DCS控制技术执行器选择参考

三、气动执行器的选择气动执行器有多种类型，在实际工作中，应该根据不同的使用场合，合理地进行选择，以充分发挥气动执行器在自动控制系统中的作用。

气动执行器的选择主要包括执行器结构类型的选择、作用方式的选择、流量特性的选择和调节阀口径的确定四个方面。

1．执行器结构形式的选择执行器选择包括执行机构和调节阀选择两部分。

选择执行机构主要考虑以下两个因素。

① 一般标准组合的调节阀所规定的允许压差是否能满足工艺操作时阀上压降的要求。

在大差压的情况下，一般要计算阀芯所受的不平衡力和执行机构的输出力，使其满足：()o t F F F +≥1.1 (6- )式中 F 0——阀座紧压力，一般按阀全关时估算为200N ，即F 0=200πdN ， N 。

② 执行机构的响应速度是否能满足工艺操作的要求。

薄膜执行机构可以满足大多数直行程调节阀的要求，应用最为广泛。

对要求执行机构输出力较大或高压差场合，可选用活塞执行机构。

当采用蝶阀等角行程调节阀时，可选用长行程执行机构。

选择阀门时的依据主要是：① 根据工艺条件，选择合适的调节阀结构形式和材质。

对于材质的主要考虑：介质的腐蚀性；气蚀和冲刷是否严重；介质的温度；工作压力等方面进行。

② 根据工艺对象特点，选择合适的流量特性； ③ 根据工艺操作参数，选择合理的阀门尺寸；调节阀的种类较多，在选择调节阀的类型时，应从被调介质的工艺条件（如温度、压力、流量等）和被调介质的流体特性（如粘度、腐蚀性、是否含悬浮颗粒等）两个方面考虑。

例如角形调节阀可用于介质为高粘度、含悬浮颗粒的场合，能够避免结焦、堵塞；隔膜调节阀适用于强腐蚀性流体的调节等。

总之，应根据各种阀门的特点结合具体的工艺情况进行合理的选择。

2．执行器作用方式的选择气动执行器有气开和气关两种作用方式。

有信号压力时阀开，无信号压力时阀关的为气开式，又称为常闭式执行器；有信号压力时阀关，无信号压力时阀开的为气关式，又称为常开式执行器。

执行器气开、气关的作用方式是由执行机构的作用方式和调节阀的作用方式共同决定的执行机构有正作用和反作用两种作用方式,调节阀的阀芯也有正、反两种安装方式。

因此，两者共有四种不同的组合形式。

当正作用执行机构与正装调节阀组合时，执行器为气关式，如图6- (a)；当正作用式执行机构与反装调节阀组合时，执行器为气开式，如图6- (b)；反作用执行机构与正装调节阀组合成气开式执行器，如图6- (c)；反作用执行机构与反装调节阀组合成气关式执行器，如图6- (d)。

对于双座阀和口径较大的单座阀，推荐使用图6- (a) 、6- (b)两种形式，对口径较小的单座阀和单导向阀芯的高压阀、角形阀以及隔膜、三通等阀，由于调节阀芯只能正装，因此只能采用图6- (a) 、6- (c)两种组合形式，通过改变执行机构的作用方式来实现执行器的气关或气开。

执行器气开和气关的选择，主要根据气压控制信号中断时，应能保证工艺装置处于安全状态的原则进行。

例如，有一燃油锅炉的温度控制系统，若控制信号中断，调节阀应能自动切断燃料油的输送，以避免锅炉因失控使炉温过高而造成事故，显然，此时应选用气开式执行器。

3．调节阀流向选择调节阀对流向的要求一般有三种情况：对流向没有要求，任意安装使用，如球阀、普通蝶阀等；规定了流向，一般不得改变，使用时只能按流向箭头来安装，如三通阀、双座阀、带平衡孔的双密封套筒阀、偏心旋转阀等；需要进行流向选择，这一类阀主要正反反正正反反反图6- 执行器的气开、气关组合方式是单密封类调节阀，如单座阀、角形阀、高压阀、无平衡孔的单密封套筒阀等，需要根据工艺条件，选择某一流向。

当进行流向选择时，流开、流闭状态各有特点。

一般来说，流开型的阀工作比较稳定，但“自洁”性能和密封性能较差，阀芯易受冲击损伤，寿命短；流闭型“自洁”性能和密封性能好，阀芯不易受冲击，阀寿命长，但当d<dN时稳定性差，此时应注意：S最小工作开度应大于20%—30%，选用刚度大的弹簧（推荐选用60—180KPa范围的弹簧），选用等百分比流量特性。

具体选用时，应根据工作条件和主要矛盾来决定。

4．调节阀的流量特性选择调节阀的流量特性直接影响自动控制系统的质量和稳定，因此，正确选择调节阀的流量特性十分重要。

由于快开特性调节阀只用于两位调节或程序控制，所以调节阀流量特性的选择主要是指直线特性和等百分比特性的合理选择。

调节阀流量特性的选择一般分为以下两个步骤。

（1）根据工艺对象的特性，选择合适的调节阀工作流量特性。

在实际工作中，希望包括控制系统在内的广义对象总的放大系数恒定，以利于得到高的控制质量。

控制系统中的变送器、控制器等仪表的放大系数通常是恒定的，而被控对象的放大系数往往是变化的，因此，调节阀工作流量特性的选择目的，就是要求用调节阀的放大系数来补偿对象放大系数的变化，使广义对象的放大系数保持不变。

例如，被控对象的放大系数为常数时，应采用直线流量特性的调节阀；当被控对象的放大系数随扰动的增加而变小时，应选用等百分比流量特性，利用等百分比特性放大系数随开度而增大的特点去补偿被控对象放大系数的下降，使系统总的放大系数保持不变；根据同样的道理，如果被控对象的放大系数随着扰动的增大而上升，则应选用快开特性的调节阀。

（2）根据工艺配管情况，选定调节阀的理想流量特性。

在所需工作特性的基础上，结合管路系统中其他阻力部件决定的S值，来选择理想流量特性。

一般地，当s＞0.6时，调节阀特性受管路中其他阻力的影响较小，理想特性可选得与工作特性一致。

实际工作中，常用直线特性代替快开特性。

当0.3＜s＜0.6时，阀特性已有相当程度的畸变，此时，直线与等百分比工作特性都应选择等百分比理想特性。

当S＜0.3时,应选用低S值的调节阀，否则不适应进行自动控制。

（3）特殊条件下阀特性的选择。

由于直线特性调节阀在小开度时较难控制，因此，当调节阀经常工作在小开度时，应选用等百分比特性。

对于含有固体悬浮物的介质，直线型阀芯形状较瘦，不易磨损，使用寿命长。

当调节阀的使用寿命是主要因素时，应选用直线特性。

如果控制系统很稳定，调节阀的工作区很窄，阀特性对控制质量影响很小，则不论直线或等百分比特性都可选用。

（4）流量特性选择举例① 液位控制 不论干扰是流入量还是流出量，对象的放大系数都是线性的，因此阀的工作特性应选直线特性。

当阀两端压差变化不大时，可选直线理想特性；当阀两端压差随负荷增大而剧烈下降时，应选等百分比理想特性。

② 流量控制： a. 随动系统：此时设定值变化是主要扰动。

当不用开方器时，测量值正比于流量的平方，则对象放大系数随流量的增大而上升，此时工作特性应为快开特性；当采用开方器时，对象放大系数为恒定，则工作特性应为直线型。

此两种情况，都应采用直线型理想特性。

b. 定值系统：此时应考虑扰动主要是调节阀前、后压力的变化，所以工作特性和理想特性均选为等百分比特性。

5．调节阀的流量系数与口径的确定 （1）调节阀的流量系数在确定调节阀的口径之前，应先求出由工艺介质所决定的阀门流量系数C （K V ）。

阀的流量系数是阀的一个重要技术参数。

流量系数表示阀的流通能力。

它与阀芯和阀座结构、阀前后压差、流体的性质等因素有关。

流量系数C 与通过阀的流量之间的关系可表示为：pQA C ∆==ρξ2(6- )式中 A ——阀连接管道横截面积；ζ——阀的阻力系数； Δp ——阀前后的压差； ρ——流体的密度； Q ——流体的体积流量。

我国长期使用符号“C ”来表示调节阀的流量系数，采用的是工程单位制。

C 的定义为：：在调节阀全开，阀两端压差为1kg/cm 2，温度为5—40℃、介质密度为1g ／cm3的水，每小时流经调节阀的流量数(m 3/h)。

注意：C 是一个无量纲数。

例如，一台C 值为160的调节阀表示：当阀全开，阀两端压差为100kPa 时，每小时流过阀门的水量可达160m 3。

采用国际单位制（SI 制）后，流量系数的表示符号为“K V ”， K V 的定义为：在调节阀全开，阀两端压差为100kPa ，温度为5—40℃、介质密度为1g ／cm3的水，每小时流经调节阀的流量数(m 3/h)。

注意：K V 是一个无量纲数。

由“C ”与“K V ”的定义可以得出两者的关系为：K V =1.01C ，两者的差别很小。

所以，在我国采用国际单位制后，仅是符号上作了变化，实质上仍采用原有的C 系列。

① 计算法求取流量系数流量系数的计算方法主要有压缩系数法、平均重度法、膨胀系数法。

前两种方法较早出现，计算简单，误差较大，膨胀系数法计算复杂，但误差较小，已被普遍接受。

在流量系数的计算中，介质的性质不同，流量系数的计算公式也不同，表6-2是用膨胀系数法计算流量系数的公式。

在表中，F L 为压力恢复系数。

在流体流经阀时，阀芯、阀座的节流作用，产生了缩流，流速增大，静压下降；在远离缩流处，随着流通面的增加，流速减小，大部分压力恢复为P 2，仍有部分压力被损失，不能恢复到阀的入口压力P 1。

不同结构的阀，压力恢复的情况不同，阻力越小的阀，恢复能力越强。

为了表征不同阀的压力恢复能力，引入了压力恢复系数F L ，其表达式为：vL p p p p F --=121 (6- )式中 P V ——液体的饱和蒸汽压。

表6-2 流量系数计算公式表（膨胀系数法）在进行流量系数的计算时，还应考虑到流体经过阀时，是否产生了“阻塞流”。

所谓“阻塞流”是指当调节阀两端压差增大到一定程度时，通过阀的流量将达到极限，进一步增加压差，流量也不会再增加，这种极限流量叫做“阻塞流”。

液体产生阻塞流的原因是，当压差增加一定程度时，缩流断面处压力低于该液体所在情况下的饱和蒸汽压PV，部分液体汽化，产生闪蒸现象，即在节流处产生了汽泡群，流量就基本上不随压差的增加面增加。

液体产生阻塞流时的压差称为临界压差ΔPT。

气体产生阻塞流的原因是其可压缩性，当压差增加到一定程度时，流量也不再随着压差的增加面增加。

气体产生阻塞流不仅与压差ΔP有关，还与入口压力P1有关，即与压差比X=ΔP/P1有关，产生阻塞流的压差比称为临界压差比，用符号XT表示。

因此，当流体产生了阻塞后，流量系数的公式应进行修正，可参考有关资料。

② 图表法求取流量系数用计算公式求取介质的流量系数，常遇到数据不全的因难，并且，不同的介质计算公式各不相同，计算比较繁难。

目前，还通行一种利用专用的调节阀计算图表求C 值的方法。

只要有图表在手，就可以方便地求得C 值。

图6- 所示为液体调节阀的计算图表，其它图表可参阅有关资料。

步骤为：首先在压差线上确定与常用流量（质量流量）相对应的压差点；在质量流量线上找到常用流量点；连接两点并延长到C ‘线得交点；再找到密度线上的液体密度点；连接C ’线上的点与密度线上的点并延长到C 线，在C 线上得到的交点，即为求取的计算流量系数C 计。