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第五章第五章 执行器执行器 本章重点介绍薄膜式气动执行器(气动薄膜调整阀)的特性、选型。执行器的作用：接受限制器的限制信号，调整操纵变量。在生产现场，执行器干脆限制工艺介质，若选型或运用不当，会给生产过程的自动限制带来困难。执行器按其能源形式可分为气动、电动和液动三大类。液动执行器推力最大，但较笨重，很少运用。电动执行器的执行机构和调整机构是分开的两部分，其执行机构有角行程和直行程两种，都是以两相沟通电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。电动执行器平安防爆性能较差，在行程受阻或阀杆被卡住时电机易受损。气动执行器的执行机构和调整机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，干脆带动阀杆。由于气动执行器有结构简洁，输出推力大，动作平稳牢靠，本质平安防爆等优点，因此它在化工、炼油生产中获得了广泛的应用。4.1 气动薄膜调整阀的结构、类型及材质4.1.1 气动薄膜调整阀的结构 气动薄膜调整阀的外型如图4-l所示，其内部简洁结构如图4-2所示。它由两部分组成，上部为执行机构(也称膜头)，用来产生推力；下部为调整机构(也称阀体)，用来限制介质的流量。如图所示：当来自限制器的气压信号增大时，作用在橡胶膜片上的向下推力就增大，通过托板压缩弹簧，使推杆下移，直至与弹簧反作用力相平衡时为止。推杆(亦即阀杆)下移的距离与信号压力成比例。当信号压力增大时，阀杆下移使调整阀关小，反之则开大。当信号压力在20-l00kPa范围内变更时，阀杆作全行程动作，阀门从全开到全关。P上盖薄膜托板阀杆阀座阀体阀芯推杆平行弹簧下盖 5.1.1.1 执行机构 执行机构分正作用和反作用两种形式，如图所示。当信号压力增加时推杆向下移动的叫正作用式；信号压力增加时推杆向上移动的叫反作用式。较大口径的调整阀都接受正作用的执行机构。信号压力通过水纹膜片的上方或下方进入气室后，在水纹膜片上产生一个作用力，使推杆移动并压缩或拉伸弹簧，当弹簧的反作用力与薄膜上的作用力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置。信号压力越大，推杆的位移量越大。(a)正作用(b)反作用图图4-3 执行机构的正反作用执行机构的正反作用 5.1.1.2 调整机构 调整机构是一个局部阻力可以变更的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，变更了阀芯与阀座间的流通面积，即变更了阀的阻力系数，操纵变量(调整介质)的流量也相应变更，从而达到调整工艺变量的目的。图示为最常用的直通双座调整阀，阀杆上端通过螺母与执行机构推杆相连接，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上下移动，流体从左侧进入调整阀，然后经阀芯与阀座之间间隙从右侧流出。阀芯与阀杆间用销钉连接，这种连接形式使阀芯依据须要可以正装（正作用）也可以倒装（反作用。调整机构调整机构 调整机构的正反作用调整机构的正反作用 执行机构和调整机构组合起来可以实现气开式和气关式两种调整阀。有四种组合方式。气开式是输入气压越大时开度越大，而在失气是则全关，称FC型；气关式是输入气压越大时开度越小，而在失气时则全开，称FO型。调整阀的气开、气关型式调整阀的气开、气关型式5.1.2 气动薄膜调整阀的类型A 直通单座调整阀 阀体内有一个阀芯和一个阀座。流体从左侧进入经阀芯从右侧流出。由于只有一个阀芯和一个阀座，简洁关闭，因此泄漏量小，但在高压差、大口径时，阀芯所受到流体作用的不平衡推力较大。直通单座调整阀适用于压差较小、要求泄漏量较小的场合。直通单座调整阀 B 直通双座调整阀 阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入，经过上下阀芯汇合在一起从右侧流出。它与同口径的单座阀相比，流通实力增大20左右，但泄漏量大，不平衡推力小。直通双座调整阀适用于阀两端压差较大、对泄漏量要求不高的场合，但由于流路困难而不适用于高粘度和带有固体颗粒的液体。直通双座调整阀 C 其他类型的调整阀(1)角形调整阀 阀体为直角，如图所示。角形阀流向一般都是底进侧出，此时它的稳定性较好；在高压差场合，为了延长阀芯运用寿命而改用侧进底出的流向，但简洁发生振荡。角形调整阀流路简洁，阻力小，不易堵塞，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒物质流体的调整。角形阀 (2)隔膜调整阀 用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯、阀座组件，由隔膜位移起调整作用。隔膜调整阀耐腐蚀性强，适用于对强酸、强碱等强腐蚀性介质流量的调整。结构简洁，流路阻力小，流通实力较同口径的其他阀大，无泄漏量。但由于隔膜和衬里的限制，一般只能在压力低于1MPa，温度低于150的状况下运用。隔膜调整阀隔膜调整阀 (3)三通调整阀 有合流阀和分流阀两种，前者是两路流体混合为一路，后者是一路流体分为两路。在阀芯移动时，总的流量不变，两路流量的比例得到了调整。在接受合流阀时，假如两路流体温度相差过大，会造成较大的热应力，因此温差通常不能超过150。三通调整阀示意图三通调整阀示意图三通阀应用示例三通阀应用示例 （）套筒形调整阀结构特点是在单座阀体内装有一个套筒，阀塞能在套筒内移动。当阀塞上下移动时，变更了套筒开孔的流通面积，从而限制调整介质流量。由于阀塞上有均压平衡孔，不平衡推力小，稳定性很高且噪音小。因此适用于高压差、低噪音等场合，但不宜用于高温、高粘度、含颗粒和结晶的介质限制。套筒形调整阀套筒形调整阀 5.1.3 气动薄膜调整阀的材质 一般状况下，阀体材料接受铸铁、铸钢或不锈钢。特殊状况下（如腐蚀性介质），各种合金钢及高分子材料等也获得广泛的应用。调整机构中，介质与外界的密封一般用填料函来实现，但在遇到剧毒、易挥发等介质时，可以用水纹管密封。52 调整阀的静态特性-流量特性 调整阀的静态特性（流量特性）是指流过阀门的调整介质的相对流量与阀杆相对行程(即阀门的相对开度)之间的关系。其数学表达式为：q/qmax=f(l/lmax)或写成 Q=f(L)Q=q/qmax表示调整阀某一开度的流量与全开时的流量之比，称为相对流量；L=l/lmax表示调整阀某一开度下阀杆行程与全开时阀杆全行程之比，称为相对开度。流量特性通常用两种形式来表示：(1)志向特性 即在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。(2)工作特性 是指在工作条件下，阀门两端压差变更时，流量与阀杆位移之间的关系。工作特性不仅取决于阀本身的结构数也与配管状况有关。5.2.1 调整阀的志向流量特性 调整阀的前后压差保持不变时得到的流量特性。阀门制造厂供应的就是这种特性。志向流量特性有线性、对数(等百分比)及快开三种。它们完全取决于阀芯的曲面形态。阀芯曲面形态阀芯曲面形态 5.2.1.1 线性流量特性 线性流量特性是指调整阀的相对流量与相对开度成直线关系。即阀杆单位行程变更所引起的流量变更是常数。数学表达式为 d(q/qmax)/d(l/lmax)=k 积分得 q/qmax=k l/lmax+C式中，C为积分常数。线性调整阀的放大系数线性调整阀的放大系数K是一个常数，不论阀杆是一个常数，不论阀杆在什么位置，只要阀杆作相同的变更，流量的数值也在什么位置，只要阀杆作相同的变更，流量的数值也作相同的变更。可见线性调整阀在开度较小时灵敏度作相同的变更。可见线性调整阀在开度较小时灵敏度显得过高，调整作用过强，简洁产生振荡，对限制不显得过高，调整作用过强，简洁产生振荡，对限制不利；在开度较大时灵敏度又显得太小，调整缓慢，减利；在开度较大时灵敏度又显得太小，调整缓慢，减弱了调整作用。因此，当线性调整阀在小开度或大开弱了调整作用。因此，当线性调整阀在小开度或大开度的状况下工作时，限制性能都较差，不宜用于负荷度的状况下工作时，限制性能都较差，不宜用于负荷变更大的场合。变更大的场合。5.2.1.2 对数流量特性(等百分比流量特性)对数流量特性是指单位行程所引起的相对流量变更，与此点的相对流量成正比关系。即调整阀的放大系数K是变更的，它随相对流量的增加而增加。数学表达式：d(q/qmax)/d(l/lmax)=k q/qmax 积分得：ln(q/qmax)=k(l/lmax)+C 上式表明相对行程与相对流量成对数关系，在直角坐标上得到的一条对数曲线。又因为阀杆位移增加1，流量在原来基础上约增加3.4，所以也称为等百分比流量特性。由于对数阀的放大系数K随相对开度增加而增加，因此，对数阀有利于自动限制系统。在小开度时调整阀的放大系数小，限制平稳缓和；在大开度时放大系数大，限制灵敏有效。5.2.1.3 快开流量特性 这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大，随后再增加开度时流量的变更很小，故称为快开特性。5.2.2 调整阀的工作流量特性 在实际生产中，调整阀前后压差总是变更的。调整阀前后压差随管路系统阻力损失变更而发生变更。以图示的串联系统为例，系统的总压差p等于管路系统的压差 pf与调整阀压差pv 之和。当系统的总压差p确定时，随着通过管道的流量的增大，串联管道的阻力损失也增大，阻力损失与流速的平方成正比。这样，使调整阀上的压差减小，引起流量特性的变更。若以S表示调整阀全开时，调整阀上压差pv与系统总压差p之比，即S=pv/p。以qmax 表示志向流量特性状况下(阀上压差为系统总压差，即管道阻力损失为零)调整阀的全开流量，可以得到串联管道时以qmax 作为参比值的工作流量特性，如图所示。S1时管道阻力损失为零，系统的总压差全部降在调整阀上，工作流量特性和志向流量特性一样。随着S的减小，即管道阻力的增加，带来两个不利后果：一是系统的总压差不变，管道阻力增加，意味着调整阀全开时压差减小，全开时的流量也就减小，调整阀的可调范围R变得越来越小；二是调整阀的流量特性发生很大畸变，志向线性特性渐渐趋近快开特性，志向对数特性渐渐趋近线性特性。在实际运用中，在实际运用中，S选得过大或过小都不妥。选得过大或过小都不妥。S选得过大，在流量相同状况下，管路阻力损耗不变，选得过大，在流量相同状况下，管路阻力损耗不变，但是阀上压降很大，消耗能量过多；但是阀上压降很大，消耗能量过多；S选得过小，选得过小，则对调整不利。一般希望则对调整不利。一般希望S值最小不低于值最小不低于0.3。当。当S0.6时，可以认为工作特性与志向特性相差无几。时，可以认为工作特性与志向特性相差无几。现场运用时调整阀一般都装有旁路阀，即调整阀与旁路阀并联安装。安装旁路阀一是当限制系统失灵时手动限制运用。另外，有时因生产量提高或阀门选得过小，使调整阀流量不能满足工艺要求时，只好打开旁路阀以增加管道流量。打开旁路阀，虽然调整阀本身的流量特性无变更，但系统的可调范围大大下降，泄漏量也很大。53 调整阀的动态特性及变差531 调整阀的动态特性 调整阀的动态特性是指信号压力与阀杆位移的关系。调整阀膜头可以看作是一个气容，从调整器到调整阀膜头间的引压管线有气容和气阻，所以管线和膜头是一个由气阻和气容组成的一阶滞后环节，其时间常数的大小取决于气容和气阻。当信号管线太长或太粗，膜头气室太大时，气容、气阻很大，调整阀的时间常数就大。这样在调整阀接受调整器的限制信号时，由膜头充气到阀杆走完全行程的过程很长，增加了系统广义过程容量滞后，对限制不利。减小时间常数的措施有：减小时间常数的措施有：（1）尽量缩短引压管线的长度。例如在接）尽量缩短引压管线的长度。例如在接受电动调整器时，电受电动调整器时，电/气转换器应装在调整阀旁气转换器应装在调整阀旁边。边。（2）选用合适口径的气动管线。通常接受）选用合适口径的气动管线。通常接受8l紫铜管线。紫铜管线。（3）加装传输滞后补偿器。如引压管线很）加装传输滞后补偿器。如引压管线很长，或膜头很大，可在阀门旁边装设继动器，或长，或膜头很大，可在阀门旁边装设继动器，或接受阀门定位器。接受阀门定位器。5.3.2 调整阀的变差 调整阀的阀杆是一个移动部件，它与填料之间总有确定摩擦。当阀门的填料函压得过紧或长期末润滑时，干摩擦力很大，膜头上较小的气压变更推不动阀杆。这时会产生正反行程的变差，即在阀杆上升和下降时对应于同样阀杆位置的气压不一样。5.4 调整阀的选择调整阀的选择 选择调整阀时需从三个方面来考虑：选择调整阀时需从三个方面来考虑：1、调整阀结构形式的选择；、调整阀结构形式的选择；2、气开、气关的选择；、气开、气关的选择；3、调整阀流量特性的选择。、调整阀流量特性的选择。5.4.1 调整阀结构形式的选择调整阀结构形式的选择 考虑两点：考虑两点：(1)调整介质的工艺条件：温度、压力、流量等；调整介质的工艺条件：温度、压力、流量等；(2)调整介质的特性：粘度、腐蚀性、毒性，是否含悬浮颗粒，调整介质的特性：粘度、腐蚀性、毒性，是否含悬浮颗粒，是液态还是气态等。是液态还是气态等。当阀前后压差较小，要求泄漏量也小的场合选直通单座阀；当阀前后压差较小，要求泄漏量也小的场合选直通单座阀；当阀前后压差较大，允许有较大泄漏量的场合选直通双座阀；当阀前后压差较大，允许有较大泄漏量的场合选直通双座阀；当介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，应选用角形调整阀；当介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，应选用角形调整阀；当介质为悬浮颗粒物或浓油浆状时，应选用球阀；当介质为悬浮颗粒物或浓油浆状时，应选用球阀；当在大口径、大流量、低压差的气体场合工作时，选蝶阀；当在大口径、大流量、低压差的气体场合工作时，选蝶阀；当介质为强酸、强碱、强腐蚀性的流体，或为高粘度及悬浮颗当介质为强酸、强碱、强腐蚀性的流体，或为高粘度及悬浮颗 粒物时，选隔膜调整阀；粒物时，选隔膜调整阀；当介质为高压时，应选用高压调整阀；当介质为高压时，应选用高压调整阀；当介质为低温时，应选用低温调整阀。当介质为低温时，应选用低温调整阀。5.4.2 调整阀的气开、气关选择 调整阀有气开、气关两种类型。气开、气关的选择主要是从生产平安角度考虑，当调整阀上信号压力中断时，应避开损坏设备和损害操作人员。如阀门处于全开位置时，危害性较小，则应选用气关式调整阀；反之则选用气开式调整阀。例如，限制进入加热炉内的燃料油流量，应选用气开式。当调整器发生故障或仪表供气中断时，应马上停止燃料油加入炉内，以避开炉子温度接着上升而烧坏炉管。又如，限制进入锅炉给水量的调整阀，应选用气关式，一旦气源中断时，阀处于全开状态，给水接着流入锅炉，以保证锅炉不致因烧干而引起爆炸，然而，在用来作为透平蒸汽源的锅炉时，蒸汽大量带水的危急更大，故宜用气开阀。蒸汽LTLC给水气关阀气关阀气开阀气开阀 加热炉出口温度限制系统加热炉出口温度限制系统 锅炉水位限制系统锅炉水位限制系统5.4.3 调整阀流量特性的选择调整阀流量特性的选择 调整阀流量特性的选择通常是指如何合理选择线性调整阀流量特性的选择通常是指如何合理选择线性和对数流量特性。和对数流量特性。步骤：步骤：(1)依据过程特性，选择阀的工作特性；依据过程特性，选择阀的工作特性；(2)依据配管状况，从所需的工作特性动身，推断志向依据配管状况，从所需的工作特性动身，推断志向流量特性。流量特性。原则：使整个广义过程具有线性特性。原则：使整个广义过程具有线性特性。即在广义过程中，除调整阀外其余即在广义过程中，除调整阀外其余 部分为线性时，调整阀也应是线性的。部分为线性时，调整阀也应是线性的。除调整阀外其余部分是非线性特性时，除调整阀外其余部分是非线性特性时，调整阀应当能克服它的非线性影响而调整阀应当能克服它的非线性影响而 使广义过程接近为线性。使广义过程接近为线性。输出输入过程调节阀 调节阀特性补偿示意图调节阀特性补偿示意图