儀表設(shè)計(jì)中執(zhí)行器的選用

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儀表設(shè)計(jì)中執(zhí)行器的選用
杜旭峰，趙巖
錦州石化公司設(shè)計(jì)院，遼寧錦州121000
摘要：分別從執(zhí)行器的類(lèi)型、流量特性、s值的選取、動(dòng)態(tài)特性、閥門(mén)定位器等方面介紹執(zhí)行器的選用。
關(guān)鍵詞：執(zhí)行器；流量特性；S值；閥門(mén)口徑；閥門(mén)定位器
中圖分類(lèi)號(hào)：TH86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼1 B 文章編號(hào)：1003．3932200205-0086．04
1 引言
我公司是煉油化工行業(yè)的老廠，近幾年來(lái)隨
著改革開(kāi)放的進(jìn)行，不斷壯大、更新，自控水平不
斷提。在儀表工程設(shè)計(jì)中執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中
起著極其重要的作用，控制品質(zhì)與執(zhí)行器的正確
選用與使用有著十分密切的關(guān)系，不能因其簡(jiǎn)單
而有任何疏忽。下面從執(zhí)行器的類(lèi)型、流量特性
s值的選取、動(dòng)態(tài)特性、閥門(mén)定位器的應(yīng)用等方面
進(jìn)行論述。
2 執(zhí)行器的類(lèi)型
執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)把調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位
移，有氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三類(lèi)。氣動(dòng)的在我公司Z
常用；電動(dòng)的與電動(dòng)調(diào)節(jié)器連接方便，但有的場(chǎng)合
須考慮防爆問(wèn)題；液動(dòng)的推力Z大，如催化車(chē)間的
電液滑閥，但較笨重。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)把直線位移或角
位移轉(zhuǎn)換成流通截面積的變化，從而改變操縱變
量Q的數(shù)值。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的類(lèi)型很多，包括直通閥
單座、雙座、角閥、三通閥、球形閥、隔膜閥、蝶
閥、壓閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、套筒閥等。其中直通閥
較為常用。在直通閥中，雙座閥介質(zhì)流通時(shí)閥前
后不平衡力小，在口徑或壓差較大時(shí)這一點(diǎn)更
為突出，但在泄漏量方面卻往往大于單座閥。蝶
閥適用于大流量、低壓差的氣體介質(zhì)。套筒閥
有低噪聲的特點(diǎn)，是低噪聲閥中常見(jiàn)的一種。
調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的口徑須很考慮，在正常工況下，
閥門(mén)開(kāi)度應(yīng)在15％～85％之間。在設(shè)計(jì)中常用
的節(jié)流公式為：
Q ： c AP ，f
式中：Q—— 流量；Ap—— 閥兩端壓差；r— —
流體重度；C — — 比例系數(shù)。
在閥門(mén)全開(kāi)條件下，此時(shí)的c 稱為流通能力
C。顯然，c 取決于流通截面積，與口徑及開(kāi)度
都有關(guān)系，c僅與口徑有關(guān)系。按正常工況下的
操作數(shù)據(jù)計(jì)算c 和預(yù)先規(guī)定閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的流量
計(jì)算C值．是確定閥門(mén)口徑的兩條途徑。如按前
一方法，應(yīng)把c 值乘上一定倍數(shù)2～5，線性閥取
低值，對(duì)數(shù)閥取值作為流通能力C，按產(chǎn)品規(guī)
格去確定口徑。如按后一方法閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的流量
應(yīng)比Z大實(shí)際流量再大些。
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥有氣開(kāi)與氣關(guān)兩種類(lèi)型。氣開(kāi)與
氣關(guān)的選擇主要考慮失氣時(shí)仍能保證供應(yīng)安全。
例如，裝于液體或氣體燃料火嘴前的調(diào)節(jié)閥很多
是氣開(kāi)型的，這樣在一旦失氣時(shí)便切斷燃料。又
如，中小型鍋爐的進(jìn)水閥不少是氣關(guān)型的，這樣即
使氣源中斷，也不會(huì)使氣包燒干，但在蒸氣用于汽
輪機(jī)的大型鍋爐，進(jìn)水閥卻寧可用氣開(kāi)型，因?yàn)槿?BR>果蒸氣中帶有大量水滴，在速旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)中
將會(huì)損壞葉片，危險(xiǎn)更為嚴(yán)重。
在執(zhí)行器選型時(shí)，除了要規(guī)定以上內(nèi)容外，還
須規(guī)定流量特性的類(lèi)型。
3 流量特性的意義和類(lèi)型
調(diào)節(jié)閥的流量特性指的是流量Q 與閥桿行
程間的函數(shù)關(guān)系：
Q =fL
依據(jù)函數(shù)關(guān)系的不同，流量特性可分為線性
第5期杜旭峰等．儀表設(shè)計(jì)中執(zhí)行器的選用 · 87 ·
型、對(duì)數(shù)型、快開(kāi)型和拋物線型等。
1線性型。指調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)位
移成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變
化是常數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq = 或d = kd
積分后得到：
=
已知：
L = L 時(shí)，Q = Q
L =0時(shí)，Q = Q i =
式中：尺— — 可調(diào)比，一般為30。
由此可知：
C0 = 1／R ，K = 1— 1／R
流量與閥桿的關(guān)系式是：
Q／Q = 1／Rl l+ R 一1·L／L j
2對(duì)數(shù)型等百分比。指單位相對(duì)位移變
化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正
比關(guān)系。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq = kqd Z或
dQ／Q = kQ／Q dL／L
積分岳得到：
Q／Q ： R‘ 兒一一
對(duì)數(shù)閥的Kv隨著Q 的增加而迅速上升。因
為Q的對(duì)數(shù)值與間成線性關(guān)系，所以稱為對(duì)數(shù)
型。又因?yàn)?增加相同的間隔時(shí)Q增長(zhǎng)相同的
百分比，所以亦稱等百分比特性。
3快開(kāi)型。指單位相對(duì)位移變化所引起的
相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量的倒數(shù)成正比關(guān)
系。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq = q～ d Z
或dQ／Q = kQ／Q 。一dL／L
積分后得到：
Q／Q = I／R[1+R 一1L／L ]
快開(kāi)閥的Kv隨著Q的增加而下降。正因?yàn)?BR>如此，從。開(kāi)始的一般Q上升得很快，所以稱
為快開(kāi)型。
4拋物線型。指單位相對(duì)位移變化所引起
的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量的平方根成正
比。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
dq ：幻 d Z
或dQ／Q = Q／Q 。 dL／L
積分后得到：
Q／Q 。 = 1／R[1+R 一1L／L ]
拋物線型閥的Kv隨著Q的增加而上升，但
不象對(duì)數(shù)型那樣厲害?？偟膩?lái)說(shuō)，其特性介于線
性閥與對(duì)數(shù)閥之間。見(jiàn)圖1。
圖1
在流量特性問(wèn)題上，必須區(qū)別兩種情況：① 閥
兩端壓降固定不變條件下的流量特性稱為理想特
性。閥門(mén)制造廠提供的就是這種特性，通常有線
性型、對(duì)數(shù)型、快開(kāi)型三種；② 在實(shí)際工作時(shí)，閥兩
端的壓降是隨流量而變化的，這時(shí)的流量特性稱
為工作特性。設(shè)提供給管路系統(tǒng)的總壓差為P
由液體提升產(chǎn)生的壓差為P ，閥兩端的壓降為
P ，管路其它部分的壓降為P ，則：
Pt= Ph+ P + Pl= Ph + Pf
式中：Pf= P +Pl，為阻力引起的總壓降。
雖然P 為恒值，然而P。是隨著流量Q而變
化的，因此，即使P．保持不變，P 也總是隨著流
量的增加而減小的。由于P 不是恒值，流量特性
線將發(fā)生變化，工作特性曲線將上凸。理想特性
為線性的將向快開(kāi)型靠近，對(duì)數(shù)型的將向線性型
靠近。把閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的壓降P 與管路總壓降P
之比定為s，則在S值愈小時(shí)，特性曲線的畸變
越是厲害。在工程設(shè)計(jì)中，要解決理想特性的選
型問(wèn)題，也要考慮S值的選取問(wèn)題。
當(dāng)S值大于o．6，即接近1時(shí)，可以認(rèn)為理想
特性與工作特性的曲線形狀相近，此時(shí)工作特性
選什么特性，理想特性也將選什么特性。當(dāng)S值
小于o．6時(shí)，理想特性有一定畸變。當(dāng)選擇的工
作特性為線性時(shí)，理想特性應(yīng)采用對(duì)數(shù)特性；當(dāng)選
擇的工作特性為對(duì)數(shù)型時(shí)，理想特性仍為對(duì)數(shù)特
性。通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，我們可以直接依據(jù)被控變量
與有關(guān)情況選擇調(diào)節(jié)閥的理想特性，見(jiàn)表1。
4 s值的選取
從控制特性上看，．s值接近于1，至少是取比
· 88 · 化工自動(dòng)化及儀表第29卷
較大的數(shù)值，肯定可以減少流量特性的畸變，因此
是有益的。然而，我們必須考慮其它因素。
表1 調(diào)節(jié)閥理想特性選用表
被控變量有關(guān)情況理想特性
P 恒定線性型
液位 P Q⋯ < 0．2P Q⋯ 對(duì)數(shù)型
P Q > 2P Q⋯ 快開(kāi)型
快過(guò)程對(duì)數(shù)型
壓力慢過(guò)程線性型
慢過(guò)程P Q <0．2P Q⋯ 對(duì)數(shù)型
流量設(shè)定值變化線性型
變送器輸出
與Q 成正比負(fù)荷變化對(duì)數(shù)型
流量串接，設(shè)定值變化線性型
變送器輸串接
出與Q 成，負(fù)荷變化對(duì)數(shù)型
正比旁路連接對(duì)數(shù)型
溫度對(duì)數(shù)型
1有時(shí)由于流體輸送機(jī)械的能力有限，能夠
留給調(diào)節(jié)閥的壓降值很小，閥必須在低s值下運(yùn)
行。
2由于結(jié)構(gòu)上的原因，閥兩端的壓降不能超
過(guò)一定的限值，壓差的減壓閥很易磨損，這時(shí)往
往允許加限流孔板，適當(dāng)進(jìn)行分壓，使P 不超過(guò)
預(yù)定的限值，s值也必須降低。
3近幾年來(lái)，節(jié)能問(wèn)題極受重視，不少情況
下閥門(mén)造成的摩擦損失耗用了可貴的能量，減少
s值可以節(jié)約能耗。
在過(guò)去，人們一般認(rèn)為s值應(yīng)不低于0．3，s
的常取范圍為0．3～0，6?，F(xiàn)在這條界線已被打
破了。但低s值會(huì)使閥的流量特性產(chǎn)生嚴(yán)重的
畸變，通?？煽紤]以下兩條途徑來(lái)解決：
1改變閥芯的型面，使其理想特性曲線凹得
更甚，這樣在低s值下仍能有合適的工作特性。
而在采用閥門(mén)定位時(shí)可利用凸輪形狀來(lái)進(jìn)一步改
善其理想特性。
2采用串級(jí)控制系統(tǒng)，用一個(gè)流量調(diào)節(jié)的副
回路代替單一的調(diào)節(jié)閥，這時(shí)只要將這個(gè)副回路
整定得可以工作就行，閥的流量特性對(duì)主被控變
量的過(guò)渡過(guò)程不再起顯著影響。
但在s值的選取上還應(yīng)注意一些問(wèn)題，先
s值指的是閥全開(kāi)時(shí)的壓降與管路總壓降之比，
在有些情況下，盡管P 取得很小，s值不一定低；
其次在設(shè)備流程已定的情況下，s值與節(jié)能有時(shí)
并無(wú)直接關(guān)系，如圖2所示。
圖2 液位控制系統(tǒng)
5 動(dòng)態(tài)特性
動(dòng)態(tài)特性表示動(dòng)態(tài)平衡時(shí)信號(hào)壓力與閥桿位
移的關(guān)系。從調(diào)節(jié)器到執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜頭間的引壓管
線，可以當(dāng)成膜頭的一部分，引壓管線可以近似認(rèn)
為是單容環(huán)節(jié)，而膜頭空間也是一個(gè)氣容，將兩個(gè)
氣容合并考慮，根據(jù)流量平衡關(guān)系，列出方程式：
Qi—Q。= c·dp2／dt
式中：C— — 包括膜頭及引壓管在內(nèi)的容量系
數(shù)；Q — — 氣體的輸入流量；Q。—— 氣體的輸
出流量；P — — 膜頭內(nèi)的氣體壓力。
Q；與壓力的關(guān)系可近似表示：
Q．= Pl—p2／R
式中：P?！?調(diào)節(jié)器來(lái)的氣壓信號(hào)；R— — 從調(diào)
節(jié)器到執(zhí)行機(jī)構(gòu)間導(dǎo)管的阻力系數(shù)。
由于膜頭是封閉的，所以Q ：o。
將Q：帶入方程：
RC ·dAp2／dt+Ap2= Apl或
T ·dAp2／dt + Ap2 = Apl
式中： — — 時(shí)間常數(shù)，： R·C。
上式是調(diào)節(jié)器來(lái)的氣壓信號(hào)與膜頭內(nèi)壓力之
間的微分方程式。
再看薄膜的運(yùn)動(dòng)，假設(shè)慣性力及摩擦力都可
忽略，則作用于薄膜上的力與彈簧反作用力在平
衡狀態(tài)時(shí)有：
Ap2·A = C ·△ ，J
式中：A — — 薄膜有效面積；C —— 彈簧的鋼
度；AL— — 彈簧的位移即閥桿的位移。
將所得兩個(gè)方程式合并整理，得到氣壓信號(hào)
與閥桿位移的微分方程式化簡(jiǎn)：
AL／Apl= A ／TS+ 1·C
由此可知，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性為一階
滯后環(huán)節(jié)。時(shí)間常數(shù) 因膜頭大小及引壓管長(zhǎng)
短粗細(xì)而異，為數(shù)秒到數(shù)十秒。為了得到較的
特性，下列幾種做法值得借鑒。
第5期杜旭峰等儀表設(shè)計(jì)中執(zhí)行器的選用 · 89 ·
1選擇合適的管徑。管徑加大，能使尺下
降，但同時(shí)也使c上升，期間需合適選擇。
2選擇合適的管長(zhǎng)度。
3加裝傳輸滯后補(bǔ)償器，它實(shí)際上是一個(gè)氣
動(dòng)微分器，可補(bǔ)償大的時(shí)間常數(shù)的影響。
6 閥門(mén)定位器的選用
常用的閥門(mén)定位器有氣動(dòng)閥門(mén)定位器與電一
氣閥門(mén)定位器。
閥門(mén)定位器可以實(shí)現(xiàn)下列功能：
1在干摩擦較大的場(chǎng)合能減小回差。
2在壓差的情況下補(bǔ)償不平衡力的效應(yīng)，
使閥桿位置不受不平衡力的影響。
3在閥桿移動(dòng)時(shí)有較大阻力的場(chǎng)合
4利用不同形狀的凸輪，改變閥的流量特
性、氣開(kāi)或氣關(guān)型式。
5改變氣壓作用范圍，包括分程控制。
6改善氣動(dòng)管線與閥的動(dòng)態(tài)特性。
通過(guò)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，閥門(mén)定位器的選用可
總結(jié)為以下內(nèi)容：
1直徑大于或等于150 into的直通雙座調(diào)節(jié)
閥和直徑大于50 mln的雙座調(diào)節(jié)閥。
2壓降大于13 kg／cm2的直通雙座調(diào)節(jié)閥和
壓降大于5 kg／cm2的直通單座調(diào)節(jié)閥。
3操作壓力大于20 kg／cm2的調(diào)節(jié)閥。
4散熱片型和長(zhǎng)頸型調(diào)節(jié)閥。
5用于調(diào)節(jié)有閃蒸或氣化、含懸浮顆粒、
粘度和膠狀介質(zhì)的調(diào)節(jié)閥。
6角形、蝶形、三通和隔膜等調(diào)節(jié)閥。
7滯后大的調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)或氣動(dòng)調(diào)
節(jié)器輸出引線大于lOO m的場(chǎng)合。
7 總結(jié)
綜上所述，可以看出執(zhí)行器的選用是比較復(fù)
雜的，要從以下幾個(gè)方面考慮：
1根據(jù)條件，選擇合適的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。
2根據(jù)對(duì)象的特點(diǎn)，選擇合適的流量特
性。
3根據(jù)參數(shù)，計(jì)算選擇閥門(mén)口徑，并考
慮5值。 ’
4根據(jù)閥桿受力大小，選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
5根據(jù)過(guò)程，選擇合適的輔助裝置。

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