāi)度的大小來(lái)調(diào)節(jié)流量,是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。調(diào)節(jié)閥門(mén)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(dòng)控制系統(tǒng)中,閥門(mén)主要的調(diào)節(jié)介質(zhì)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(diào)節(jié)閥有直通調(diào)節(jié)閥、三通調(diào)節(jié)閥和蝶閥等種類。執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照使用的能源種類可分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)3種,即以壓縮空氣為動(dòng)力源的氣動(dòng)調(diào)節(jié),以電為動(dòng)力源的電動(dòng)調(diào)節(jié),以液體介質(zhì)(如油等)壓力為動(dòng)力的液動(dòng)調(diào)節(jié)。其中,氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定、價(jià)格低、維護(hù)方便、防火防爆等優(yōu)點(diǎn),在許多控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)雖然不利于防火防爆,但其驅(qū)動(dòng)電源方便可取,且信號(hào)傳輸速度快、便于遠(yuǎn)距離傳輸、體積小、動(dòng)作可靠、維修方便、價(jià)格便宜。液動(dòng)執(zhí)行器的推力大,且調(diào)節(jié)精度高、動(dòng)作速度快及平穩(wěn),但設(shè)備體積大,工藝復(fù)雜。
(1)調(diào)節(jié)閥門(mén)類型的選擇
調(diào)節(jié)閥的閥體類型選擇是調(diào)節(jié)閥選擇中重要的環(huán)節(jié)。在選擇閥門(mén)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,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(mén)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;
?、谀湍p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(mén)的流路要光滑,閥的內(nèi)部材料要堅(jiān)硬;
?、勰透g?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(mén);
?、芙橘|(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(mén);
⑤防止閃蒸和空化?閃蒸和空化只產(chǎn)生在液體介質(zhì)中。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(mén)的使用壽命變短,因此在選擇閥門(mén)時(shí)應(yīng)防止閥門(mén)產(chǎn)生閃蒸和空化。
(2)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇
?、倏紤]執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力?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、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(mén)的開(kāi)啟。
?、诳紤]執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用環(huán)境要求?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)。例如,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),雖然使用不如氣動(dòng)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)廣泛,但它具有調(diào)節(jié)精度高、動(dòng)作速度快和平穩(wěn)的特點(diǎn),所以在特殊的情況下,為了達(dá)到較好調(diào)節(jié)效果也會(huì)采用。后,還要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性,選擇動(dòng)作平穩(wěn)、重量輕、外觀美、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
2?流量特性分析
2.1工作原理
根據(jù)流體力學(xué)可知,調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對(duì)不可壓縮流體,調(diào)節(jié)閥的流量??式中p1———調(diào)節(jié)閥前壓力;
p2———調(diào)節(jié)閥后壓力;
A———節(jié)流截面積;
ξ———調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù);
ρ———流體密度。
由式(1)可知,當(dāng)A一定,Δp =p1 -p2也恒定時(shí),通過(guò)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(jié)構(gòu)和開(kāi)度有關(guān)。所以調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)控制閥門(mén)的開(kāi)或關(guān),可改變閥的阻力系數(shù),從而改變被調(diào)介質(zhì)的流量。
2.2流量特性分析
調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過(guò)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系。
調(diào)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(diào)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(kāi)4種特性,如表1。在實(shí)際系統(tǒng)中,閥門(mén)兩側(cè)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(gè)方面:
?、儆捎诒玫奶匦?當(dāng)系統(tǒng)流量減少時(shí)由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加;
?、诋?dāng)流量減少時(shí),盤(pán)管上的阻力也減少,導(dǎo)致較大的泵壓加于閥門(mén)。因此調(diào)節(jié)閥前后的壓差通常是變化的,在這種情況下,調(diào)節(jié)閥相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系,稱為工作流量特性。具體可分為串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性、并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性。
表1?調(diào)節(jié)閥4種理想流量特性
流量特性性質(zhì)特點(diǎn)
直線調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度呈直線關(guān)系,即單位相對(duì)行程變化引起的相對(duì)流量變化是一個(gè)常數(shù)。(1)小開(kāi)度時(shí),流量變化大而大開(kāi)度時(shí)流量變化小; (2)小負(fù)荷時(shí),調(diào)節(jié)性能過(guò)于靈敏而產(chǎn)生振蕩,大負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)遲緩而不及時(shí); (3)適應(yīng)能力較差。
等百分比單位相對(duì)行程的變化引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)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(nèi),工作都較平穩(wěn),尤其在大開(kāi)度時(shí),放大倍數(shù)也大,工作更為靈敏有效; (3)應(yīng)用廣泛,適應(yīng)性強(qiáng)
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(diào)節(jié)性能較理想但閥芯加工較困難。
快開(kāi)在閥行程較小時(shí),流量就有比較大的增加,很快達(dá)大。(1)在小開(kāi)度時(shí)流量已很大,隨著行程的增大,流量很快達(dá)到大; (2)一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制。
(1)串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性
調(diào)節(jié)閥串聯(lián)管道時(shí),因調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的變化會(huì)引起流量的變化,由流體力學(xué)理論可知,管道的阻力損失與流量成平方關(guān)系,調(diào)節(jié)閥一旦動(dòng)作,流量則改變,系統(tǒng)阻力也相應(yīng)改變,因此調(diào)節(jié)閥壓降也相應(yīng)變化。串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性與壓降分配比有關(guān)。閥上壓降越小,調(diào)節(jié)閥全開(kāi)流量相應(yīng)減少,使理想的直線特性畸變?yōu)榭扉_(kāi)特性,理想的等百分比特性畸變?yōu)橹本€特性。在實(shí)際使用中,當(dāng)調(diào)節(jié)閥選得過(guò)大或生產(chǎn)處于非滿負(fù)荷狀態(tài)時(shí),調(diào)節(jié)閥則工作在小開(kāi)度,有時(shí)為了使調(diào)節(jié)閥有一定的開(kāi)度,而將閥門(mén)關(guān)小以增加管道阻力,使流過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量降低,實(shí)際上就是使壓降分配比值下降,使流量特性畸變,惡化了調(diào)節(jié)質(zhì)量。
(2)并聯(lián)管道時(shí)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(diào)節(jié)閥安裝在閥支路管路上。調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管道上,在系統(tǒng)阻力一定時(shí),調(diào)節(jié)閥全開(kāi)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(kāi)而減少。此時(shí),盡管調(diào)節(jié)閥本身的流量特性無(wú)變化,但系統(tǒng)的可調(diào)范圍大大縮小,調(diào)節(jié)閥在工作過(guò)程中所能控制的流量變化范圍也大大減小,甚至起不到調(diào)節(jié)作用。要使調(diào)節(jié)閥有較好的調(diào)節(jié)性能,一般認(rèn)為旁路流量多不超過(guò)總流量的20 %。
3?流量特性的選擇
流量特性的選擇方法:
?、偻ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的分析法;
?、谠趯?shí)際工程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)法。由于分析法既復(fù)雜又費(fèi)時(shí),所以一般工程上都采用經(jīng)驗(yàn)法。具體來(lái)說(shuō),應(yīng)該從以下幾個(gè)方面考慮:
(1)從自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量考慮
根據(jù)自動(dòng)控制原理中的特性補(bǔ)償原理,為了使系統(tǒng)保持良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量,希望開(kāi)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(dāng)選擇閥的特性,以閥的放大系數(shù)變化來(lái)補(bǔ)償對(duì)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(jù)管道系統(tǒng)壓降變化情況來(lái)選擇
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(duì)應(yīng)閥門(mén)前后差壓Δp1m和系統(tǒng)差壓Δp之比
調(diào)節(jié)閥流量特性與壓降比S有密切的關(guān)系,如表2所示。
表2?根據(jù)管道系統(tǒng)壓降選擇調(diào)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(shí)際工作流量特性直線等百分比直線等百分比調(diào)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(fù)荷變化的情況來(lái)分析
直線閥在小開(kāi)度時(shí)流量變化大,調(diào)節(jié)過(guò)于靈敏,易振蕩;在大開(kāi)度時(shí),調(diào)節(jié)作用又顯得微弱,造成調(diào)節(jié)不及時(shí),不靈敏。因此在壓降比S較小、負(fù)荷變化大的場(chǎng)合不宜采用直線閥。等百分比閥在接近關(guān)閉時(shí)工作緩和平穩(wěn),而接近全開(kāi)狀態(tài)時(shí),放大系數(shù)大,工作靈敏有效,因此它適用于負(fù)荷變化幅度大的場(chǎng)合?？扉_(kāi)特性閥在行程較小時(shí),流量就較大,隨著行程的增大,流量很快達(dá)到大,它一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制的場(chǎng)合。(4)根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性進(jìn)行選擇一般凡是具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對(duì)象都可選擇等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥,不具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對(duì)象則選擇直線流量特性的調(diào)節(jié)閥。
4?調(diào)節(jié)閥口徑選擇
選擇調(diào)節(jié)閥門(mén)口徑的目的是使閥門(mén)和管道組合,產(chǎn)生一個(gè)合理的組合線性特性,使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能進(jìn)行有效控制。調(diào)節(jié)閥口徑是根據(jù)工藝要求的流通能力確定的,由提供的工藝條件計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的流通能力,再依據(jù)其流通能力選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。
要合理選擇調(diào)節(jié)閥門(mén)的口徑,必須了解調(diào)節(jié)閥流通能力。流通能力是指當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開(kāi),閥兩端壓差為9.81×104 Pa ,流體的密度為1 g cm3時(shí),每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量值。調(diào)節(jié)閥的流通能力是合理選擇閥門(mén)及閥門(mén)口徑的一個(gè)重要參數(shù),通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥流通能力的計(jì)算,比對(duì)廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定閥門(mén)口徑的大小。對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),水是流經(jīng)調(diào)節(jié)閥普通、常見(jiàn)的介質(zhì),所以這里以水為例介紹調(diào)節(jié)閥的流通能力。
在實(shí)際工程中,閥門(mén)口徑是分級(jí)的, C值通常也不是連續(xù)值(公式計(jì)算的C值是連續(xù)的)。不同廠商的同類型產(chǎn)品有不同的C值與口徑對(duì)應(yīng)表。在算出期望的C值后,就可以查閱生產(chǎn)商的相應(yīng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表來(lái)決定所需的閥門(mén)口徑。選取閥門(mén)口徑的原則應(yīng)盡可能接近或大于計(jì)算結(jié)果,不應(yīng)小于計(jì)算結(jié)果。
5注意事項(xiàng)
(1)調(diào)節(jié)閥門(mén)直接按照接管管徑選取是不合理的,因?yàn)殚y門(mén)的調(diào)節(jié)品質(zhì)與接管流速或管徑?jīng)]有關(guān)系,閥門(mén)的調(diào)節(jié)品質(zhì)僅與水的阻力及流量有關(guān)。亦即一旦系統(tǒng)設(shè)備確定之后,理論上適合該系統(tǒng)的閥門(mén)只有一種理想的口徑,而不會(huì)出現(xiàn)多種選擇。
(2)就閥門(mén)的選擇而言,選擇的閥門(mén)口徑過(guò)小,一方面會(huì)增加系統(tǒng)的阻力,甚至?xí)霈F(xiàn)閥門(mén)口徑100 %開(kāi)啟,系統(tǒng)也無(wú)法達(dá)到設(shè)定的容量要求,導(dǎo)致嚴(yán)重后果;另一方面閥門(mén)將需要通過(guò)系統(tǒng)提供較大的壓差以維持足夠的流量,加重泵的負(fù)荷,閥門(mén)易受損害,對(duì)閥門(mén)的壽命影響很大。
(3)就閥門(mén)的選擇而言,選擇的閥門(mén)口徑過(guò)大,不僅增加工程成本,而且還會(huì)引起閥門(mén)經(jīng)常運(yùn)行在低百分比范圍內(nèi),引起調(diào)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(zhì),好的方法是在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)選擇能獲得較大壓力降的閥門(mén)口徑,使閥門(mén)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中壓力降的變化值盡可能小。閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下的壓力降占全泵壓百分比越高,則閥門(mén)壓力降相對(duì)變化值越小,閥門(mén)的安裝特性就越接近其內(nèi)在特性。
(5)控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡可能工作于恒定的壓力降條件下,因?yàn)殚y門(mén)是否匹配盤(pán)管依賴于它的內(nèi)在特性和流量因子,而這些閥門(mén)參數(shù)取決于恒定的閥門(mén)壓力降。
綜上所述,進(jìn)行調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的目是大限度地保證系統(tǒng)控制的品質(zhì)要求,這就要求對(duì)調(diào)節(jié)閥的組成、分類、特性有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí),并在此基礎(chǔ)上掌握正確的選擇方法。而且,對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)配置調(diào)節(jié)閥時(shí),還需要對(duì)整個(gè)管系環(huán)路進(jìn)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(diào)節(jié)閥,保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。