气动控制阀的耗气量及储气罐设计分析.pdf

第 4 9 卷第 4 期 2 0 1 3年 8月 石油化工自动化 AUT0MATI ON I N PE TR _ CHEMI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 4 9．No ． 4 Au g u s t ，2 0 1 3 气动控制 阀的耗气量及储气罐设计分析 陈松华 ， 李幼春 中国五环工程有限公司， 武汉 4 3 0 2 2 3 摘 要 针对气动控制阀的仪表气源管路种类多， 耗气因素比较复杂的状况， 根据气动控制阀的原理和各组成附件的结构特点， 对实际工程选用的控制阀气路进行分 析， 并提 出了控制 阀的耗气量计算方法及 阀门 自带储 气罐的选择方法 ， 便于设计中更详 细 地提出仪表空气的消耗量 ， 从而保 证仪表空压站 的经济合理性 ， 提高设计水平 。 关键词 气动控制阀储气罐定位器执行机构气源装置 中图分类号 T H 1 3 8 ． 5 2 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 3 0 4 0 0 1 7 0 3 De s i g n Ev a l ua t i o n o f Ai r Co n s u m p t i o n o f Pne u ma t i c Co nt r o l Va l v e a nd Ai r Ta nk Ch e n S o n g h u a ，L i Yo u c h u n W u h u a n E n g i n e e r i n g Co ．L t d ． ，W u h a n，4 3 0 2 2 3 ， Ch i n a Ab s t r a c t Ai m t o c o mp l i c a t e d p i p e t y p e s o f i n s t r u me n t a i r s o u r c e f o r p n e u ma t i c c o n t r o l v a l v e ， a n d wo r k i n g c o n d i t i o n o f c o mp l e x a i r c o n s u mp t i o n f a c t o r s ，c o mb i n i n g t h e i n v e s t i g a t i o n o f a i r l o o p o f p n e u ma t i c c o n t r o l v a l v e i n a c t u a l p r o j e c t ，a a p p r o a c h o f a i r c o n s u mp t i o n c a l c u l a t i o n o f p n e u ma t i c c o n t r o l v a l v e a n d s e l e c t i o n o f v a l v e e q u i p p e d wi t h g a s t a n k i s p r o p o s e d a c c o r d i n g t o p r i n c i p l e o f p n e u ma t i c c o n t r o l v a l v e a n d c o n s t r u c t i o n f e a t u r e s o f a c c e s s o r y ，t o c a l c u l a t e d e t a i l e d a i r c o n s u mp t i o n o f i n s t r u me n t d u r i n g d e s i g n e a s i l y ， t o g u a r a n t e e r e a s o n a b l e e c o n o my f o r i n s t r u me n t a i r c o mp r e s s s t a t i o n，a n d t o i mp r o v e d e s i g n t e c h n o l o g y ． Ke y wo r d s p n e u ma t i c c o n t r o l v a l v e ；g a s t a n k；p o s i t i o n e r ；a c t u a t o r ；a i r s u p p l y u n i t 气动控制阀是石油 、 化工 、 电力 、 冶金等工业企 业广泛使用的工业过程控制仪表之一 ， 通常由气动 执行机构 、 阀门、 定位器 、 电磁 阀等附件组成l l1 ] 。气 动控制阀的工作原理是 以压缩空气为动力源 ， 以气 动薄膜或气缸为执行 器， 并借 助于 电气 阀门定位 器、 转换器 、 电磁 阀、 保位阀等附件去驱动 阀门， 实 现开关量或 比例式调节 ， 接收工业 自动化控制系统 的控制信号来完成 调节管道介质的流量、 压力 、 温 度等各种工艺参数 。 在分析气动控制阀仪表气源配置时 ， 需 了解各 台控制阀的耗气量及控制 阀 自带储气罐容积 的计 算方法。目前 ， 石化行业控制 阀的耗气量通常遵循 化工行业标准 仪表供气设计规定 中总耗气量估 算方法和汇总计算法l 2 ] ， 但规范中也未明确各 台气 动控制阀的耗气量计算方法 。在控 制阀 自带储气 罐的容积选择时 ， 由于活塞执行结构 的大小不同 ， 储气罐的容积应有多种标准规格， 而文献[ 3 ] 中只 给出了两种推荐储气罐容积 。 笔者从控制阀原理的角度 ， 针对控制阀的耗气 因素及动作状态 ， 分析计算 出控制 阀的耗气量， 并 以一典型配备储气罐的控制阀为例， 分析提 出如何 选择储气罐的容积。 1 气动控制阀的分类 气动控制 阀按 应用场合不 同可 分为两大类 在过程参数控制 中作为调节用的控制阀 ， 简称调节 阀， 通常采用气动薄膜式或气缸式执行机构 ] ， 配 备 阀门定位器 ； 在程控及联锁控制中作为开关用的 切断阀， 简称开关 阀， 通常采用气缸式执行机构 ， 配 备 电磁阌。 常用的气动执行机构又可分为两类 薄膜执 行机构 ， 通常接受 0 ． O 2 ～O ． 1 0 MP a的标准压力信 号 ， 当压力进入薄膜气 室时， 使执行机构内推杆部 件移动 ， 并带动弹簧单 向动作， 具有结构简单 、 动作 可靠 、 维修方便等特点； 活塞式执行机构 ， 气缸允许 操作压力较大 ， 可达 0 ． 5 MP a ， 适用于需要执行机 构较大推力的场合 。活塞式执行机构根据结构不 同可分为正作用弹簧式活塞执行机构和双作用无 稿件收到 日期 2 0 1 3 0 1 1 0 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 3 0 5 0 6 。 作者简介 陈松华 1 9 8 2 ， 男 ， 湖北洪湖人， 毕业 于武汉大学 电路 与系统专业 ， 获硕 士学 位 ， 现 工作 于中 国五环工 程有 限公 司 电控 室 ， 任工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 石油化工 自动化 第 4 9 卷 弹簧式执行机构 ， 根据 阀门的开关时间要求 、 阀门 的气源故障状态等因素， 在选择气动控制 阀时， 会 考虑控制阀附件的选择 ， 如气动加速器、 电磁阀、 储 气罐 、 气控阀等附件。 2 气动控制阀的耗气 2 ． 1 调节阀的耗气 对于调节阀， 气动执行机构静态时理论上不耗 气， 在稳态情况下 ， 由于执行机构相对密闭， 调节阀 的耗气主要在电气阀门定位器的放大器加 内部喷 嘴挡板排气动作上。当然， 对于某些工艺需要提高 执行机构动作速度 、 减少滞后 时间的场合 ， 或者调 节器输出信号传递距离很远 、 执行机构容量较大的 场合 ， 调节阀需另外配备气动加速器[ 5 ] ， 气动加速 器的排气状态也是调节阀耗气的一个原因。另外 ， 调节阀的耗气量还需要考虑供气管线 、 执行机构 、 减压阀的空气泄漏量。 电气阀门定位器 的动态耗气量可查 阅产品 样本， 对于气动薄膜执行机构， 目前进口智能阀门 定位器在供气压力 1 4 0 k P a 时 ， 动态耗气量大部分 不会大于 0 ． 4 ／ h 。国内制造厂生产 的定位器稳 态耗气量l_ 7 ] 相对较大 重庆川仪的 HVP l l 智能定 位器在供气压力 1 4 0 ～5 0 0 k P a时， 动态耗气量约 为 0 ． 1 2 m。 ／ h ； 吴忠仪表 HE P智能定位器在供气 压力 1 4 0 47 0 0 k P a时， 动态耗气量约为 0 ． 3 1T I 。 ／ h ； 徐州阿卡 的 Z P D 3 0 0 0定位器 在供 气压 力 1 4 0 ～ 2 5 0 k P a时， 动态耗气量 约为 0 ． 4 5 m。 ／ h 。对于气 动活塞式执行机构 ， 特别是双作用形式的， 其配备 的智能电气阀门定位器的动态耗气量 比薄膜式大 很多倍。如徐州阿卡的 Z P D3 2 1 1定位器在供气压 力 5 5 0 k P a时， 动态耗气量就达到 了 3 ． 6 I T I 。 ／ h l 当 采用非智能型 的电气 阀门定位器时， 如普通产 品 Z P D一 0 1 定位器在供气压力 1 4 0 --2 5 0 k P a时， 动态 耗气量约为1 ． 5 ／ h 。 气动加速器的耗气量及阀门附件 、 管线的空气 泄漏量相 比电气 阀门定位器较小 ， 如重庆川仪 的 VF 0 1在供气压力 1 4 0 ～7 0 0 k P a时， 耗气量约为 0 ． 0 9 m。 ／ h 。 此外 ， 供气压力也可能对阀门组件的动态性能 产生很大的影响， 它能显著影响供应给执行机构的 空气量， 并能显著地影响定位器的增益和总耗气量。 2 ． 2 开关阀的耗气 开关阀的耗气较为复杂 ， 其主要是通过控制外 部气源的通断来控制阀门的开关状态， 气源压力的 大小决定阀门的开关速度 ， 其耗气量的大小与阀门 所配置的气动执行器的大小有关 ， 气动执行机构越 大， 其消耗的气量也越多。气动执行器有单作用和 双作用之分_ 8 ] ， 因而实现开关转换时耗气量也有所 不同。总的来说， 开关阀的耗气主要在电磁阀的励 磁状态带动排气动作上 。 开关阀的耗气量取决于供气压力、 开关行程 、 气缸体积及动作次数 ， 对于双作用活塞执行机构 ， 具体计算见下式 q v s 一 Vo V。 L 1 1 0 1 ． 3 2 ／ l o 1 ． 3 2 ] 1 对于单作用活塞执行机构 ， 具体计算见下式 g 一V1 E p l 1 0 1 ． 3 2 ／ 1 0 1 ． 3 2 ] n 2 式中 开关 阀耗气 量 标 准状况 ， r n 。 ／ h ； V。 气缸 开向容积 ， r n 。 ； V。 一 一 气缸关 向容积 ， m。 ； 户 1一 供气压力 ， k P a ； Vl一 活塞容 积， m。 ； ， z 每小 时动作 次数 活塞往 复动作 为一次 ， 次数／ h 。 对于气缸的容积 ， 根据阀门的口径、 关闭压差 、 执行机构的输出力及行程等参数进行选择 ， 表 l列 出国内某制造厂几种不 同口径的双作用气缸容积 大小及计算 出的耗气量 。 表 1 气缸容积及耗气 量 3 储气罐的容积 对于无弹簧 式执行机构 ， 为实现控制 阀的气 开、 气关动作 ， 需另外配备储气罐 等附件E 。储气 罐在供气压力失去时给执行机构提供负载压力 ， 这 样可以把活塞移至需要 的位置， 当供气压力恢复正 常时， 自动操作将继续， 而且储气罐会被重新充气。 因此 ， 在选择气动控制 阀的储气罐时， 需要了解储 气罐容积的计算方法 。 储气罐内的容积、 压力变化应保证活塞执行机 构的正常动作及仪表气源的供给 ， 因而在气源故障 时活塞执行机构全行程动作 1 次 的情况下 ， 根据伯 努利方程可以推导出储气罐的容积计算公式 VT P T P c 一 Pc 1 0 1 ． 3 2 Vo Vc 十 Vp 3 式中 V rT 储气罐体积 ， r n 。 ； P T 一 储气罐内正 常压 力， k P a P c 活 塞 最 小 动 作 压 力， k P a V。 配管容积 ， r n 。 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 陈松华等．气动控制阀的耗气量及储气罐设计分析 带三通气控 阀的双作用活塞执行机构开关 阀 的气动管路如图 1所示 ， 笔者 以该气 动管路为例 ， 分析得到储气罐的容积。 控制信号 图 1 双作用执行机构的开关阀气动管路 示意 该气动管路 的工作原理 在正常工作时 ， 电磁 阀 V1 ， 三通气控阀 V2 ／ V3均为气源进气方 向 1 ， 2 通 ； 当气 源故 障时， 三通气 控 阀 V2 ／ V3均 为 2 ， 3 通 ； 当联锁控制信号作用电磁 阀时， 电磁阀 V1及 三通气控阀 V2 ／ V3均为 2 ， 3通， 储气罐供气。常 用的几种气源配管的容积 见表 2 所列 。 表 2 气源 管容积 由于气源管容积相对于气缸的容积较小 ， 在选 择 牵 1 21气 源 管 ， 并 且 储 气 罐 内正 常压 力 为 5 0 0 k P a 时， 计算出的储气罐容积见表 3所列 。 表 3 储气 罐容积 注 1 根据需求特殊定制 。 目前在国内使用的控制阀 ， 储气罐制造和检验 应遵循 国内标准 TS G R 0 0 0 3 --2 0 0 7 简单压力容 器安全技术监察规程 口 。 。 ， 许多阀门制造厂一般 向 压力容器生产厂家外购储气罐 ， 文献 [ 3 ] 给 出了两 种推荐 的储气罐容积 4 0 L和6 5 L， 便于设计 时选 择标准的储气罐容积。 从 表 3的数据 可 以看 出在气 源故 障 时活塞 执 行机构全 行 程 动作 1次情 况 下 ， 储 气 罐 的容 积一般为气缸容积 的 2 ～4倍左 右 ， 在气 源故 障 时， 工艺若需要阀门的动作次数越多， 则储气罐 的体积会更大 。但 是总 的来说 气动 控制 阀储气 罐 的 容 积 并 不 能 显 著 地 影 响 表 气 源 装 置 的 容 积 。 4结束语 从 上述 的分析可以得到影 响气动控制 阀的耗 气 因素众多 ， 如定位器 、 执行机构的选择、 执行机构 的动作频繁程度、 控制阀附件的选择等因素。降低 气动控制 阀的耗气量的措施也有很多 ， 例如通过增 加减压阀降低系统的压力 ， 减 少管道上漏气消耗 ， 或者选择耗气量小 的定位器 、 减少执行机构的气缸 容积等方法。因此 ， 在设计控制阀耗气量时应根据 气动控制 阀的数量及每 台气动控制阀的耗气量进 行计算 ， 合理地选择 阀门配备的储气罐 ， 避免导致 气动控制阀在动作时因气量不足影响阀门的动作 时间和动作速度 ， 并直接影响到项 目仪表气源装置 的容积 ， 影响节能及经济投资。 参考文献 [ 1 ] 何衍庆， 邱宣振， 杨洁， 等．控制阀工程设计与应用[ M] ． 北 京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2] 中国寰球 化 学工 程公 司 ， 中国五 环化 学工 程 公 司． HG ／ T 2 0 5 0 7 2 0 0 0自 动化仪表选型设计规定E s ] ． 北京 全国化 工工程建设标准编辑 中心， 2 0 0 1 ． [ 3] 中国华泰工程公司． HG／ T 2 0 5 1 0 -- 2 0 0 0仪表供气设计规定 E s ] ．北京 全 国化工工程建设标准编辑 中心 ， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 杨源泉．阀门设计手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 2 ． [ 5] 陆培文．实用 阀门设计手册 E M] ．2版．北京 机械工 业出 版社 ， 2 0 0 7 ． [ 6 ] 宋家霖． 气动控制仪表技术原理E M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 7 ] 邱宣振， 陈新． 低耗气量定位器与控制阀耗气量的确定[ J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 4 ， 4 0 0 5 1 0 2 1 0 3 ． [ 8 ] 陆培文， 孙晓霞， 杨炯良．阀门选用手册[ M] ．2 版．北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 9] 陆德 民， 张振基 ， 黄步余 ． 石油化工 自动控制 设计手册 E M] ． 3版． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 1 O ] 郑津洋 ， 张建荣 ， 寿 比南， 等． TS G R 0 0 0 3 --2 0 0 7简单压力容 器安全技术监察规程[ s ] ． 北京 中国计量出版社， 2 0 0 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c 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