化工自动化及仪表：第五章 执行器

第五章 执行器 主要内容 控制阀结构、类型控制阀结构、类型 气动薄膜控制阀的流量特性气动薄膜控制阀的流量特性 阀门定位器阀门定位器 气动薄膜控制阀的选用气动薄膜控制阀的选用执行器概述 执行器在自动控制系统中的作用就是接受控制器输出的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常进行。执行器由执行机构和调节机构组成。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 现场有时就将执行器称为控制阀执行器分类 按其能源形式可分为气动、电动和液动三大类 液动执行器推力最大，但较笨重，现很少使用 电动执行器的执行机构和调节机构是分开电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构有的两部分，其执行机构有角行程角行程和和直行程直行程两种，都是以两相交流电机为动力的位置两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，伺服机构，作用作用是将输入的直流电流信号是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。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，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。在行程受阻或阀杆被轧住时电机易受损。气动执行器的执行机构和调节机构是统一气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有的整体，其执行机构有薄膜式薄膜式和和活塞式活塞式两两类。类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合，而薄膜式行程较小，只能直接带动场合，而薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。阀杆。化工厂一般均采用薄膜式。（习惯称为气化工厂一般均采用薄膜式。（习惯称为气动调节阀动调节阀)是是用压缩空气为能源，用压缩空气为能源，结构简单结构简单、动作可靠、平稳、输出推动力大、维修、动作可靠、平稳、输出推动力大、维修方便、防火防爆、价格较低、广泛应用于方便、防火防爆、价格较低、广泛应用于化工、炼油生产。化工、炼油生产。气动薄膜控制阀外型和内部结构5.1 执行机构执行机构 5.1.1气动执行机构（薄膜式）气动执行机构（薄膜式）气动薄膜执行机构有正作用和反作用两种形式 信号压力增加时，推杆向下移动，这种结构称为正作用式，ZMA型 信号压力增加时，推杆向上移动，这种结构称为反作用式，ZMB型 信号压力通过波纹膜片的上方（正作用式）或下方（通过波纹膜片的上方（正作用式）或下方（反作用式）进入气室后，在波纹膜片上产生一个作用反作用式）进入气室后，在波纹膜片上产生一个作用力力，使推杆移动并压缩或拉伸弹簧，当弹簧的反作用力与薄膜上的作用力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置。传统型传统型这种执行机构的特性是比例式的，即推杆输出位移（又称行程）与输入气压信号成正比。5.1.2电动执行机构电动执行机构 在防爆要求不高且无合适气源的情况下可以使用电动执行器。电动执行机构由电动机带动减速装置，在电信号的作用下产生直线运动和角度旋转运动。电动执行机构一般可以分为直行程、角行程、多转式三种。直行程：输出各种大小不同的直线位移，通常用来推动单座、双座、三通、套筒等形式的控制阀。角行程：输出角位移，转动角度范围小于360o,通常用来推动蝶阀、球阀、偏心旋转阀等转角式控制阀。多转式：输出各种大小不等的有效圈数，通常用于推动闸阀或由执行电动机带动旋转式的调节机构，如各种泵等。5.2 控制阀控制阀 5.2.1 控制阀结构控制阀结构 调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。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。艺参数的目的。正作用正作用：阀芯向下，阀杆向下，流通面积：阀芯向下，阀杆向下，流通面积减少。减少。反作用反作用：阀芯向上，阀杆向下，流通面积：阀芯向上，阀杆向下，流通面积增大。增大。执行器如气动薄膜控制阀的执行机构和调执行器如气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起来可以实现节机构组合起来可以实现气开和气关式气开和气关式两两种调节。种调节。气开式是输入气压越高时开度越大，而在失气时则全关，故称FC型；气关式是输入气压越高时开度越小，而在失气时则全开，故称FO型。5.2.2 控制阀类型控制阀类型（1）直通单座控制阀直通单座控制阀（2）直通双座控制阀直通双座控制阀（3）角型控制阀角型控制阀（4）隔膜控制阀）隔膜控制阀（5）三通控制阀）三通控制阀（6）套筒型控制阀）套筒型控制阀5.3 气动薄膜控制阀的流量特性气动薄膜控制阀的流量特性 流过阀门的调节介质相对流量与阀杆的相对行程（即阀门的相对开度）之间的关系maxmaxqlfql表示控制阀某一开度的流量与全开时流量表示控制阀某一开度的流量与全开时流量之比，称为之比，称为相对流量。相对流量。表示控制阀某一开度下阀杆行程与全开时表示控制阀某一开度下阀杆行程与全开时阀杆全行程之比，称为阀杆全行程之比，称为相对开度。相对开度。max/q qmax/l l类型：类型：理想特性、工作特性理想特性、工作特性（1）理想特性，即在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。（2）工作特性，是指在工作条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。工作特性不仅取决于阀本身的结构参数，也与配管情况有关。5.3.1 理想流量特性理想流量特性（1）线性流量特性线性流量特性 线性流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即阀杆单位行程变化所引起的流量变化是常数。在开度较小时流量相对变 化值 大，这时灵敏度过高，调节作用过强，容易产生振荡，对控制不利；在开度较大时流量相对变化值小，这时灵敏度又太小，调节缓慢，削弱了调节作用。因此线性控制阀当工作在小开度或大开度情况下，控制性能都较差，不宜用于负荷变化大的场合。（2）对数流量特性（等百分比流量特性）对数流量特性（等百分比流量特性）对数流量特性是指单位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 又因为阀杆位移增加1%，流量在原来基础上约增加3.4%，所以也称为等百分比流量特性。由于对数阀的放大系数Kv随相对开度增加而增加，因此 对数阀有利于自动控制系统。在小开度时控制阀的放大系数小，控制平稳缓和，在大开度时放大系数大，控制灵敏有效。（3）快开流量特性快开流量特性 在开度较小时就有较大流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大，随后再增加开度时流量的变化甚小 主要适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统 3 2 1 q/qmax(%)l/lmax(%)0 3.3 5.3.2 工作流量特性工作流量特性 在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的。这是因为控制阀总是与工艺设备、管道串联或并联使用，控制阀前后压差随管路系统阻力损失变化而发生变化。在这种情况下，控制阀的相对开度与相对流量之间的关系称为工作流量特性工作流量特性。配管系数配管系数S：控制阀全开时，控制阀上压差控制阀全开时，控制阀上压差pv 与系统总与系统总压差压差p之比。之比。pf p Op pv pf p q q pv/VSpp 随着S的减小，即管道阻力的增加，带来两个不利后果：因为系统的总压差不变，管道阻力的增加，意味着控制阀全开时压差减小，全开时的流量也就减小，控制阀的可调范围R变得越来越小；控制阀的流量特性发生很大畸变。在实际使用中，S选得过大或过小都有不妥之处。S选得过大，在流量相同情况下，管路阻力损耗不变，但是阀上压降很大，消耗能量过多；S选得过小，则对调节不利。一般希望S值最小不低于0.3。当S0.6时，可以认为工作特性与理想特性相差无几。5.3.3 动态特性动态特性 气动薄膜控制阀膜头是一个空间，它可以看作为一个气容，从控制器到气动薄膜控制阀膜头间的引压管线有气容和气阻，所以管线和膜头是一个由气阻和气容组成的一阶滞后环节，其时间常数的大小取决于气阻和气容。当信号管线太长或太粗，膜头气室太大时，气阻气容就大，控制阀的时间常数大。这样在控制阀接受控制器的控制信号时，由膜头充气到阀杆走完全行程的过程很长，增加了系统广义对象容量滞后，对控制不利。通常用来减小时间常数的措施有：尽量缩短引压管线的长度。例如在采用电动控制器时，电气转换器应装在气动薄膜控制阀附近。选用合适口径的气动管线。管径过细，使气阻增大；管径过粗，气容增大。加装传输滞后补偿器。如引压管线很长，或膜头很大，可在阀门附近装设继动器，或采用阀门定位器。5.4 控制阀口径的确定控制阀口径的确定 控制阀口径的确定需经过以下步骤：（1）根据生产能力、设备负荷决定出最大流量qvmax。（2）根据所选的流量特性及系统特点选定S值（S=Pv/P），然后求出计算压差（即阀门全开时的压差）。（3）根据流通能力计算公式，求得最大流量时的Cvmax。（4）根据已求得的Cvmax，在所选用的产品型号的标准系列中选取大于Cvmax并最接近的Cv值，从而选取阀门口径。（5）验证控制阀开度和可调比，一般要求最大流量时阀开度不超过90%，最小流量时阀开度不小于10%。验证合格后，根据Cv确定控制阀的公称通径和阀座直径。5.5 阀门定位器阀门定位器 接受控制器的输出信号，然后将该信号成接受控制器的输出信号，然后将该信号成比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后比例地输出到执行机构，当阀杆移动以后，其位移量又通过机械装置负反馈作用于，其位移量又通过机械装置负反馈作用于阀门定位器，它与执行机构组成一个闭环阀门定位器，它与执行机构组成一个闭环系统。系统。采用阀门定位器，可以增加执行机构的输采用阀门定位器，可以增加执行机构的输出功率，改善控制阀的性能。出功率，改善控制阀的性能。电气阀门定位器电气阀门定位器5.5.2 阀门定位器作用阀门定位器作用(1)改善阀的静态特性改善阀的静态特性(2)改善阀的动态特性改善阀的动态特性 改变了阀原来的一阶滞后特性，减小时间常数，使之改变了阀原来的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性。一般地，气压传送管线超过成为比例特性。一般地，气压传送管线超过60m时，应采时，应采用阀门定位器。用阀门定位器。(3)改善阀的流量特性改善阀的流量特性通过改善反馈凸轮的形状通过改善反馈凸轮的形状(4)用于用于分程控制分程控制(5)用于阀门的反向动作用于阀门的反向动作可改变阀的气开、气关特性可改变阀的气开、气关特性5.6 气动薄膜控制阀的选用气动薄膜控制阀的选用 在选择控制阀时要对控制过程认真分析，了解控制系统对控制阀的要求，包括操作性能、可靠性、安全性等方面。如果使用条件要求不高，有数种类型都可以使用，则以考虑成本高低为准则。一般包括控制阀结构形式及材质的选择；气开、气关的选择；控制阀流量特性的选择。5.6.1 控制阀结构形式及材质的选择控制阀结构形式及材质的选择 依据：依据：工艺条件工艺条件 调节介质特性调节介质特性例如：例如：当控制阀前后压差较小，要求泄漏量也较小的场合应选用当控制阀前后压差较小，要求泄漏量也较小的场合应选用直通单座阀；直通单座阀；当控制阀前后压差较大，并且允许有较大泄漏量的场合选当控制阀前后压差较大，并且允许有较大泄漏量的场合选用直通双座阀；用直通双座阀；当介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，为避免粘结堵塞现当介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，为避免粘结堵塞现象，便于清洗应选用角型控制阀。象，便于清洗应选用角型控制阀。5.6.2 流量特性的选择流量特性的选择通常是指如何合理选择线性和对数流量特性。通常是指如何合理选择线性和对数流量特性。选择步骤：选择步骤：(1)根据过程特性，选择阀的工作特性；根据过程特性，选择阀的工作特性；(2)根据配管情况，从所需的工作特性出发，根据配管情况，从所需的工作特性出发，推断理推断理想流量特性。想流量特性。选择原则：使整个广义选择原则：使整个广义对象具有线性特征。对象具有线性特征。控制阀特性的选取要能控制阀特性的选取要能够补偿广义对象特性的够补偿广义对象特性的非线性性。非线性性。输出 输入 过程 控制阀 控制阀气开、气关的选择控制阀气开、气关的选择考虑安全原则考虑安全原则因：供气中断时，应使因：供气中断时，应使给水阀全开，使得锅炉给水阀全开，使得锅炉不致烧干引起爆炸。不致烧干引起爆炸。故：选气关阀。故：选气关阀。蒸汽 汽包 LT LC 给水 省煤器 例：锅炉汽包水位的控制例：锅炉汽包水位的控制气关阀气关阀例例2：加热炉炉温的控制：加热炉炉温的控制因：供气中断时，应使燃料阀全关，停止供因：供气中断时，应使燃料阀全关，停止供应燃料油，不致使加热炉温度过高烧坏炉子。应燃料油，不致使加热炉温度过高烧坏炉子。故：选气开阀。故：选气开阀。TT TC 燃料油 工艺变量 气开阀气开阀5.6.3 气动薄膜控制阀安装使用气动薄膜控制阀安装使用(1)垂直安装在水平管道上。垂直安装在水平管道上。(2)环境温度要求：环境温度要求：-40温度温度60，并远离振动设备及，并远离振动设备及腐蚀严重的地方。腐蚀严重的地方。(3)便于检修维护，如靠近地面或楼板，上方留有足够空便于检修维护，如靠近地面或楼板，上方留有足够空间。间。(4)控制阀箭头方向与流体流动方向一致。控制阀箭头方向与流体流动方向一致。(5)控制阀的公称通径与管道直径不同时，之间要加异径控制阀的公称通径与管道直径不同时，之间要加异径管管(6)应设旁路以便检修时还可正常维持生产。应设旁路以便检修时还可正常维持生产。(7)定期检修。定期检修。5.7 智能控制阀智能控制阀 集常规仪表的监测、控制、执行等作用于集常规仪表的监测、控制、执行等作用于一身，具有智能化的控制、限制、诊断、一身，具有智能化的控制、限制、诊断、保护和通信功能。保护和通信功能。智能体现：智能体现：(1)控制功能控制功能(2)通信功能通信功能(3)诊断功能诊断功能本章小结