在仪表设计中执行器的选用
摘要： 分别从执行器的类型、流量特性、s值的选取、动态特性、阀门定位器等方面介绍执行器的选用。
引 言：我公司是炼油化工行业的老厂，近几年来随着改革开放的进行，不断壮大、更新，自控水平不断提高。在仪表工程设计中执行器在控制系统中起着极其重要的作用，控制品质与执行器的正确选用与使用有着十分密切的关系，不能因其简单而有任何疏忽。下面从执行器的类型、流量特性s值的选取、动态特性、阀门定位器的应用等方面进行论述。
一、执行器的类型
执行器由执行机构与调节机构两部分构成。执行机构把调节器输出信号转换成直线或角位移，有气动、电动、液动三类。气动的在我公司最常用；电动的与电动调节器连接方便，但有的场合须考虑防爆问题；液动的推力最大，如催化车间的电液滑阀，但较笨重。调节机构把直线位移或角位移转换成流通截面积的变化，从而改变操纵变量Q的数值。调节机构的类型很多，包括直通阀单座、双座、角阀、三通阀、球形阀、隔膜阀、蝶阀、高压阀、偏心旋转阀、套筒阀等。其中直通阀较为常用。在直通阀中，双座阀介质流通时阀前后不平衡力小，在口径或压差较大时这一优点更为突出，但在泄漏量方面却往往大于单座阀。蝶阀适用于大流量、低压差的气体介质。套筒阀具有低噪声的特点，是低噪声阀中常见的一种。调节机构的口径须很好考虑，在正常工况下，阀门开度应在15％ ～85％ 之间。在设计中常用的节流公式为：Q ： c AP ，f式中：Q—— 流量；Ap—— 阀两端压差；r— —流体重度；C — — 比例系数。在阀门全开条件下，此时的c 称为流通能力C。显然，c 取决于流通截面积，与口径及开度都有关系，c仅与口径有关系。按正常工况下的操作数据计算c 和预先规定阀门全开时的流量计算C值．是确定阀门口径的两条途径。如按前一方法，应把c 值乘上一定倍数2～5，线性阀取低值，对数阀取高值作为流通能力C，按产品规格去确定口径。如按后一方法阀门全开时的流量应比最大实际流量再大些。气动调节阀有气开与气关两种类型。气开与气关的选择主要考虑失气时仍能保证生产安全。例如，装于液体或气体燃料火嘴前的调节阀很多是气开型的，这样在一旦失气时便切断燃料。又如，中小型锅炉的进水阀不少是气关型的，这样即使气源中断，也不会使气包烧干，但在蒸气用于汽轮机的大型锅炉，进水阀却宁可用气开型，因为如果蒸气中带有大量水滴，在高速旋转的汽轮机中将会损坏叶片，危险更为严重。在执行器选型时，除了要规定以上内容外，还须规定流量特性的类型。
二、 流量特性的意义和类型
调节阀的流量特性指的是流量Q 与阀杆行程 间的函数关系：Q =fL依据函数关系的不同，流量特性可分为线性第5期 杜旭峰等．仪表设计中执行器的选用 · 87 ·型、对数型、快开型和抛物线型等。1线性型。指调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数，数学表达式为：dq = 或d = kd 积分后得到：=已知：L = L 时，Q = Q
L =0时，Q = Q i =式中：尺— — 可调比，一般为30。由此可知：C0 = 1／R ，K = 1— 1／R流量与阀杆的关系式是：Q／Q = 1／Rl l+ R 一1·L／L j2对数型等百分比。指单位相对位移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。数学表达式为：dq = kqd Z或dQ／Q = kQ／Q dL／L 积分岳得到：Q／Q ： R‘ 儿一一对数阀的Kv随着Q 的增加而迅速上升。因为Q的对数值与 间成线性关系，所以称为对数型。又因为 增加相同的间隔时Q增长相同的百分比，所以亦称等百分比特性。3快开型。指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的倒数成正比关系。数学表达式为：dq = q～ d Z或dQ／Q = kQ／Q 。 一dL／L 积分后得到：Q／Q = I／R[1+R 一1L／L ]快开阀的Kv随着Q的增加而下降。正因为如此， 从。开始的一般Q上升得很快，所以称为快开型。4抛物线型。指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比。数学表达式为：dq ： 幻 d Z或dQ／Q = Q／Q 。 dL／L 积分后得到：Q／Q 。 = 1／R[1+R 一1L／L ]抛物线型阀的Kv随着Q的增加而上升，但不象对数型那样厉害。总的来说，其特性介于线性阀与对数阀之间。
见图1。图1在流量特性问题上，必须区别两种情况：
① 阀两端压降固定不变条件下的流量特性称为理想特性。阀门制造厂提供的就是这种特性，通常有线性型、对数型、快开型三种；
② 在实际工作时，阀两端的压降是随流量而变化的，这时的流量特性称为工作特性。设提供给管路系统的总压差为P由液体提升产生的压差为P ，阀两端的压降为P ，管路其它部分的压降为P ，则：Pt= Ph+ P + Pl= Ph + Pf式中：Pf= P +Pl，为阻力引起的总压降。虽然P 为恒值，然而P。是随着流量Q而变化的，因此，即使P．保持不变，P 也总是随着流
量的增加而减小的。由于P 不是恒值，流量特性线将发生变化，工作特性曲线将上凸。理想特性为线性的将向快开型靠近，对数型的将向线性型靠近。把阀门全开时的压降P 与管路总压降P之比定为s，则在S值愈小时，特性曲线的畸变越是厉害。在工程设计中，要解决理想特性的选型问题，也要考虑S值的选取问题。当S值大于o．6，即接近1时，可以认为理想
特性与工作特性的曲线形状相近，此时工作特性选什么特性，理想特性也将选什么特性。当S值小于o．6时，理想特性有一定畸变。当选择的工作特性为线性时，理想特性应采用对数特性；当选择的工作特性为对数型时，理想特性仍为对数特性。通过总结经验，我们可以直接依据被控变量与有关情况选择调节阀的理想特性，见表1。
三、 s值的选取从控制特性上看
s值接近于1，至少是取比· 88 · 化工自动化及仪表 第29卷较大的数值，肯定可以减少流量特性的畸变，因此是有益的。然而，我们必须考虑其它因素。表1 调节阀理想特性选用表被控变量 有关情况 理想特性P 恒定 线性型液位 P Q⋯ < 0．2P Q⋯ 对数型P Q > 2P Q⋯ 快开型快过程 对数型压力 慢过程 线性型慢过程P Q <0．2P Q⋯ 对数型流量 设定值变化 线性型变送器输出与Q 成正比 负荷变化 对数型流量 串接，设定值变化 线性型变送器输 串接出与Q 成 ， 负荷变化 对数型正比 旁路连接 对数型温度 对数型1有时由于流体输送机械的能力有限，能够留给调节阀的压降值很小，阀必须在低s值下运行。
2由于结构上的原因，阀两端的压降不能超过一定的限值，高压差的减压阀很易磨损，这时往往允许加限流孔板，适当进行分压，使P 不超过预定的限值，s值也必须降低。3近几年来，节能问题极受重视，不少情况下阀门造成的摩擦损失耗用了可贵的能量，减少s值可以节约能耗。在过去，人们一般认为s值应不低于0．3，s的常取范围为0．3～0，6。现在这条界线已被打破了。但低s值会使阀的流量特性产生严重的畸变，通常可考虑以下两条途径来解决：1改变阀芯的型面，使其理想特性曲线凹得更甚，这样在低s值下仍能有合适的工作特性。而在采用阀门定位时可利用凸轮形状来进一步改善其理想特性。2采用串级控制系统，用一个流量调节的副回路代替单一的调节阀，这时只要将这个副回路整定得可以工作就行，阀的流量特性对主被控变量的过渡过程不再起显著影响。但在s值的选取上还应注意一些问题，首先s值指的是阀全开时的压降与管路总压降之比，在有些情况下，尽管P 取得很小，s值不一定低；其次在设备流程已定的情况下，s值与节能有时并无直接关系，如图2所示。图2 液位控制系统。
四、 动态特性
动态特性表示动态平衡时信号压力与阀杆位移的关系。从调节器到执行机构膜头间的引压管线，可以当成膜头的一部分，引压管线可以近似认为是单容环节，而膜头空间也是一个气容，将两个气容合并考虑，根据流量平衡关系，列出方程式：Qi—Q。= c·dp2／dt式中：C— — 包括膜头及引压管在内的容量系数；Q — — 气体的输入流量；Q。—— 气体的输出流量；P — — 膜头内的气体压力。Q；与压力的关系可近似表示：Q．= Pl—p2／R式中：P。—— 调节器来的气压信号；R— — 从调节器到执行机构间导管的阻力系数。由于膜头是封闭的，所以Q ：o。将Q：带入方程：RC ·dAp2／dt+Ap2= Apl或T ·dAp2／dt + Ap2 = Apl式中： — — 时间常数， ： R·C。上式是调节器来的气压信号与膜头内压力之间的微分方程式。再看薄膜的运动，假设惯性力及摩擦力都可忽略，则作用于薄膜上的力与弹簧反作用力在平衡状态时有：Ap2·A = C ·△ ，J式中：A — — 薄膜有效面积；C —— 弹簧的钢度；AL— — 弹簧的位移即阀杆的位移。将所得两个方程式合并整理，得到气压信号与阀杆位移的微分方程式化简：AL／Apl= A ／TS+ 1·C由此可知，气动执行机构的动态特性为一阶滞后环节。时间常数 因膜头大小及引压管长短粗细而异，为数秒到数十秒。为了得到较好的特性，下列几种做法值得借鉴。第5期 杜旭峰等仪表设计中执行器的选用 · 89 ·1选择合适的管径。管径加大，能使尺下降，但同时也使c上升，期间需合适选择。2选择合适的管长度。3加装传输滞后补偿器，它实际上是一个气动微分器，可补偿大的时间常数的影响。
五、 阀门定位器的选用
常用的阀门定位器有气动阀门定位器与电一气阀门定位器。阀门定位器可以实现下列功能：
1在干摩擦较大的场合能减小回差。
2在高压差的情况下补偿不平衡力的效应，使阀杆位置不受不平衡力的影响。
3在阀杆移动时具有较大阻力的场合
4利用不同形状的凸轮，改变阀的流量特性、气开或气关型式。
5改变气压作用范围，包括分程控制。
6改善气动管线与阀的动态特性。
六、通过设计经验的积累，阀门定位器的选用可总结为以下内容：
1直径大于或等于150 into的直通双座调节阀和直径大于50 mln的双座调节阀。
2压降大于13 kg／cm2的直通双座调节阀和压降大于5 kg／cm2的直通单座调节阀。
3操作压力大于20 kg／cm2的调节阀。
4散热片型和长颈型调节阀。
5用于调节有闪蒸或气化、含悬浮颗粒、高粘度和胶状介质的调节阀。
6角形、蝶形、三通和隔膜等调节阀。
7滞后大的调节系统温度调节或气动调节器输出引线大于lOO m的场合。
七、总 结
综上所述，可以看出调节阀的选用是比较复杂的，要从以下几个方面考虑：
1根据工艺条件，选择合适的结构类型。
2根据工艺对象的特点，选择合适的流量特性。
3根据工艺参数，计算选择阀门口径，并考虑5值。 ’
4根据阀杆受力大小，选择执行机构。
5根据工艺过程，选择合适的辅助装置。
作者：杜旭峰，赵岩 来源：互联网
锦州石化公司设计院，辽宁锦州121000
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