热工过程控制系统-第三章

气开式
反作用
气关式
反作用
40
正作用气开式
41
正作用气关式
42
反作用气开式
43
反作用气关式
44
气开、气关形式选择举例
• 受压容器，采用改变
气体排出量以维持容
PC
器内压力恒定，试问
调节阀应选择气开式
还是气关式？
• 答：气关式。
气体
45
气开、气关形式选择举例
汽包 1）保证锅炉不被烧干
加热室
蒸汽 LC 2）保证蒸汽中不能带液
A
4
Dg2
则
C 4.0 Dg2
在一定条件下， 是一个常数，因此，根据流通能力C值就可以确定Dg
流通能力是反映调节阀口径大小的一个重要参数
58
公称通径
• 为了设计制造维修方便，人为规定的一种 标准，也称公称直径，是管子的规格名称。 公称直径接近于内径又不等于内径。
• 例如规格为D100的无缝钢管有108×5等几 种，108表示外径，5示表壁厚。
100kPa，价格便宜；多用于石油、化工等易燃易 爆场合。 • 电动调节阀：以电为能源，输入信号4～20mA DC， 价格贵；使用范围广，本质安全（本安）型也可 用于易燃易爆场合。 • 液动调节阀：以高压液体为能源的 • 阀体相同、执行机构不同
16
3.1.2 调节阀分类
输入信号 结构 体积 信号管线配置 推力 动作滞后 维修 适用场合 价格
阀杆 阀心
阀体 14
3.1.1 调节阀的组成
• 执行机构：执行机构是指 根据控制器控制信号产生 推力或位移的装置；
• 调节机构：调节机构是根 据执行机构输出信号去改 变能量或物料输送量的装 置，通常指控制阀。
执行机构 调节机构
15
3.1.2 调节阀分类
• 根据使用能源不同 • 气动调节阀：以压缩空气为能源，输入信号20～
• （4）实现分程控制：当采用一个控制器的输出信号分别控制两个气 动执行器工作时，可用两个阀门定位器，使他们分别在某一个区段内 完成全行程动作，从而实现分程控制。
53
3.3 调节阀的流通能力
• 调节阀是一个局部阻力可变的截流元件， 通过改变阀芯的行程可以改变调节阀的阻 力系数，达到控制流量的目的。
18
19
13 12 11
10
pD
pc ....... .......
1
2执
3
行气
动 4 机薄
膜
5
构调 节
6
阀
7
阀 8
9
48
电-气转换器
49
电-气转换器
• 电器转换原理如图所示，是按力平衡原理设计与工作的。 在其内部有一个线圈，当调节器（变送器）的电流信号送 入线圈后，由于内部永久磁铁的作用，使线圈和杠杆产生 位移，带动挡板接近（或远离）喷嘴，引起喷嘴背压增加 （或减少）。此背压作用在内部的气动功率放大器上，放 大后的压力一路作为转换器的输出，另一路馈送到反馈波 纹管。输送到反聩波纹管的压力通过杠杆的力传递作用， 在铁心的另一端产生一个反向的位移，此位移与输入信号 产生电磁力平衡时，输入信号与输入压力成一一对应的比 例关系。即输入信号从4mA改变到20mA时，转换器的输 出压力从20-100kPa变化，实现了将电流信号转换为气压 信号的过程。
第二章 回顾
• 主要内容 • 工业过程五大参数检测 • 温度 • 压力 • 流量 • 物位 • 组分
1
温度检测
2
温度检测
3
压力检测
4
流量检测
5
液位检测
6
第三章 过程执行器
• 主要内容 • 执行器
–电动执行器 –气动执行器
• 调节阀及其流量特性 • 变频器原理及应用
7
本节内容在本课程中的地位
• 4—调节件；
• 5—阀杆；
• 6—压板； • 7—上阀盖； • 8—阀体；
17 阀 门 16
• 9—下阀盖；
定
• 10—阀座； • 11—阀芯；
位 器 15
• 12—填料；
• 13—反馈连杆；
• 14—反馈凸轮；
• 15—气动放大器；
14
• 16—托板；
• 17—波纹管；
• 18—喷嘴；
• 19—挡板
11
薄膜式
活塞式
12
3.1 调节阀（调节机构）结构
调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。 由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间 的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被调介质 的流量也就相应地改变，从而达到调节工艺参数 的目的。
13
3.1 调节阀
• 功能：接受控制器输出的控制信号，转换 成直线位移或角位移，来改变调节阀的流 通截面积。
给水
46
3.2 电动执行机构
开度 给定Ii
If
伺服 放大器
放大单元
手动 操作器 mA
伺服 电动机
减速器
开度
位置 发送器
执行单元
电动执行器将由控制器送来的4-20mA的信号转换为相应 的输出轴角位移或直线位移，分直行程和角行程两类。
47
3.3 气动执行机构
• 1—波纹膜片；
• 2—压缩弹簧；
• 3—推杆；
v qv A
由上面三个公式整理的
qv
A
2
(
p1
p2 )
55
3.3 调节阀的流通能力
• 在工业上，通常采用如下单位： • A为cm2,ρ为kg/m3, p1-p2为kPa,qv为m3/h ，原
公式变为：
qv
A 3600
104
2103 p 16.1 A
p
调节阀就是通过改变阀芯行程来改变阻力系数 达到调节流量的目的。
• 气关式则相反，即信号压力增加时，阀门关小。 没气时，阀门打开
Δp(kp) 100
Δp(kp) 100
20 全关
全开 气关阀
开度
20 全关
全开 气开阀
开度
37
正作用式气动薄膜调节阀
外形
正作用
气关式
38
反作用式气动薄膜调节阀
结构
原理
反作用
O型环
气开式
39
四种组合
正作用
气关式
正作用
气开式
正作用
反作用
26
隔膜调节阀
27
直通双座调节阀
• 阀体内有两个阀芯 和阀座，流体从左 侧进入，通过阀芯 阀座后汇合，从右 侧流出
• 适用于阀两端压差 较大、泄漏量要求 不高的场合
28
直通双座调节阀
29
凸轮挠曲阀
凸轮挠曲阀又称偏心旋转阀，也是一种新型结构的调节 阀。其球面阀芯的中心线与转轴中心偏离，转轴带动阀芯 偏心旋转，使阀芯向前下方进入阀座。
，泄漏量要求严格，低 差压管道场合。
19
直通单座调节阀
20
三通调节阀
• 三通阀可以把一路流 体分成两路，或是把 两路流体合为一路， 它们是在直通单座或 双座调节阀的基础上 发展起来的，可以代 替两个直通阀
21
三通调节阀
22
蝶阀
• 蝶阀又称为翻板阀。 其结构如图。它利 用挡板的旋转改变 流通面积来控制流 量，适用于大口径、 大流量、低压差等 。
– l /L——相对开度，即调节阀某一开度的行程与 全行程之比。
61
理想流量特性
• 调节阀前后压差不变时，得到的流量特性； • 理想流量特性完全取决于阀芯的形状； • 理想流量特性有：
–直线 –等百分比 –抛物线 –快开
62
1 直线流量特性
• 调节阀的相对流量与阀心的相对开度成直线关系，即调节阀相对开度 变化所引起的相对流量变化是常数。
• 执行器用于控制流入或流出被控过程的物料或能 量，从而实现对过程参数的自动控制。
f(t)
r(t) e(t)
u(t)
q(t)
y(t)
控制器
执行器
被控过程
z(t)
测量变送
8
执行器
• 过程控制领域，使用最多的执行器是调节 阀。在一些地方开始采用变频器取代调节 阀，变频器具有明显的节能效果。
• 安装在生产现场，直接与介质接触。通常 在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、 易燃易爆、剧毒等场合下工作；
50
气动阀门定位器
51
气动阀门定位器
• 气动阀门定位器是按力平衡原理设计工作的。如 图上所示当通入波纹管的信号压力增加时，使杠 杆2绕支点转动，档板靠近喷嘴，喷嘴背压经放大 器放大后，送入薄膜执行机构气室，使阀杆向下 移动，并带动反馈杆（摆杆）绕支点转动，连接 在同一轴上的反馈凸轮（偏心凸轮）也跟着作逆 时针方向转动，通过滚轮使杠杆1绕支点转动，并 将反馈弹簧拉伸、弹簧对杠杆2的拉力与信号压力 作用在波纹管上的力达到力矩平衡时仪表达到平 衡状态。此时，一定的信号压力就与一定的阀门 位置相对应。
• 直接影响过程控制系统的控制质量（口径 大小、流量特性、易堵、振荡等）。
9
执行器
• 现场有时就将执行器称为控制阀。 • 分类：液动、电动、气动 • 液动: 推力最大，但较笨重，现很少使用 • 电动：电动执行器的执行机构和调节机构是分开
的两部分，其执行机构有角行程和直行程两种， 都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作 用是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。 安全防爆性能较差，电机动作不够迅速，在行程 受阻或阀杆被轧住时电机易受损。
23
蝶阀
24
高压角形调节阀
• 阀芯头部采用硬质合 金或可淬硬钢渗铬等， 阀座则采用可淬硬钢 渗铬
• 适用于高压差，高粘 度，含有悬浮物和颗 粒状物质流体
25
隔膜调节阀
• 隔膜调节阀采用耐腐 蚀衬里的阀体和耐腐 蚀的隔膜代替阀芯组 件，由隔膜起控制作 用
• 适用于强酸、强碱、 强腐蚀、高粘度流体
气动执行机构 20~100KPa 简单 中 复杂 中 大 简单 适用放火防爆场合 便宜
电动执行机构 4~20mA 复杂 小 简单 小 小 复杂 隔爆型适用防火防爆场合 贵
17
3.1.2 调节阀分类
• 根据结构分
18
直通单座调节阀
阀体内只有一个阀芯和 一个阀座，结构简单， 泄漏量小适用于小口径
Dg 25mm
偏心旋转阀具有体积小，重量轻，使用可靠，维修方 便，通用性强，流体阻力小等优点，适用于粘度较大的场 合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的使用性能。
30
凸轮挠曲阀
31
二位三通电磁阀
32
直接控制式电磁阀
33
电动球阀
34
微小流量调节阀
35
气动薄膜调节阀
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气动薄膜调节阀的气开、气关形式
• 所谓气开式，即当信号压力增加时，阀门开大； 没气时，阀门关闭
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3.3 调节阀的流通能力
• 调节阀流通能力定义：
• 调节阀流通能力C，是指调节阀两端压力差 为100kPa,流体密度为1000kg/m3，调节阀全 开时，每小时流过阀门的流体的体积。
A 10p
10p
qv 5.09
C
C 5.09 A
57
3.3 调节阀的流通能力
• 设108D*g5为）调，节调阀节的阀公的称管通截径面（积如DN100，102*5，
10
• 气动：气动执行器的执行机构和调节机构是统一 的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活 塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合，而 薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。化工厂一 般均采用薄膜式。（习惯称为“气动薄膜控制 阀”)是用压缩空气为能源，结构简单、动作可靠、 平稳、输出推动力大、维修方便、防火防爆、价 格较低、广泛应用于化工、炼油生产。
qv1 200
10 1200 0.81 10 3
769 .3(m3 h )
当压差变为0.2MPa时
qv2 200
10 200 0.81 10 3
314 .3(m3 h )
60
3.4 调节阀的流量特性
• 指介质流过阀门的相对流量与相对开度之
间的关系
qv f l
q v m ax
L
– qv /qvmax——相对流量，即调节阀某一开度的流 量与全开流量之比；
• 该管的内径为98mm.
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3.3 调节阀的流通能力
• 例3.1：某台调节阀的流通能力C=200。当阀前后压差为1.2MPa，流 体密度为0.81g/cm3时，所能通过的最大流量是多少？如果压差变为 0.2MPa，所能通过的最大流量是多少（314.3m3/h）？
• 解：由公式
10 p qv1 C ρ
• 流过调节阀的流量：阀的开度、阀门前后 的压差。
• 为了衡量不同调节阀在某些特定条件下单 位时间内流过流体的体积，引入流通能力 的概念。
54
3.3 调节阀的流通能力
• 根据流体力学知识：不可压缩流体流过截流 元件时的局部阻力损失为：
H v2 / 2g
ξ 其中， 为节流元件的阻力系数。
H p1 p2 g
d qv d
qv max l
L
Kv
• Kv 为调节阀放大系数 • 积分得
qv qv m ax
Kv
l L
c
C 为积分常数
边界条件：l 时0 ， qv ；qv当min qv qvmax
带入边界条件，得
l 时L，
Kv
1
1 R
,c
1百度文库;其中R R
52
阀门定位器功能
• （1）实现准确定位：采用负反馈原理，可以克服阀杆的摩擦和消除 调节阀不平衡力的扰动影响，增加调节阀的稳定性。
• （2）改善调节阀的动态特性：可有效克服气压信号的传输滞后，改 变原来调节阀的一阶滞后特性，使之成为比例环节。
• （3）改变调节阀的流量特性:通过改变阀门定位器中的反馈凸轮的几 何形状，从而改变了反馈量，即修改了调节阀的流量特性，如可使调 节阀的直线流量特性和对数流量特性互换使用。