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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(lèi)、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。

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(lèi)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(lèi)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照使用的能源種類(lèi)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

緊急切斷閥能穩(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

推力最大, 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(lèi)型的選擇

調(diào)節(jié)閥的閥體類(lèi)型選擇是調(diào)節(jié)閥選擇中最重要的環(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(lèi)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;

②耐磨損性?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;

③耐腐蝕?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);

④介質(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

①考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力?執(zhí)行機(jī)構(gòu)不論是何種類(lèi)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。

②考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用環(huán)境要求切斷閥對(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。

最后, 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:

①由于泵的特性, 當(dāng)系統(tǒng)流量減少時(shí)由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加;

②當(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) 最大。 (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)到最大; (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)?/div>