化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第11章25015.pptx

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1、化工仪表及自动化第十一章 执行器 内容提要n气动执行器n气动执行器的组成与分类n控制阀的流量特性n控制阀的选择n气动执行器的安装和维护n阀门定位器与电-气转换器n气动阀门定位器n电-气阀门定位器n电-气转换器1内容提要n电动执行器n概述n角行程电动执行机构n直行程电动执行机构2概述3作用 作用 接受控制器的输出信号,直接控制能量或物料等调节介质的输送量,达到控制温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。按能源形式分类 按能源形式分类p 气动执行器p 电动执行器p 液动执行器执行器 执行器从结构来说 从结构来说p 执行机构p 调节机构概述气-电转换器电-气转换器电-气阀门定位器气动执行器电动执行器

2、气动控制仪表电动控制仪表图11-1 转换单元的使用简图4第一节 气动执行器5结结构构气动执行结构 气动执行结构控制阀 控制阀n一、气动执行器的组成与分类1.组成第一节 气动执行器常用辅助设备 常用辅助设备阀门定位器手轮机构图11-2 气动薄膜控制阀外形图6第一节 气动执行器72.2.执行机构的分类执行机构的分类 薄膜式 薄膜式结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。活塞式 活塞式推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。长行程 长行程行程长、转矩大，适于输出转角（6090）和力矩。气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。根据有无弹簧可分

3、为有弹簧的及无弹簧的执行机构。结构图11-3 正作用式气动薄膜执行机构 1上膜盖；2波纹膜片；3下膜盖；4支架；5推杆；6弹簧；7弹簧座；8调节件；9连接阀杆螺母；10行程标尺第一节 气动执行器图11-4 反作用式气动薄膜执行机构 1上膜盖；2波纹膜片；3下膜盖；4密封膜片；5密封环；6填块；7支架；8推杆；9弹簧；10弹簧座；11衬套；12调节件；13行程标尺8第一节 气动执行器93.3.控制阀的分类控制阀的分类根据不同的使用要求，控制阀的结构形式主要有以下几种。（1 1）直通单座控制阀）直通单座控制阀阀体内只有一个阀芯与阀座。特点 特点结构简单、价格便宜、全关时泄漏量少。直通单座阀缺点 缺

4、点 在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。第一节 气动执行器10（2 2）直通双座控制阀）直通双座控制阀 阀体内有两个阀芯和两个阀座。特点 特点 流体流过的时候，不平衡力小。缺点 缺点 容易泄漏直通双座阀 直通双座阀第一节 气动执行器（3 3）角形控制阀）角形控制阀 角形阀的两个接管呈直角形。特点 特点 流路简单、阻力较小，适于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。流向一般是底进侧出。11角形阀 角形阀第一节 气动执行器（4 4）高压控制阀）高压控制阀 高压控制阀的结构形式大多为角形,阀芯头部掺 掺铬 铬或 或镶以

5、硬质合金 镶以硬质合金,以适应高压差下的冲刷和汽蚀。为了减少高压差对阀的汽蚀,有时采用几 几级 级阀芯,把高差压分开,各级都承担一部分以减少损失。12第一节 气动执行器（5 5）三通控制阀）三通控制阀 共有三个出入口与工艺管道连接。按照流通方式分 按照流通方式分合流型和分流型两种 13三通阀 三通阀（A）（B）（A）分流型（B）合流型第一节 气动执行器14（6 6）隔膜控制阀）隔膜控制阀 采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。特点 特点 结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。不易泄漏。耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。注意执行机构须有

6、足够的推力 隔膜阀 隔膜阀第一节 气动执行器（7 7）蝶阀）蝶阀 特点 特点 结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小。缺点 缺点 泄漏量大。15蝶阀 蝶阀第一节 气动执行器16（8 8）球阀）球阀 节流元件是带圆孔的球形体（A）或是一种V形缺口球形体（B）。特点（A）转动球体可起到控制和切断的作用（B）转动球心使V形缺口起节流和剪切的作用,其特性近似于等百分比型。球阀 球阀（A）（B）第一节 气动执行器（9 9）凸轮挠曲阀）凸轮挠曲阀 阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。特点 特点 密封性好。重量轻、体积小、安装方便，适用于要求控制和密封的场合。17凸轮挠曲阀 凸轮挠曲阀第

7、一节 气动执行器18（10 10）笼式阀）笼式阀 特点 特点 可调比大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好，更换不同的套筒可得到不同的流量特性，阀内部件所受的汽蚀小、噪声小，是一种性能优良的阀，特别适用于要求低噪声及压差较大的场合。笼式阀 笼式阀缺点 缺点 不适用高温、高黏度及含有固体颗粒的流体。第一节 气动执行器n二、控制阀的流量特性 控 控制 制阀 阀的 的流 流量 量特 特性 性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即 19第一节 气动执行器201.1.控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性 在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特

8、性。它取决于阀芯的形状（1 1）直线流量特性）直线流量特性 指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。（11-2）图11-6 控制阀的理想流量特性(R=30)1直线；2等百分比(对数)；3快开；4抛物线第一节 气动执行器21将（11-2）积分可得（11-3）边界条件 边界条件：l=0时，Q=Qmin;l=L时Q=Qmax把边界条件代入式（11-3），可分别得（11-4）RR为控制阀的可调范围或可调比。为控制阀的可调范围或可调比。Qmin不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是Qmax的24。注意！第一节 气动执行器将式（11-4）代入式（11-3），可得（11-5 11-5）注 注意 意：当 当可 可

9、调 调比 比 R R不 不同 同时 时，特 特性 性曲 曲线 线在 在纵 纵坐 坐标 标上 上的 的起 起点 点是不同的。是不同的。22第一节 气动执行器23举例当R=30,l/L=0时，Q/Qmax=0.33假设R=,位移变化量为10%在10时，流量变化的相对值为在50时，流量变化的相对值为在80时，流量变化的相对值为 在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。第一节 气动执行器24（2 2）等百分比（对数）流量特性）等百分比（对数）流量特性 等 等百 百分 分比 比流 流量 量特 特性 性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。（11-6）

10、将（11-6）积分 将前述边界条件代入（11-11）第一节 气动执行器25（4 4）抛物线流量特性）抛物线流量特性（3 3）快开流量特性）快开流量特性 这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大。快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。第一节 气动执行器26.工作流量特性工作流量特性 在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。工作流量特性。（1 1）串联管道的工作流量特性）串联管道的工作流量特性图11-7 串联管道的情形工作流量特性第一节 气动执行器27图11-8管道串联时控制阀的工作流量特性第一节 气动执行

11、器28（2 2）并联管道的工作流量特性）并联管道的工作流量特性 控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀打开一些，此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。如图11-9所示，显然这时管路的总流量 Q是控制阀流量Q1与旁路流量 Q2之和，即 QQ1Q2。图11-9 并联管道情况第一节 气动执行器29 以 x代表并联管道时控制阀全开时的流量与总管最大流量 Qmax之比，可以得到在压差 p为一定时，而 x为不同数值时的工作流量特性曲线。图11-10并联管道时控制阀的工作特性第一节 气动执行器30由上图可见由上图可见 当 x1，即旁路阀关闭时，控制阀的工作

12、流量特性与理想流量特性相同。随着 x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的流量特性变化不大，但可调范围大大降低了。控制阀关死，即l/L0时，流量Qmin大大增加。第一节 气动执行器 在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响，控制阀上的压差还会随流量的增加而降低，使可调范围下降得更多些，控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围更小，甚至几乎不起控制作用。采用打开旁路阀的控制方案是不好的，一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几，即 x值最小不低于0.8。31第一节 气动执行器32 串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联

13、管道尤为严重。串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，串联管道时控制阀大开度时影响严重，并联管道时控制阀小开度时影响严重。结论结论第一节 气动执行器n三、控制阀的选择1.1.控制阀的尺寸选择 控制阀的尺寸选择流经控制阀的流量为令代入式(11-13),得(11-13)(11-14)C称为控 控制 制阀 阀的 的流 流量 量系 系数 数,它与阀芯与阀座的结构、阀前后的压差、流体性质等因素有关。33第一节 气动执行器 额 额 定 定 流 流 量 量 系 系 数 数指在控制阀全开,阀两端压差为0.1MPa,介质密度为1g/cm3时,流经控制阀的介质流量

14、数(以m3/h表示)。举例 有一个 C值为40的控制阀,表示当此阀全开,阀前后压差为0.1MPa时,每小时能通过的水量为40m3。由式(11-14)可知,当生产工艺中需要的流量 Q和压差 p决定后,就可确定阀门的流量系数 C,再从流量系数C就可选择阀门的尺寸。现在,用控制阀流量系数 KV代替流量系数C。34第一节 气动执行器35 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。结构形式选择 结构形式选择特性选择 特性选择 先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。目前使用比较多的是等百分比流量特性。目前使用比较多的

15、是等百分比流量特性。2.2.控制阀结构与特性的选择 控制阀结构与特性的选择第一节 气动执行器 主要从工艺生产上安全要求出发。信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。选择要求 选择要求 压力信号增加时，阀关小、压力信号减小时阀开大的为气关式。反之，为气开式。3.3.气开式与气关式的选择 气开式与气关式的选择36第一节 气动执行器序号 执行机构 控制阀 气动执行器（a）（b）（c）（d）正正反反正反正反气关（反）气开（正）气开（正）气关（反）37表

16、11-1组合方式表图11-11 组合方式图第一节 气动执行器n四、控制阀的安装和维护38（1）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面或楼板的地方。（2）气动执行器应安装在环境温度不高于+60和不低于-40的地方，并应远离振动较大的设备。（3）阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间应加一段异径管。第一节 气动执行器（5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明，不能装反。（4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外，一般应加支撑。即使正立垂直安装，当阀的自重较大和有振动场合时，也应加支撑。（6）控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理时拆下控

17、制阀。考虑到控制阀发生故障或维修时，不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。39第一节 气动执行器40（7）控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊渣。安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀门与管道连接处的密封性能。当初次通入介质时，应使阀门处于全开位置以免杂质卡住。图11-12控制阀在管道中的安装1调节阀；2切断阀；3旁路阀（8）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。第二节 阀门定位器与电-气转换器n一、气动阀门定位器41 气动阀门定位器与气动控制阀配套使用,组成闭环系统,利用反馈原理来改善控制阀的定位精度和提高灵敏度,并能以较大功率克服阀杆的摩擦力、介质的不平衡力等影响,

18、从而使控制阀门位置能按控制仪表来的控制信号实现正确定位。组成及作用分类定位器有正作用和反作用两种。第二节 阀门定位器与电-气转换器42图11-13气动阀门定位器 1波纹管；2主杠杆；3量程弹簧；4反馈凸轮支点；5反馈凸轮；6副杠杆；7副杠杆支点；8薄膜执行机构；9反馈杆；10滚轮；11反馈弹簧;12调零弹簧；13挡板；14喷嘴；15主杠杆支点；16放大器第二节 阀门定位器与电-气转换器n二、电-气阀门定位器 采用电-气阀门定位器后，可用电动控制器输出的010 mA 或420 mA DC电流信号去操纵气动执行机构；43第二节 阀门定位器与电-气转换器图11-14 电-气阀门定位器 1永久磁钢；2

19、导磁体；3主杠杆(衔铁)；4平衡弹簧；5反馈凸轮支点；6反馈凸轮；7副杠杆；8副杠杆支点；9薄膜执行机构；10反馈杆；11滚轮；12反馈弹簧；13调零弹簧；14挡板；15喷嘴；16主杠杆支点；17放大器44第二节 阀门定位器与电-气转换器n三、电-气转换器 可将来自电动控制器的输出信号经转换后用以驱动气动执行器,或者将来自各种电动变送器的输出信号经转换后送往气动控制器。图11-15 电-气转换器原理结构图1喷嘴挡板；2调零弹簧；3负反馈波纹管；4十字弹簧；5正反馈波纹管；6杠杆；7测量线圈；8磁钢；9铁芯；10放大器45第三节 电动执行器定义 定义 电动执行器是电动控制系统中的一个重要组成部分

20、。它把来自控制仪表的 0 10mA或 4 20mA的直流统一电信号,转换成与输入信号相对应的转角或位移,以推动各种类型的控制阀,从而达到连续控制生产工艺过程中的流量,或简单地开启和关闭阀门以控制流体的通断,达到自动控制生产过程的目的。46第三节 电动执行器n一、概述 1.1.电动执行器的特点 电动执行器的特点 由于工频电源取用方便,不需增添专门装置,特别是执行器应用数量不太多的单位,更为适宜;动作灵敏、精度较高、信号传输速度快、传输距离可以很长,便于集中控制;在电源中断时,电动执行器能保持原位不动,不影响主设备的安全;与电动控制仪表配合方便,安装接线简单;体积较大、成本较贵、结构复杂、维修麻烦

21、,并只能应用于防爆要求不太高的场合 47第三节 电动执行器 2.2.电动执行器的组成 电动执行器的组成两大部分 电动执行机构 电动执行机构 调节机构 调节机构电动执行机构根据其输出形式不同 电动执行机构根据其输出形式不同 角行程电动执行机构 角行程电动执行机构 直行程电动执行机构 直行程电动执行机构 多转式电动执行机构。多转式电动执行机构。48第三节 电动执行器n二、角行程电动执行机构 DKJ型角行程电动执行机构以交流220V为动力,接受控制器的直流电流输出信号,并转变为090的转角位移,以一定的机械转矩和旋转速度自动操纵挡板、阀门等调节机构,完成调节任务。图11-16 角行程执行机构的组成示

22、意图 电动执行机构不仅可与控制器配合实现自动控制,还可通过操作器实现控制系统的自动控制和手动控制的相互切换。49第三节 电动执行器n三、直行程电动执行机构 直行程电动执行机构(DKZ型)是以控制仪表的指令作为输入信号,使电动机动作,然后经减速器减速并转换为直线位移输出,去操作单座、双座、三通等各种控制阀和其他直线式调节机构,以实现自动调节的目的。50例题分析在生产实际中,由于生产负荷的变动,使原设计的控制阀尺寸不能相适应,会有什么后果?为什么?解 解：当生产中由于负荷增加,使原设计的控制阀尺寸显得太小时,会使控制阀经常工作在大开度,调节效果不好。此时若开启旁路阀,会使控制阀特性发生畸变,可调范围大大降低;当生产中由于负荷减少,使原设计的控制阀尺寸显得太大时,会使控制阀经常工作在小开度,调节显得过于灵敏(特别是对于直线流量特性的控制阀),控制阀有时会振动,产生噪声,严重时发出尖叫声。51例题分析 此时为了增加管路阻力,有时会适当关小与控制阀串联的工艺阀门,但这样做的结果会使控制阀的特性发生严重畸变,甚至会接近于快开特性,控制阀的实际可调范围降低,严重时会使控制阀失去调节作用。所以当生产中负荷有较大改动时,在可能的条件下,应相应地更换控制阀,或采用其他控制方案(例分程控制系统)。52