化工仪表自动化教案第五章.docx

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化工仪表自动化教案第五章

化工仪表自动化教案

第五章执行器

作用：

接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。

按能源形式分：

气动执行器（0.02~0.1MPa）

电动执行器（电信号）

液动执行器

第一节气动执行器

结构：

执行机构：

执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。

控制机构：

执行器的控制部分，它直接与被控介质接触，控制流体的流量。

所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。

常用辅助装置：

1、阀门定位器

2、手轮

一、气动执行器的结构与分类

1、执行机构

分类：

薄膜式：

结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。

活塞式：

推力较大，用于大口径、高压降控制阀或蝶阀的推动装置。

长行程：

行程长、转矩大，适于输出转角（60°～90°）和力矩。

根据有无弹簧可分为有弹簧的及无弹簧的执行机构。

气动薄膜式执行机构有正作用和反作用两种形式。

当输入气压信号增加时阀杆向下移动时称正作用；

当输入气压信号增加时阀杆向上移动时称反作用。

在工业生产中口径较大的调节阀通常采用正作用方式。

薄

膜

式

1-上盖2-膜片3-平衡弹簧4-阀杆5-阀体6-阀座7-阀芯

活

塞

式

1-活塞2-气缸3-推杆4-阀杆5-填料6-阀体7-阀芯8-阀座

2、控制机构

即是控制阀，是一个局部阻力可以改变的节流元件。

结构形式分类：

（1）直通单座控制阀

阀体内只有一个阀芯与阀座。

特点：

结构简单、泄漏量小，易保证关闭，甚至完全切断。

在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。

（2）直通双座控制阀

阀体内有两个阀芯和阀座。

特点：

流体流过的时候，不平衡力小，容易泄漏。

根据阀芯与阀座的相对位置，可分为正作用式与反作用式两种形式。

阀门中的柱式阀芯可以正装，也可以反装。

正装阀：

阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积减小。

反装阀：

阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截面积增大。

（3）

角形控制阀

角形阀的两个接管呈直角形，一般为底进侧出。

特点：

流路简单、阻力较小，适于现场管道要求直角连接，介质为高黏度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒状的场合。

（4）三通控制阀

共有三个出入口与工艺管道连接。

按照流通方式分：

（5）

隔膜控制阀

采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。

特点：

结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。

不易泄漏。

耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制。

（6）蝶阀

（7）球阀

（8）凸轮挠曲阀

（9）笼式阀　

凸轮阀笼式阀

二、控制阀的流量特性

定义：

调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量和阀门相对开度之间的关系；

1.控制阀的理想流量特性

在不考虑控制阀前后压差变化时得到的流量特性称为理想流量特性。

它取决于阀芯的形状。

不同流量特性的阀芯形状1-快开；2-直线；3-抛物线；4-等百分比

（1）直线流量特性

指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。

（5-2）

将5-2积分得：

（5-3）

边界条件：

l=0时，Q=Qmin;l=L时Q=Qmax

把边界条件代入式（5-3），可分别得：

（5-4）

R为控制阀的可调范围或可调比。

注意：

Qmin不等于控制阀全关时的泄漏量，一般是Qmax的2％～4％。

举例：

当R=30,l/L=0时，Q/Qmax=0.33，假设R=∞,位移变化量为10%。

在10％时，流量变化的相对值为

在50％时，流量变化的相对值为

在80％时，流量变化的相对值为

（2）等百分比（对数）流量特性

等百分比流量特性是指单位相对行程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。

（5-6）

将5-6积分得：

将前述边界条件代入：

（5-7）

（3）抛物线流量特性

（4）快开特性

这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大。

快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。

2、控制阀的工作流量特性

在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。

（1）串联管道的工作流量特性

图5-14串联管道的情形图5-15管道串联时控制阀压差变化情况

图5-16管道串联时控制阀的工作特性

（2）并联管道的工作流量特性　

控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。

当生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀打开一些，此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。

如图5-17所示，显然这时管路的总流量Q是控制阀流量Q1与旁路流量Q2之和，即Q＝Q1＋Q2。

图5-17并联管道的情况

以x代表并联管道时控制阀全开时的流量Q1max与总管最大流量Qmax之比，可以得到在压差Δp为一定时，而x为不同数值时的工作流量特性曲线。

当x＝1，即旁路阀关闭、Q2＝0时，控制阀的工作流量特性与它的理想流量特性相同。

随着x值的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的流量特性变化不大，但可调范围大大降低了。

控制阀关死，即l/L＝0时，流量Qmin比控制阀本身Q1min大得多。

在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响，控制阀上的压差还会随流量的增加而降低，使可调范围下降得更多些，控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围更小，甚至几乎不起控制作用。

采用打开旁路阀的控制方案是不好的，一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几，即x值最小不低于0.8。

结论：

①串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。

②串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。

③串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。

④串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减少。

三、控制阀的选择

1.控制阀结构与特性的选择

结构形式选择：

主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。

特性选择：

先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。

目前使用比较多的是等百分比流量特性。

2.气开式与气关式的选择

有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。

反之，为气开式。

选择要求：

主要从工艺生产上安全要求出发。

信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。

如果阀处于打开位置时危害性小，则应选用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门能自动打开，保证安全。

反之阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。

组合方式表

3、控制阀口径的选择

口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量。

口径选择得过大，会浪费设备投资，且使控制阀经常处于小开度工作，控制性能变差，易使控制系统变得不稳定。

控制阀的口径选择是由控制阀流量系数KV值决定的。

流量系数KV的定义为：

当阀两端压差为100kPa，流体密度为1g/cm3，阀全开时，流经控制阀的流体流量。

对于不可压缩的流体，且阀前后压差p1－p2不太大时，有：

四、气动执行器的安装和维护

（1）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面或楼板的地方。

（2）气动执行器应安装在环境温度不高于+60℃和不低于-40℃的地方，并应远离振动较大的设备。

（3）阀的公称通径与管道公称通径不同时，两者之间应加一段异径管。

（4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。

特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外，一般应加支撑。

即使正立垂直安装，当阀的自重较大和有振动场合时，也应加支撑。

（5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明，不能装反。

（6）控制阀前后一般要各装一只切断阀，以便修理时拆下控制阀。

考虑到控制阀发生故障或维修时，不影响工艺生产的继续进行，一般应装旁路阀。

（7）控制阀安装前，应对管路进行清洗，排去污物和焊渣。

安装后还应再次对管路和阀门进行清洗，并检查阀门与管道连接处的密封性能。

当初次通入介质时，应使阀门处于全开位置以免杂质卡住。

（8）在日常使用中，要对控制阀经常维护和定期检修。

第二节电动执行器

定义：

电动执行器接收来自控制器的0～10mA或4～20mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。

分类：

角行程直行程多转式

角行程电动执行机构：

主要由伺服放大器、伺服电动机、减速器、位置发送器和操纵器组成。

位置发送器：

是能将执行机构输出轴的位移转变为0～10mADC（或4～20mADC）反馈信号的装置，它的主要部分是差动变压器。

小结：

电动执行机构不仅可与控制器配合实现自动控制，还可通过操纵器实现控制系统的自动控制和手动控制的相互切换。

当操纵器的切换开关置于手动操作位置时，由正、反操作按钮直接控制电机的电源，以实现执行机构输出轴的正转或反转，进行遥控手动操作。