上一條：閥門在安裝時的14個禁忌與其排解措施
下一條：安裝閥門時要注意的防護措施你知道幾個？
調(diào)節(jié)閥是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器,用來完成被控對象流量的調(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、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)注意的問題。
0?前言
調(diào)節(jié)閥是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器,是自動控制的終端主控元件,直接控制被測介質(zhì)的輸送量。調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成,接受調(diào)節(jié)器或計算機的控制信號,用來改變被控介質(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)到過程控制的自動化。在自動控制領(lǐng)域中,控制過程是否平穩(wěn)直接取決于調(diào)節(jié)閥能否準(zhǔn)確動作,使過程控制體現(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)計的主要問題,也是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運行的關(guān)鍵。
1?類型選擇
調(diào)節(jié)閥一般由執(zhí)行機構(gòu)和閥門組成。調(diào)節(jié)閥門是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機構(gòu),它根據(jù)控制信號的要求而改變閥門開度的大小來調(diào)節(jié)流量,是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。調(diào)節(jié)閥門主要由上下閥蓋、閥體、閥芯、閥座、填料及壓板等部件組成。在自動控制系統(tǒng)中,閥門主要的調(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。執(zhí)行機構(gòu)按照使用的能源種類可分為氣動、電動、液動3種,即以壓縮空氣為動力源的氣動調(diào)節(jié),以電為動力源的電動調(diào)節(jié),以液體介質(zhì)(如油等)壓力為動力的液動調(diào)節(jié)。其中,氣動執(zhí)行機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、性能穩(wěn)定、價格低、維護方便、防火防爆等優(yōu)點,在許多控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。電動執(zhí)行機構(gòu)雖然不利于防火防爆,但其驅(qū)動電源方便可取,且信號傳輸速度快、便于遠(yuǎn)距離傳輸、體積小、動作可靠、維修方便、價格便宜。液動執(zhí)行器的推力大,且調(diào)節(jié)精度高、動作速度快及平穩(wěn),但設(shè)備體積大,工藝復(fù)雜。
(1)調(diào)節(jié)閥門類型的選擇
調(diào)節(jié)閥的閥體類型選擇是調(diào)節(jié)閥選擇中重要的環(huán)節(jié)。在選擇閥門之前,要對控制過程的介質(zhì)、工藝條件和參數(shù)進(jìn)行細(xì)心的分析,了解系統(tǒng)對調(diào)節(jié)閥的要求,根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)來確定所要使用的閥門類型。在具體選擇時,可從以下幾方面考慮:
?、匍y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;
?、谀湍p性?當(dāng)流體介質(zhì)是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時,閥芯、閥座接合面每一次關(guān)閉都會受到嚴(yán)重摩擦。因此閥門的流路要光滑,閥的內(nèi)部材料要堅硬;
?、勰透g?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)簡單閥門;
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,應(yīng)選用閥芯和閥座的材料受溫度、壓力變化小的閥門;
?、莘乐归W蒸和空化?閃蒸和空化只產(chǎn)生在液體介質(zhì)中。在實際生產(chǎn)過程中,閃蒸和空化不僅影響流量系數(shù)的計算,還會形成振動和噪聲,使閥門的使用壽命變短,因此在選擇閥門時應(yīng)防止閥門產(chǎn)生閃蒸和空化。
(2)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)的選擇
?、倏紤]執(zhí)行機構(gòu)的輸出力?執(zhí)行機構(gòu)不論是何種類型,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)行機構(gòu)要能產(chǎn)生足夠的輸出力來克服各種阻力,保證高度密封和閥門的開啟。
?、诳紤]執(zhí)行機構(gòu)的使用環(huán)境要求?對執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)。例如,對于現(xiàn)場有防爆要求時,應(yīng)選用氣動執(zhí)行機構(gòu),且接線盒為防爆型,不能選擇電動執(zhí)行機構(gòu)。如果沒有防爆要求,則氣動、電動執(zhí)行機構(gòu)都可選用,但從節(jié)能方面考慮,應(yīng)盡量選用電動執(zhí)行機構(gòu)。對于液動執(zhí)行機構(gòu),雖然使用不如氣動、電動執(zhí)行機構(gòu)廣泛,但它具有調(diào)節(jié)精度高、動作速度快和平穩(wěn)的特點,所以在特殊的情況下,為了達(dá)到較好調(diào)節(jié)效果也會采用。后,還要考慮執(zhí)行機構(gòu)的可靠性、經(jīng)濟性,選擇動作平穩(wěn)、重量輕、外觀美、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便的執(zhí)行機構(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)閥是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對不可壓縮流體,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,通過閥的流量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)和開度有關(guān)。所以調(diào)節(jié)器輸出信號控制閥門的開或關(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)流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與調(diào)節(jié)閥的相對開度之間的關(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4種特性,如表1。在實際系統(tǒng)中,閥門兩側(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個方面:
?、儆捎诒玫奶匦?當(dāng)系統(tǒng)流量減少時由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加;
②當(dāng)流量減少時,盤管上的阻力也減少,導(dǎo)致較大的泵壓加于閥門。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)閥相對流量與相對開度之間的關(guān)系,稱為工作流量特性。具體可分為串聯(lián)管道時的工作流量特性、并聯(lián)管道時的工作流量特性。
表1?調(diào)節(jié)閥4種理想流量特性
流量特性性質(zhì)特點
直線調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度呈直線關(guān)系,即單位相對行程變化引起的相對流量變化是一個常數(shù)。(1)小開度時,流量變化大而大開度時流量變化小; (2)小負(fù)荷時,調(diào)節(jié)性能過于靈敏而產(chǎn)生振蕩,大負(fù)荷時調(diào)節(jié)遲緩而不及時; (3)適應(yīng)能力較差。
等百分比單位相對行程的變化引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比。(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),尤其在大開度時,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
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。
快開在閥行程較小時,流量就有比較大的增加,很快達(dá)大。(1)在小開度時流量已很大,隨著行程的增大,流量很快達(dá)到大; (2)一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制。
(1)串聯(lián)管道時的工作流量特性
調(diào)節(jié)閥串聯(lián)管道時,因調(diào)節(jié)閥開度的變化會引起流量的變化,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)閥全開流量相應(yīng)減少,使理想的直線特性畸變?yōu)榭扉_特性,理想的等百分比特性畸變?yōu)橹本€特性。在實際使用中,當(dāng)調(diào)節(jié)閥選得過大或生產(chǎn)處于非滿負(fù)荷狀態(tài)時,調(diào)節(jié)閥則工作在小開度,有時為了使調(diào)節(jié)閥有一定的開度,而將閥門關(guān)小以增加管道阻力,使流過調(diào)節(jié)閥的流量降低,實際上就是使壓降分配比值下降,使流量特性畸變,惡化了調(diào)節(jié)質(zhì)量。
(2)并聯(lián)管道時的工作流量特性
并聯(lián)管路一般由閥支路和旁通管支路組成,調(diào)節(jié)閥安裝在閥支路管路上。調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管道上,在系統(tǒng)阻力一定時,調(diào)節(jié)閥全開流量與總管大流量之比隨著并聯(lián)管道的旁路閥逐步打開而減少。此時,盡管調(diào)節(jié)閥本身的流量特性無變化,但系統(tǒng)的可調(diào)范圍大大縮小,調(diào)節(jié)閥在工作過程中所能控制的流量變化范圍也大大減小,甚至起不到調(diào)節(jié)作用。要使調(diào)節(jié)閥有較好的調(diào)節(jié)性能,一般認(rèn)為旁路流量多不超過總流量的20 %。
3?流量特性的選擇
流量特性的選擇方法:
?、偻ㄟ^數(shù)學(xué)計算的分析法;
?、谠趯嶋H工程中總結(jié)的經(jīng)驗法。由于分析法既復(fù)雜又費時,所以一般工程上都采用經(jīng)驗法。具體來說,應(yīng)該從以下幾個方面考慮:
(1)從自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量考慮
根據(jù)自動控制原理中的特性補償原理,為了使系統(tǒng)保持良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量,希望開環(huán)總放大系數(shù)與各環(huán)節(jié)放大系數(shù)之積保持常數(shù)。這樣,適當(dāng)選擇閥的特性,以閥的放大系數(shù)變化來補償對象放大系數(shù)的變化,可使系統(tǒng)的總放大系數(shù)保持不變。
(2)根據(jù)管道系統(tǒng)壓降變化情況來選擇
調(diào)節(jié)閥的壓降比定義為該調(diào)節(jié)閥可控制的大流量所對應(yīng)閥門前后差壓Δp1m和系統(tǒng)差壓Δp之比
調(diào)節(jié)閥流量特性與壓降比S有密切的關(guān)系,如表2所示。
表2?根據(jù)管道系統(tǒng)壓降選擇調(diào)節(jié)閥特性表
管道系統(tǒng)壓降比S 1-0.6 0.6-0.3 0.3-0
實際工作流量特性直線等百分比直線等百分比調(diào)節(jié)不適宜
所選流量特性直線等百分比直線等百分比
(3)從負(fù)荷變化的情況來分析
直線閥在小開度時流量變化大,調(diào)節(jié)過于靈敏,易振蕩;在大開度時,調(diào)節(jié)作用又顯得微弱,造成調(diào)節(jié)不及時,不靈敏。因此在壓降比S較小、負(fù)荷變化大的場合不宜采用直線閥。等百分比閥在接近關(guān)閉時工作緩和平穩(wěn),而接近全開狀態(tài)時,放大系數(shù)大,工作靈敏有效,因此它適用于負(fù)荷變化幅度大的場合?？扉_特性閥在行程較小時,流量就較大,隨著行程的增大,流量很快達(dá)到大,它一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制的場合。(4)根據(jù)調(diào)節(jié)對象的特性進(jìn)行選擇一般凡是具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對象都可選擇等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥,不具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對象則選擇直線流量特性的調(diào)節(jié)閥。
4?調(diào)節(jié)閥口徑選擇
選擇調(diào)節(jié)閥門口徑的目的是使閥門和管道組合,產(chǎn)生一個合理的組合線性特性,使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能進(jìn)行有效控制。調(diào)節(jié)閥口徑是根據(jù)工藝要求的流通能力確定的,由提供的工藝條件計算出調(diào)節(jié)閥的流通能力,再依據(jù)其流通能力選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。
要合理選擇調(diào)節(jié)閥門的口徑,必須了解調(diào)節(jié)閥流通能力。流通能力是指當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開,閥兩端壓差為9.81×104 Pa ,流體的密度為1 g cm3時,每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量值。調(diào)節(jié)閥的流通能力是合理選擇閥門及閥門口徑的一個重要參數(shù),通過對調(diào)節(jié)閥流通能力的計算,比對廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定閥門口徑的大小。對于自動控制系統(tǒng)來說,水是流經(jīng)調(diào)節(jié)閥普通、常見的介質(zhì),所以這里以水為例介紹調(diào)節(jié)閥的流通能力。
在實際工程中,閥門口徑是分級的, C值通常也不是連續(xù)值(公式計算的C值是連續(xù)的)。不同廠商的同類型產(chǎn)品有不同的C值與口徑對應(yīng)表。在算出期望的C值后,就可以查閱生產(chǎn)商的相應(yīng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表來決定所需的閥門口徑。選取閥門口徑的原則應(yīng)盡可能接近或大于計算結(jié)果,不應(yīng)小于計算結(jié)果。
5注意事項
(1)調(diào)節(jié)閥門直接按照接管管徑選取是不合理的,因為閥門的調(diào)節(jié)品質(zhì)與接管流速或管徑?jīng)]有關(guān)系,閥門的調(diào)節(jié)品質(zhì)僅與水的阻力及流量有關(guān)。亦即一旦系統(tǒng)設(shè)備確定之后,理論上適合該系統(tǒng)的閥門只有一種理想的口徑,而不會出現(xiàn)多種選擇。
(2)就閥門的選擇而言,選擇的閥門口徑過小,一方面會增加系統(tǒng)的阻力,甚至?xí)霈F(xiàn)閥門口徑100 %開啟,系統(tǒng)也無法達(dá)到設(shè)定的容量要求,導(dǎo)致嚴(yán)重后果;另一方面閥門將需要通過系統(tǒng)提供較大的壓差以維持足夠的流量,加重泵的負(fù)荷,閥門易受損害,對閥門的壽命影響很大。
(3)就閥門的選擇而言,選擇的閥門口徑過大,不僅增加工程成本,而且還會引起閥門經(jīng)常運行在低百分比范圍內(nèi),引起調(diào)節(jié)精度降低,使控制性能變差,而且易使系統(tǒng)受沖擊和振蕩。
(4)為了保證系統(tǒng)控制品質(zhì),好的方法是在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)選擇能獲得較大壓力降的閥門口徑,使閥門在運轉(zhuǎn)過程中壓力降的變化值盡可能小。閥門全開狀態(tài)下的壓力降占全泵壓百分比越高,則閥門壓力降相對變化值越小,閥門的安裝特性就越接近其內(nèi)在特性。
(5)控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡可能工作于恒定的壓力降條件下,因為閥門是否匹配盤管依賴于它的內(nèi)在特性和流量因子,而這些閥門參數(shù)取決于恒定的閥門壓力降。
綜上所述,進(jìn)行調(diào)節(jié)閥設(shè)計的目是大限度地保證系統(tǒng)控制的品質(zhì)要求,這就要求對調(diào)節(jié)閥的組成、分類、特性有一個清楚的認(rèn)識,并在此基礎(chǔ)上掌握正確的選擇方法。而且,對于一個實際系統(tǒng)配置調(diào)節(jié)閥時,還需要對整個管系環(huán)路進(jìn)行詳盡的分析,綜合考慮各種因素。只有這樣,才能正確地選擇調(diào)節(jié)閥,保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。