控制调节阀应用分析.pdf

自动化技术与应用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第8 期 经 验 交 流 “ r ec h ni c a l Co m m u n i c at i o ns 控制调节阀应用分析 李 立 鼎 株冶集团公司电力 自动化中心 ， 湖南 株洲 4 1 2 0 0 4 磊 i i 至 戛 磊 i 滴自 锄成 与 分 类 及 其 在 实 践 中 的 应 用 选 择 与 安 装， 并 对 其 有关 应 用中 需 要 注 意 的 事 项 及 现 场 简 便 而 快速的调校方法作了一定的介绍。 关键词 控制调节阀， 分类； 选择； 安装； 调校； 流量特性 中图分类号 TP 2 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 0 0 8 0 1 1 2 0 4 Ap p l ic a t i o n a n d An a l y s i s o f Co n t r o l v a l v e LI Li - d i ng Z h u z h o u S me l t Gr o u p c o mp a n y El e c t ri c P o we r A u t o ma t i o nC e n t r e ， Z h u z h o u4 1 2 0 0 4 C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r d e s c r i b e s t h e c o mp o s i t i o n a n d c l a s s i f i c a t i o n o f c o n t r o l v a l v e a n d i t s a p p l i c a t i o n o f t h e s e l e c t i o n a n d i ns t a l i a t i o n i n p r a c t i c e ， a n d t h e a t t e n t i o n o f r e l e v a n t c o n t r o l v a l v e i n t h e a p p l i c a t i o n a n d i t s s i mp l e a n d q u i c k a d j u s t me n t me t h o d s a r e i n t r o d u c e d ． Ke y wo r d s c o n t r o l v a l v e ； c l a s s i f i c a t i o n ；s e l e c t i o n； i n s t a l l a t i o n； c a l i b r a t i o n ；f l o w c ha r a c t e r i s t i c s 1 引言 先进的现代化工业是以生产 自动化为标志的， 而控 制调节阀是执行器中的一种 ， 在调节系统中是必不可少 的， 是组成工业 自动化系统的重要环节 ， 被称之为生产 过程 自动化的 “ 手脚” ， 它与各类仪表之间的关系如图 l 所示。但随着现代化工业的大规模发展 ， 如何生产出更 多更好的先进产 品、如何节约能源和保护生态环境等 等， 都给我们提出了新的课题 ， 由此， 人们以对控制调节 阀的使用就提出了更严格、更高的要求。笔者所在株冶 集团公司是一家大型综合有色冶炼企业， 年产铅锌 5 2 万余吨， 硫酸 1 8万余吨 ， 位于长株潭国家两型社会核心 实验区域 ， 控制调节阀广泛应用于该公司， 随着两型社 会化的推进 ， 该公司生产 工艺控制要求越来越高。因 此 ， 正确应用控制调节阀在过程 自动化生产控制中具有 重要 意 义 。 2 控制调节阀的组成 与分类 调节阀是过程控制系统中用动力操作去改变流体 流量的装置 ， 它由执行机构和阀体两部分组成 ， 其 中执 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 8 1 1 2 I T e c | l I 笛a f ～ 伯蜘 却p Ii c 姗 行机构是调节阀的推动装置 ， 它按信号压力的大小产生 相应的推力 ， 使推杆产生相应的位移 ， 从而带动调节阀 的阀芯动作。阀体部件是调节阀的调节部分 ， 它直接与 介质接触 ， 由执行机构推杆的位移 ， 改变调节阀节流面 积 ， 达到调节的 目的。 图 l 调节阀与各类仪表之间的关系 调节 阀按其动力方式不 同主要分为气动调节 阀、 电动调节 阀、液动调节阀三类 ， 按 阀芯形状分为平板 形 、柱塞形、套筒形、蝶形、球形等 t 按流量特性可分 为直线、等百分比、抛物线、快开形四类； 按移动型式 可分为直行程和角行程两类。 经 验 交 流 T ec h ni c aI Co m mun i c at i on s 自动化 技术与 应用 2 0 1 0年第 2 9卷第 8期 调节阀的种类很多 ， 结构繁多， 并在不断更新和变 化 ， 如正在 发展新 一类 的智 能 阀等 。又如三偏 心蝶 阀现 在大 多数是锥 状密封 面 ， 有机 构却 已向更好 的三维 曲面 化密封面探索 ， 且近来在 C AD的支持下， 偏心密封原理 的演变应用非常活跃 ， 已有人尝试将其应用于球阀， 即 所谓 “ 万能控制阀” [ 引 。故在应用时， 应根据不同工艺条 件 和控 制要 求进 行 细致选 择 。 3 控制调节阀类型选择 选择调节阀 ， 要对控制过程进行认真分析 ， 收集好 数据 ， 了解系统对调节阀的要求 ， 如操作性能、可靠性、 安全性 等等 。通过实践 ， 我们认 为主要 从 以下几个方 面 加 以考 虑 3 ． 1 调节阀结构形式的选择 1 确定公称压力 根据最大工作压力 、介质温度和阀体材质等条件 进行 初 步选 型 2 根据泄露量要求选型 根据 工艺 对 泄露量 要 求进 行 选 型 3 根据介质物理性质选型 对易堵塞 、易沉淀、易结垢类介质的选型 问题 ， 所 选阀要求流路简单、有较强 的 “ 自洁”作用。防堵性 最好的是流路最简单 的旋转类 阀 ， 如蝶阀、球阀 、偏 心 阀等 。 4 综合经济效果决定阀具体结构形式 在 满 足上 述 几 项 要 求后 ， 适 用 的 调节 阀可 能 有 几 种 ， 但最后应综合经济效果确定其 中一种型式。此时 ， 应 考 的 问题 有 以 下几 点 1 使用 寿命 2 结 构简单 ， 维护 方便 ， 以减少 维护强度 ， 节省 维 护经 费及 时 间等 。 3 产 品价格 3 ． 2 控制调节阀材料选择 3 ． 2 ． 1 根据 介质 的腐 蚀性选材 根 据介 质对 材料 的腐 蚀 性强 弱 ， 选 定 适用 的材 料 ， 多成分流体按其 中腐蚀性强者选择。对于强腐蚀性介 质 ， 选择耐腐材料必须根据介质的种类、浓度 、温度 、 压力等具体条件来选择 ， 尤其要 了解工艺条件⋯ 1。 3 ． 2 ． 2 根据气蚀、 冲刷是否严重选材 磨损 的基本形式可能是固体颗粒的研磨 、高速流 体的冲击、空化产生的气蚀等作用[ 。阀芯和阀座材料 的磨损会引起阀门的泄露 ， 从而改变流量特性 ， 如磨损 很严重 ， 会形成一条新的小流路 ， 甚至把阀内件的薄壁 穿透 。为提 高耐磨 性 ， 必须 增大 表面 硬度 ， 如选 用 特殊 硬质合金材料 。 3 ． 3 作用方式选择 3 ． 3 ． 1 调节阀作用方式选择 调节阀的作用方式只有在选用气动执行机构时才 有 ， 此时气开、气 闭阀的选择主要从生产安全角度考 虑。当系统故障等原因使信号压力 中断时， 即阀处于无 信号压力的情况下 ， 考虑控制调节阀应处于全开还是关 闭时才能避免损坏设备和保护操作人员。若阀处全开 位置 危害性小 ， 则应 选气 闭阀 ； 反 之 ， 应选 气开 阀。如加 热炉的燃料气或燃料油要采用气开式调节阀 ， 无压力信 号时应切断进炉燃料 ， 避免炉温过高而造成事故。又如 对调节进入设备工艺介质流量的调节阀 ， 若介质是易燃 气体 ， 应选用气开式， 以防爆炸。 另外， 还应从介质的特性上考虑 ， 如介质为易结晶 的物料， 要选气关式， 以防堵塞。还可从保证产品质量 、 经济损失最小的角度考虑来选择调节阀的作用方式 ， 当 在事故发生时， 尽量减少原料及动力消耗 ， 但要保证产 品质量 ， 如在某控制系统中， 进料调节阀常采用气开式 ， 没有气压就关闭， 停止进料， 以免浪费。 3 。 3 ． 2 气动薄膜执行机构作用方式的决定 选定了调节阀作用方式之后 ， 即可决定气动薄膜执 行机构的作用方式 ， 即决定正作用、反作用执行机构的 问题。当双导向阀芯气开 、气闭时均配正作用执行机 构 ； 当单导 向阀芯气开时配反作用执行机构 ； 当单导向阀 芯气闭时配正作用执行机构。 3 ． 4 调节阀流量特性选择 调节阀的流量特性是指介质 流过阀门的相对流量 与相 对开 度 的关系 ， 其 数学表 达 式为 Q ／ Q ma x f 1 ／ L 上式中 Q／ Q ma x相对流量 ， 即调节阀在某一开 度下流量 Q 与全开 流量 Q ma x之 比； l ／L一 相对开度 ， 即调节阀在某一开度下阀 芯位移 1 与全开 位移 L之 比。 一 般 来说 ，改变调节 阀阀芯和阀座之 间的节流面 积 ， 便可调节流量， 但实际上因多种因素的影响， 改变面 积 ， 流量改变 ， 导致系统 中所有阻力的改变 ， 使调节阀前 后压差改变 。为便于分析 ， 先假定阀前后压差不变 ， 然 后再引伸到真实情况进行讨论 。前者称为理想特性 ， 后 T e c h n iq u e s o f A u t o ma t io n＆A p p l ic a t io n s I 1 1 3 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第8 期 经 马 佥交 流 者称为工作特性。 理想流量特性主要有直线 、等百分 比 对数 、抛 物线和快开四种 ， 其理想特性 曲线见图 2所示 。由于 抛物线流量特性介于直线和等百分 比之间 可见 图 2 曲线之间的比较 ， 一般可把它看作是一个近似的等百 分 比关 系 ， 而 快开 特 性 主要 用 于 二 位调 节 及程 序 控 制 中， 故调节阀的选择实际上是如何选择直线和等百分 比流 量 特性 。 图 2 控制调节阀理想流量特性 曲线图 1 一 陕开； 2 一直线； 3 一抛物线 ； 4 一等百分比 调节 阀流量 特性 选择 可通过理 论计算 ， 但所用 的方 法和方程都很复杂 ， 故 目前对调节阀流量特性的选择多 采用经验准则 ， 且以下为其所考虑的几个方面 1 从调节系统的调节质量分析并选择 ； 2 从工艺配管情况考虑 ； 3 从负荷变化情况分析。 调节阀的流量特性选择好后 ， 则可据其流量特性 确定阀门阀芯的形状和结构。各种阀门都有 自己特定 的流量特性 ， 但对于像蝶 阀和隔膜阀等 ， 因其结构特 点 ， 不 可能 用 改变 阀芯 的 曲面 形 状 来达 到 所需 要 的 流 量特性 ， 此时， 可通过改变所配阀门定位器的反馈凸轮 外 形 来 实现 。 总之 ， 流量特性是反映调节阀的开度与流量的变化 关系， 以适应不同的系统特性要求 ， 如对流量调节系统 反应速度快需对数特性； 对温度调节系统反应速度慢， 需 直线流量特性。流量特性反应了调节阀的调节品质。 3 ． 5 调节阀口径的选择 调节阀口径可据等截面积的原则来考虑， 即依据在 手工操作时阀门口径多大 ， 以开启圈数多少估计开启面 积 ， 然后选用在正常情况下具有相 同开启面积的调节 阀。在进行新装置设计时 ， 通常是按流通能力 C值来确 定阀门口径。常用方法有两种 1 依据实 际的最大 流量 Qma x算 出相应 的流通能 力 C ma x， 然后从产品系列中选取稍大于 C ma x的 C值 及相应的阀门口径 ， 选取时应留有必要余地 ， 最后在实 际最大流量 Qma x时的阀门开度进行验算 在 Q ma x时 开度应不大于 9 0 ％， Qmi n时应不小于 l 0 ％。 2 比较实用的途径是按常用流量算出相应的流通 能力 C v c 选取阀门的 C值， 应使 C v c ／ C在 0 ． 2 5 ～0 ． 8 之 间， 即按常用流量 C v c 值乘以 4 ～1 ． 2 5 ， 一般 C v c ／ C为 0． 5较好， 当工作特性为对数特性时可更小些【 引 。 4 阀门的安装 调节阀的正确安装与正确选择同样重要 ， 安装的好 坏 关系到其操作性能 、安全程度 、成本高 低及 维修性等 等。调节阀在安装之前， 应检查其质量 ， 从外观检查开 始， 再检查运输过程 中零件和附件有无缺失、有无合格 证 ， 必要时进行静态特性检查或专项检查， 如有损坏是 不能安装的。其安装主要应注意以下事项 4 ． 1 确 保安 全性 调节 阀的安装应确保 其安全性 ，因为生产必须安 全 。要保 证其使 用安全 ， 首先 应 防止 泄露 。调 节 阀在使 用过程 中， 如在填料函、法兰垫片等部位形成缝隙或小 孔就可能产生泄露。如果流体的操作条件非常苛刻 ， 例 如高 温 、高压 、流体 有腐 蚀性 ， 那 损坏 会越来 越严 重 ， 泄露越来越厉害， 这样可能导致火灾、爆炸、中毒等严 重事故和人身伤害。因此， 在安装过程 中， 填料的选择、 密封方法的选择 、压力的降低、用密封性能好的阀门， 都是安装时必须考虑的因素 。 其 次 ， 应有安 全的管 线 。管 线 中的砂粒 、水 垢 、金 属屑及其他杂质会损坏调节阀的表面 ， 使其关闭不严， 故 在安装调 节 阀前 ， 全 部管 线和管件都 要进行 吹扫并彻 底净化。在调节阀上游或下游附近 的蒸汽管道应当保 温 ， 在压力波动严重的管道系统中， 应使用管道缓冲器。 4 ． 2 确保使用性能 安装调节阀时， 要尽量使其性能不受动态影响。首 先阀门的入 口应为直管段 ， 这样流体进入阀门的压力稳 定 ， 阀 门入 口的直 管段越 长 ， 其性能 越好 。直管 段的经 验长度应是管道直径的 1 0 -2 0 倍 。如有可能， 出口配管 的直 管段也 要足够长 ， 应为 管道直径 的 3 5倍 。 4 ． 3 安装位置要好 ， 便于维修 安装调节阀时， 必须考虑到调节阀现场维修或 日常 拆卸维修的可能性 。维修费用的高低取决于接近阀门 的方便性， 尤其是一些高位置的阀门， 更需要考虑维护 调节阀所需的空间、间隙和方便性 ， 如为了拆卸 阀体法 经 验 交 流 丁 ec h ni G E t I Co m m u nIc at I on s 自动化技术 与应用2 01 0年第 2 9卷第 8期 兰上 的螺栓 ， 应 留有足 够 的空 隙 ， 否则 拆 不掉或 只好 气 割或锯等， 费时又费力 ， 以前我们常碰到这样的事。 另外， 调节阀的安装还须考虑手动操作方便、环境 等因素， 应远离高温、振动、有毒及严重腐蚀的场合。 通常 流体 的 流 向应与 阀体 上 的标 志 一样 。 调 节 阀最好 直 立安装在 水平管道 上 ， 在特 殊情 况需要垂 直或 倾斜安 装时 ， 除小 口径调节阀外， 应加支撑。当生产现场有检 测仪表时， 调节阀应尽量与其靠近 ， 以利调整 。 5 调 节阀运行 中的注意事项及调校 5 。 1 调节阀运行中应注意执行机构的维护 5 ． 1 ． 1 对于气动 、液动 执行 机构 ， 应注意检 查接气 液 管是否接牢 ， 不漏气 ； 应注意检 查推杆有无 弯曲 、变 形 、脱 落 ， 否则 不 能确保 有足 够的 行程 并关 闭阀 门。 5 ． 1 ． 2对于电动执行机构， 应检查电机是否能转动， 是否容易过热， 是否有足够的力矩和耦合力 ； 应检查伺服 放大器是否有输出， 是否能调整； 应检查减速机构的传动 零件 一一 轴 、齿轮 、蜗 轮是否 损坏 ， 是否 磨 损过大 。 5 。 2 调节阀在运行中应注意维护其主要的故障 兀 1 午有 5． 2 ． 1 阀体一一 要经常检 查 阀体 内壁 的受 腐蚀和 磨损情况， 特别是用于腐蚀介质和高压差、空化作用等 恶劣工艺条件下的阀门， 必须保证其耐压强度和耐腐、 耐磨性 能 。 5． 2 ． 2 阀芯一因阀芯起到调节和切断流体的作 用 ， 是活动的截流元件， 故受介质的冲刷 、腐蚀、颗粒 的碰撞最为严重， 在高压差、空化情况下更易损坏 ， 所 以要检查它的各部分是否破坏 、磨损、腐蚀， 是否要维 修 或更换 。 5． 2 。 3 阀座一阀座接合面是保证阀门关闭的关 键， 它受腐受磨的情况也较严重 ， 且 由于介质的渗透 ， 使 固定 阀座 的螺纹 内表面 常常受 到腐蚀 而松动 ， 要特 别检 查 这一 部位 。 5． 2． 4 阀杆 要检查阀杆与阀芯、推杆的连接 有 无松动 ， 是否 产生 过大 的变 形 、裂纹 和腐 蚀 。 5 ． 2． 5 填料 检查 聚 四氟 乙烯 或其 他填料 是否 老化、缺油、变质 ， 填料是否压紧。 5 ． 2 ． 6垫片及 O形圈这些易损件不能裂损、老化。 5 ． 3 控制调节阀运行需要干净的气源、 可靠的 电源 能源是驱动调节阀的关键 ， 气源 、电源、电路绝对 不能有故 障。气动调节阀的膜室虽然不消耗空气 ， 但 气源系统如果含有水分、液滴 或其他杂质 ， 则会使阀 门定位器 、继动器等 附件堵塞并发生故障 ， 所 以空气 系统必须是清洁 、干燥和不含油的系统 ， 应定期对气 源进 行 排 污 。 5 ． 4 运行中的调节阀要定期检修和加油 填料和注油器在短期使用后需要重新调整 。尘土 多的地方要在 阀杆周 围用塑料套或橡皮套保护填料函 或导向部分 ， 有腐蚀性气体或液滴作用的场合要采用特 殊保护措施。一般可用塑料袋包住调节阀， 但不能影响 它 的操 作 。 5 ． 5 控制调节阀的调校 无论 是周 期检 定或故 障检修 后 ， 控 制调节 阀都 需要 检验。以前对调节阀的检验 ， 一般采用标准信号源、标 准电流表等设备来调校 ， 费时又费力。现在可利用某公 司生产的轻便小巧型过程校准器如 7 0 7 、7 7 3 、7 8 7等系 列型号产品进行现场不拆线故障检查测试 ， 即无需断开 回路可测量 4～ 2 0 mA信号 ， 以判断故障原因。同时此 系列产 品 可对 控 制调节 阀进行零 点 、量程 调校 ， 并 能检 验阀门的行程及线性度 ， 既方便快捷而省时省力 ， 又能 满足生产要求而直观。 6 结束语 随着生产 技术 的发展 ， 生产 产 品品质 的要求 越来越 高 ， 随之 自动化生产程度要求越来越高。而控制调节阀 是 自动化生产技术中的重要一环 ， 其应用越来越受到重 视 ， 因为一台运行 良好的调节阀， 不仅能使 自动控制系 统运行稳定 ， 减轻岗位操作人员的劳动强度 ， 而且能有 效减少生产工艺运行参数的偏差 ， 提高生产的经济性和 产品 品质 ， 故此 ， 应加 强对控 制调 节 阀的应用 ， 并在生 产 实践过程 中不断总结和创新 ， 使之更好地为生产服务。 参考文献 [ 1 ] 夏焕彬． 气动调节仪表【 M] ． 北京 化学工业出版社． 1 9 8 9 ． [ 2 ]吴国熙． 调节阀使用与维修 】 ． 北京 化学工业出版社 ． 1 999． [ 3 ]苏海东． 调节阀的选择与安装⋯ ． 仪器仪表标准化与计 量 ． 2 0 0 4 ， 3 4 7 4 8 ． [ 4 ]刘仲刚 ， 杨易萍 ． 三偏 心控 制蝶阀及其衍生型 式[ J ] ． 自动 化与仪器仪表． 2 0 0 9 ， 4 9 0 -9 2 ． 作者 简介 李 立鼎 1 9 6 5一 ，男， 工程 师， 研 究 方向动 、静 态 称 重 计 量 及 自动 化 检 测 与控 制 工 作 。