过程控制-第四章

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气动调节阀 按使用能源分 电动调节阀 液动调节阀 直行程 角行程 P→l→Q I→l(θ)→Q
气动调节阀（广泛应用） 优点：以压缩气体为能源，结构简单、动作可靠稳定、输出力 大、安装维修方便、价格便宜、防火防爆 缺点：响应时间大、信号不适于远传 电动调节阀 优点：动作较快、特别适于远距离的信号传送、能源获取方便 缺点：价格较贵、一般只适用于防爆要求不高的场合
根据流体通过调节阀时对阀芯的作用方向，分为流开阀和流闭阀。 根据流体通过调节阀时对阀芯的作用方向，分为流开阀和流闭阀。 流开阀 流开阀稳定性好，有利于控制，一般情况下多采用流开阀。 流开阀稳定性好，有利于控制，一般情况下多采用流开阀。 阀芯有正装和反装两种形式。阀芯下移时， 阀芯有正装和反装两种形式。阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截 面积减小的称为正装阀；反之为反装阀。 面积减小的称为正装阀；反之为反装阀。
1.
定义
不同单位制下流量系数的定义不同。采用国际单位制时，流 量系数定义为：
在调节阀全开，阀前后压差为100kPa，流体密度为1g / cm3 (5 ~ 40o C的水) 时，每小时通过阀门的流量数（m3）。
例：若调节阀全开时，阀前后压差为400KPa，每小时通过的清水 400 KPa 流量为100m3 ,问阀的流量系数KV 为多少？ Q 100 解：KV = = = 50 ∆P 4 1 ρ
（4-7）
式中，Qmax ——总管最大流量； Q1min ——调节阀最小流量； Q2 ——旁路流量。
>并联管道时的实际可调比
Rr = Qmax Q1min + Q2 （4-7）
令x为调节阀全开时的流量与总管最大流量 之比，即： Q x = 1max Qmax
∵ Q1max = RQ1min ∴ Q1min = Q1max xQmax = （4-8） R R 又Q2 = Qmax − Q1max = Qmax (1 − x)
阀（回顾）
调节机构(阀体部件或阀)，和普通阀门一样，是一个局部阻 力可变的节流元件。通过改变阀芯的行程可以改变控制阀的 阻力系数，达到控制流量的目的。 阀的结构 －阀的结构形式、阀芯形式、流体对阀芯的作用形式和阀芯的安装
形式
节流原理与流量系数
> 阀的结构
1.阀的结构形式
2.阀芯形式
3.流体对阀芯的作用形式和阀芯的安装形式
（当阀门前后压差达到某一临界值时，通过的流量将达到极限，这时 即使进一步增加压差，流量也不会再增加，这种达到极限流量的流动 状态称为阻塞流。）
本讲主要内容
调节阀的可调比
－理想可调比和实际可调比
调节阀的流量特性
－理想流量特性和工作流量特性
一、调节阀的可调比
调节阀的可调比(也称可调范围)就是调节阀所能控制的最大 流量和最小流量之比，用符号R表示。
令s为调节阀全开时阀前后压差与系统总压差之比，即
s= ∆P 1min ∆P （4-5）
则Rr = R s
（4-6）
串联管道可调比特性
结论：在串联管道下，s值越小，即串联管 道的阻力损失越大时，实际可调比越小。
>并联管道时的实际可调比
并联管道相当于调节阀的旁路阀打开一定的开度，如右图所示。
Qmax Rr = Q1min + Q2
> 串联管道时的实际可调比
如右图所示的串联管道，随着流量的增加，管道的阻力损失也增加。若系统 的总压差∆p不变，则分配到调节阀上的压差相应减小，这就使调节阀通过的 最大流量减小，调节阀的实际可调比降低。
Qmax KV max ∆P 1min ρ Rr = = Qmin KV min ∆P 1max ρ ∆P ∆P 1min 1min =R ≈R ∆P ∆P 1max （4-3）
Q/Qmax －相对流量，即调节阀某一开度流量与全开流量之比 l/L－相对开度，即调节阀某一开度阀芯位移l与全开度阀芯位移L之比
由于调节阀开度变化的同时，阀前后的压差也会发生变化， 而压差的变化又将引起流量的变化。为了便于分析，称阀 前后压差不随开度而变化时的流量特性为理想流量特性， 也称固有流量特性，取决于阀芯形状。 称阀前后压差随开度而变化时的流量特性工作流量特性， 取决于阀芯形状和配管状况。
> 理想可调比
K V m ax ∆ P ρ Q m ax K V m ax R= = = Q m in K V m in K V m in ∆ P ρ （ 4 - 2）
理想可调比等于最大流量系数与最小流量系数之比，它 反映了调节阀调节能力的大小。 由于阀芯结构设计和加工的限制，Kvmin不能太小，因此 理想可调比一般均小于50，目前统一设计时取R＝30。
如果调节阀的开度不变，流体的密度不变，则有：
H =ξ ⋅
ω2
2g
ξ－阻力系数，与阀门结构型式、 开度及流体性质有关 ω－流体的平均流速
流体在调节阀里的平均流速为：
Q ω= A
Q－流体体积流量 A－调节阀接管流通截面积，A=π Dg2 / 4，Dg为阀的公称直径。
调节阀的流量公式为：
Q= A 2( p1 − p2 )
Q l = K +C Qmax L
（4-11）
式中，K 为调节阀的放大倍数；C为积分常数。
特性
若不计膜片的弹性刚度及推杆与填料之间的摩擦力，在平衡状态 时，气动薄膜式执行机构的力平衡方程式可表示为： A l = e p1 Cs
式中：p1 －气室内的气体压力，平衡状态时p1等于调节器的输出压力p0 l －推杆位移 Ae －膜片有效面积 Cs－弹簧刚度
平衡状态下，推杆位移l和输入信号p0之间成比例关系。
在动态情况下，执行机构可看成一个阻容环节，薄膜气室内压力 p1和调节器输出压力p0之间的关系为：
p1 1 1 = = p0 RCs + 1 Ts + 1
式中 R－从控制器到执行机构间导管的气阻 C－薄膜气室及引压导管的气容 T－时间常数
Ae p1 Cs 于是，可得调节器输出压力p0与推杆位移l之间的关系为： 又 l=
式中，∆P 、∆P 分别为调节阀全开及 1min 1max 最小流量时的阀前后压差，∆P ≈ ∆P 1max
> 串联管道时的实际可调比
Qmax KV max ∆P 1min ρ Rr = = Qmin KV min ∆P 1max ρ ∆P ∆P 1min 1min =R ≈R ∆P ∆P 1max （4-4）
> 作用方式
气动调节阀有气开、气关两种作用方式
（气开式：压力信号增大时，阀门的开度增加；无压力时阀门全关）
气动调节阀的作用方式通过执行机构和调节机构的正、 反作用的组合实现。 执行机构正、反作用的含义：信号压力增加时，推杆向 下移动的叫正作用。反之，信号压力增大时，推杆向上 移动的为反作用。 调节机构正、反作用的含义：当阀芯向下移动时，阀芯 与阀座之间的流通截面积增大，称为正作用并称之为反 装阀。
气关式
正作用
气开式
正作用
气开式
Байду номын сангаас反作用
气关式
反作用
P入
P入
P入
P入
Q
Q
Q
Q
正装阀
反装阀
正装阀
反装阀
气动执行机构（回顾）
气动执行机构接受电/气转换器 (或电/气阀门定位器) 输 出的气压信号，将其转换成相应的输出力和推杆直线位移 量，以推动调节机构动作。 气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。 薄膜式：气压推动薄膜并带动推杆运动, 结构简单, 动作 可靠，维修方便，价格较低，但输出行程小； 活塞式：气压推动活塞并带动连杆运动，输出推力大，行 程长，但价格较高，只用于特殊需要的场合。 气 气
2.
Kv值的计算 Kv值的计算
根据我国有关规定，调节阀计算采用国际单位制，即使用Kv 。 不可压缩流体Kv值的计算公式为：
KV = 10Q ρ ∆p
m 式中 Q－流过控制阀的体积流量， 3 h ∆p－阀前后压差，kPa
ρ－介质密度，g cm3
流体的种类和性质将影响流量系数的大小，在计算Kv值时 应考虑不同流体的影响因素。 流体的流动状态也会影响流量系数的大小，如要引入与阻 塞流有关的系数。
Qmax R= Qmin （4-1）
应注意最小流量Qmin 与泄漏量的区别： Qmin－调节阀可调流量的最小值，为(2 ~ 4%)Qmax 泄漏量－调节阀全关时泄漏的量，仅为(0.01 ~ 0.1%)Qmax
理想可调比——调节阀前后压差不变时的可调比，取决 于阀芯结构 实际可调比——考虑调节阀前后压差变化因素时的可调 比，取决于阀芯结构和配管状况
过程
被控变量
单回路控制系统方框图
调节阀接受来自调节器的控制信号，去改变控制量的大小， 以将被控变量控制在预期的范围之内 。
> 构成
IEC对调节阀（国外叫做控制阀）的定义，调节阀由执行 机构和阀体部件两部分组成，即 调节阀＝执行机构＋阀体部件 执行机构是调节阀的推动装置，它根据控制信号的大小， 产生相应的输出力F（或输出力矩M）和位移（直线位移l 或角位移θ ），从而带动调节阀的阀芯动作。 阀体部件是调节阀的调节机构，它直接与介质接触，在执 行机构的作用下，阀芯产生一定位移，即开度发生变化， 从而直接调节从阀芯、阀座之间流过的被控介质的流量， 达到调节的目的。
p1 − p2 H= ρg
Q H =ξ ⋅ ω= 2g A
ω2
ξ
ρ
如各参数采用如下单位: A－cm 2
ρ－ g cm3
p1、p2－100kPa Q − m3 h
不可压缩流体情 况下调节阀实际 应用的流量方程
3600 2 ×105 p1 − p∂ A ∆P 3 则Q = × 4 × × = 5.09 （m / h） 3 10 ρ ξ 10 ξ ρ 在调节阀口径一定和流体密度不变以及调节阀两端的压差不变的情 况下，流体的流量仅随阻力系数变化。阀的开度增大，阻力系数减 小，流量增加。 A
> 理想流量特性
主要有直线、等百分比、抛物线及快开四种。
1 − 快开；2 − 直线；3 − 抛物线；3‘ − 修正抛物线；4 − 等百分比
直线流量特性
直线流量特性是指调节阀相对流量与相对位移成直线关系， 直线流量特性是指调节阀相对流量与相对位移成直线关系，即
d ( Q Qmax ) =K d (l L ) （4-10）
调节阀就是通过改变阀芯行程实现开度的变化，即改变阻力系数来 实现流量调节的。
> 流量系数
Q = 5.09 A
ξ
∆p ∆p = KV
ρ
ρ
其中KV = 5.09
A
ξ
Kv称为调节阀的流量系数，大小反映了流过阀的流量，即 流通能力的大小。 流量系数的大小与流体的种类、性质、工况及阀芯阀座的 结构尺寸等许多因素有关。 流量系数是选择调节阀口径的一个重要依据。 （在一定条件下阻力系数是一个常数，因而根据流量系数的值就可确 定阀的公称直径）
Qmax Qmax Rr = = Q1min + Q2 x Qmax + (1 − x)Q max R R = （4-9） R − ( R − 1) x
并联管道可调比特性
二、调节阀的流量特性
所谓流量特性，是指介质流过调节阀的相对流量与阀门的相 对位移（即阀的相对开度）之间的关系，即
Q l = f Qmax L
第四章
调节阀
上讲内容
调节阀的基本概念
－作用、构成、分类与正反作用 作用、构成、
气动执行机构的结构与工作原理
－气动薄膜式执行机构、气动活塞式执行机构 气动薄膜式执行机构、
阀
－结构、节流原理与流量系数 结构、 －阻塞流和压力恢复系数
主要内容回顾
> 作用
给定值 ∆ε 测量值 扰 动
调节器
调节阀 变送器
Ae l K = = p0 (Ts + 1)Cs Ts + 1
式中 K－执行机构的放大系数
气动薄膜式执行机构的动态特性为一阶惯性环节
输入信号
气体压力：0.02~0.1MPa
输出
连杆位移 — 行程，规格有： 10，16，25，40，60，100mm
膜片的有效面积也有200、 280、 400、 630、1000、 、 膜片的有效面积也有 、 、 、 、 1600cm2 6种规格。有效面积越大，执行机构的推力也越 种规格。 种规格 有效面积越大， 产生的位移也越大，可按实际需要加以选择。 大，产生的位移也越大，可按实际需要加以选择。
> 节流原理
流体流过调节阀时，由于阀芯、阀座所造成的流通面积的局 部缩小，形成局部阻力，使流体在该处产生能量损失。对于不可 压缩流体，由流体的能量守恒原理可知，调节阀上的能量损失可 表示为：
H－单位质量流体的能量损失 p1、p2－阀前、阀后压力
p1 − p2 H= ρg
ρ－流体密度，g − 重力加速度