第五章 调节阀和执行机构

第五章执行器第一节概述一、执行器基础知识执行器是自动控制系统的终端部分，直接安装在工艺管道上，通过接受调节器发出的控制信号，改变阀门的开度或电机的转速来改变管道中的介质流量，从而把被调参数控制在所要求的范围内，从而达到生产过程自动化。

因此，执行器是自动控制系统中一个极为重要而又不可缺少的组成部门。

执行器按其能源形式可分为气动、电动和液动三大类。

气动执行器习惯称为气动薄膜调节阀，它以压缩空气为能源，具有机构简单、动作可靠、平稳、输出推力大、本质防爆、价格便宜、维修方便等独特的优点，因此被广泛应用在石油、化工、冶金、电力等工业部门中。

执行器常称调节阀，又称控制阀。

它由执行机构和调节机构（也称调节阀）两部分组成，其中，执行机构是调节阀的推动部分，它按控制信号的大小产生相应的推力，通过阀杆使调节阀阀芯产生相应产生相应的位移（或转角）。

调节机构是调节阀的调节部分，它与调节介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀芯与阀座间的流通面积，从而达到调节流量的目的。

二、气动执行器一个气动调节系统由气源及减压过滤系统、电/气转换器（电/气阀门定位器）、气动执行器（执行机构和调节机构）构成。

1．气动执行机构气动执行机构主要由膜盒、膜片、弹簧和阀杆等组成。

气动执行机构有薄膜式（有弹簧）及活塞式（无弹簧）两类，后者往往采用较高的气压范围，使用于需要推力较大的场合。

薄膜式执行机构的输入气压一般为20～100kPa；但也有40～200 kPa的，这时在调节器与执行机构之间应装设比例继动器或高气源阀门定位器，将调节器的输出气压提高。

执行机构是调节阀的推动装置，它根据控制信号压力的大小而产生相应的输出力来推动调节机构动作。

当压力信号p增大时，推杆向下动作的为正作用；推杆向上动作的为反作用，但其工作原理是相同的。

当压力信号进入薄膜气室时，橡胶膜片由于气体的作用而产生推力，使阀杆移动，压缩弹簧，直至弹簧的反作用与膜片上的作用力相平衡。

输出推杆位移量L与输入气压信号P成正比关系，引入调节阀的压力信号不同，得到的位移量也不同，由此控制调节阀的开度。

其输出位移的最大范围L为执行机构的行程。

2．调节机构调节机构主要由阀体、阀座、阀杆、阀芯、上阀盖和密封填料等组成。

调节机构是气动执行器的调节部分。

在执行机构的推力作用下，当阀杆移动时，调节机构中的阀芯产生位移，改变阀芯与阀座间的流通面积，从而改变被控介质的流量，以克服干扰对系统的影响，达到调节的目的。

调节阀的主要类型：直通单座调节阀；直通双座调节阀；角形调节阀；套筒型调节阀。

3. 电气转换器电气转换器即是一个把电信号转换为气信号的设备，把控制室来的电Ⅲ型4～20mA信号，成比例的转化为20～100kPa的压力信号。

来推动调节阀工作。

当4～20mA信号输入电气转换器后经过滤波作用于线圈，其产生的磁强受永久磁钢的影响使线圈产生移动，改变了喷嘴与线圈挡板的距离，从而引起喷嘴背压的改变，其压力作用于气动功率放大器使输出发生变化，产生20～100kPa的气动信号。

4.电/气阀门定位器电/气阀门定位器是由电气转换和阀门定位两部分组成。

电气转换部分和电气转换器类似。

4～20mA输入信号经过力矩马达磁钢后产生一力矩，其力矩使主杠杆差生位移并带动挡板移动。

使挡板与喷嘴之间的位移发生变化，从而改变了喷嘴的背压使气动功率放大器的输出发生变化，输出的气动信号使调节阀阀杆产生移动。

其位移经阀门定位的反馈杆反馈到反馈凸轮上，使反馈凸轮旋转带动负杠杆移动从而使主杠杆受到一反馈力。

当反馈力与力矩磁钢产生的力矩平衡时调节阀阀杆停止移动。

三、电动执行机构以我公司应用较多的PS电动执行机构为例。

PS直行程电动执行机构(PSL)最大行程达到100mm，最大推力可达25kN，适合于直线动作的开关和调节控制.主要由相互隔离的的电器控制部分和齿轮轴部分组成，电机连接两隔离部分的中间部件。

电机按伺服放大器的控制要求旋转，先经过高效率齿轮减速，再经大减速比具有自锁性能的蜗轮蜗杆组件传送到输出轴，作直行程运动。

输出轴的径向锁定装置上连接一个杆，杆随同输出轴同步运动，通过一个与它连接的关板将位置转换成电信号给伺服放大器作为比较和阀位反馈输出，同时执行机构的行程也可由开关盘上的两个主限位开关限制。

PSL同阀杆的联接采用盘簧柔性联接方式，这种联接一方面可以克服由于阀杆同输出轴不同轴，带给阀门的损害；另一方面可以通过压缩盘簧来预置阀门的关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。

PSQ 90°角行程电动执行机构，输出力矩为50Nm-700Nm，适合于90°旋转阀门（如球阀.蝶阀）和风门的开关与调节控制。

PSQ角行程执行机构主要是由相互隔离的电器控制部分和齿轮传动部分组成，电机做为连接两隔离部分的中间部件。

电机转矩通过主齿轮传送到行星齿轮，主齿轮驱动行星齿轮带动中空的齿轮，以此带动输出轴做0～90°的转动。

中空齿轮比二级齿轮少三个齿，因此可以由行星齿轮驱动，行星齿轮转一周中空齿轮转动三个齿。

行星齿轮的外部始终啮合一个蜗杆齿轮，运行时也不分开，这种设计使电机在故障或阀门转矩意外增加时可以直接通过手轮进行手动。

执行机构有两个螺纹止档机械限位，也有两限位开关来实现电限位，每一个转向的行程范围可以通过限位开关的设置来控制，阀门开度由一个凸起的显示器指示，独特的转矩开关可调整从50%～100%的最大转矩，实现转矩保护，以防止阀门被卡死时造成的阀杆损坏。

四、电液阀电液阀是用被调介质压力作为动力源，通过电磁阀的开关来控制介质流过膜套的方向从而实现阀的开关。

其主要用在仪表风铺设比较困难，被调介质实现两位式控制的场合。

电液阀的工作原理：电液阀由主阀、常开电磁阀、常闭电磁阀组成。

常开电磁阀装在阀的上游管路。

常闭电磁阀装在阀的下游管路。

当电磁阀通电后，上游高压管路介质被挡住，阀套中的介质被排到下游管路。

膜片两端产生压差，主阀打开。

反之，主阀关闭。

在流动过程中，常开线圈通电，压力截聚在阀套中，阀门通过液压锁定在一恒定的流量。

五、特阀特阀是催化反应区的待生塞阀、重油单动滑阀、汽油单动滑阀、半再生单动滑阀、一再双动滑阀、二再双动滑阀的通称。

因为这些调节系统不同与一般的调节阀，其执行机构为风动马达或气缸需要动力风来带动，调节距离大。

与普通调节阀相比特阀有以下特点：1、安装在催化反应区的重要位置，其运行的精度及可靠程度直接关系着工艺的生产和安全。

2、仪表设备复杂繁多，要求精度高。

3、安装、调试过程复杂烦琐。

4、没有工艺副线，维修维护时间短。

5、维修时需协同工艺、机修不同工种人员进行。

第二节选型与设计一、调节阀：1.调节阀口径的确定：1)调节阀口径的确定，应符合下列规定：A.根据工艺正常流量计算的流量系数C计值，经适当放大，圆整为C选，使其符合制造厂提供的流量系数系列，由此确定调节阀口径。

B.对于S≥0.3的一般工况，可采用下列方法估算调节阀流量系数放大倍数：C选／C计≥m式中：m-----流量系数放大倍数（线性调节阀取1.63，等百分比调节阀取1.97）C.圆整后的C选值应保证调节阀的相对行程处于表1规定的范围。

2.调节阀固有流量特性的选择：1）调节阀的固有流量特性，应根据被调参数、干扰源和S值进行综合选择，亦可按表2进行选择。

2）对于两位动作或需要迅速获得调节阀的最大流通能力的场合，宜用快开特性调节阀。

注：ΔＰn－正常流量下的调节阀两端压差；ΔＰqunl－调节阀关闭时的两端压差。

3.调节阀阀型的选择：1）调节阀阀型，应根据工艺条件、流体特性、调节系统要求及调节阀管道连接形式综合确定。

一般情况下，可选用单座、双座、套筒、偏芯旋转型调节阀，且符合下列规定：A.直通单座阀，宜用于要求泄漏量小、阀前后压差较小的场合；小口径直通单座阀，也可用于较大差压的场合，但不适用于高粘度或含悬浮颗粒流体的场合。

B.直通双座调节阀，宜用于泄漏量要求不严、阀前后压差较大的场合，但不适用于高粘度和含悬浮颗粒流体的场合。

C.角形调节阀，宜用于高压差、高粘度、含有悬浮颗粒流体（必要时可接冲洗液管）及汽-液混相或易闪蒸的场合。

D.高压角型调节阀，宜用于高静压或高压差的场合，但一定要合理选择阀内件的材质及型式。

E.套筒式调节阀，宜用于阀前后压差较大、介质不含固体颗粒的场合。

F.球型调节阀，宜用于高粘度、含有纤维或固体颗粒的介质，以及调节系统要求可调范围宽、严密封的场合：a.“O”型球调节阀，宜用于两位式切断的场合，其流量特性为快开特性；b．“V”型球调节阀，宜用于连续调节系统，其流量特性接近于等百分比特性。

G.三通调节阀，适用于工艺介质温度低于300℃、需要分流或合流的场合（如热交换器的旁路调节以及简单的配比调节）。

合流三通调节阀两流体的温差不得大于150℃。

H.偏芯旋转调节阀，适用于高粘度、高压差、流通能力大，以及调节系统要求严密封、可调范围宽（100：1）的场合。

I.蝶形调节阀，适用于含有悬浮颗粒物和混浊浆状的流体，以及大口径、大流量和低压差的场合。

J.隔膜调节阀，适用于强腐蚀性、高粘度、含悬浮颗粒或纤维的介质，以及流量特性要求不严的场合。

但工作温度应低于150℃，工作压力应低于1MPa。

K.阀体分离式调节阀，适用于高粘度、含固体颗粒或纤维的液体，以及强酸、强碱、强腐蚀性的介质。

L.波纹管密封调节阀，适用于剧毒、易挥发的介质以及真空系统。

M.低噪声调节阀，适用于流体产生闪蒸、空化，气体在阀缩流面处流速为超音速，而使用一般调节阀噪声难以控制在95分贝以下的场合。

N.自力式调节阀，适用于无仪表气源和流量变化小、调节精度要求不高的场合。

O.特殊工艺生产过程，应根据流体特性、使用经验选择特殊调节阀（如柱塞阀、插板阀等）。

4.上阀盖型式的选择：1）操作温度为-20～200℃时，应选用普通型阀盖。

2）操作温度低于-20℃时，应选用长颈型阀盖。

3）操作温度高于200℃时，应选用散热型阀盖。

4）对于剧毒、易挥发、不允许外泄漏的工艺流体，应选用波纹管密封型阀盖。

5.阀材料的选择：1）阀体材质，应根据工艺介质的温度、压力、腐蚀性等因素确定，且应符合下列要求：A.阀体的额定压力、工作温度、耐腐蚀性能和材质，不应低于对工艺配管材质的要求；B.阀体材质，一般情况下可选用铸钢或锻钢。

当工艺介质有特殊要求时，可选用不锈锻钢、不锈铸钢或其他特殊材质（如蒙乃尔合金、钛、钽、哈氏合金等）；C.可参照阀体材质选择表，进行合理选择。

2）阀内件材料的选择，应符合下列规定：A.阀内件材料，宜选用不锈钢；B.对于腐蚀性流体，应根据流体的种类、浓度、温度和压力合理选择耐腐蚀材料；C.在闪蒸、空化或严重冲刷的场合以及高温、高压差场合，应在阀内件表面堆焊硬质合金等耐磨材料。

3）填料函结构和填料，应符合下列要求：A.一般情况下，可选用单层填料函结构；对于低温、高温或毒性较大的流体，应选用双层填料函结构；B.一般情况下，宜选用“V”型聚四氟乙烯填料；在高温场合应选用柔性石墨填料。