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1、,第五章 执行器,本章重点介绍薄膜式气动执行器(气动薄膜调节阀)的特性、选型。,执行器的作用：接受控制器的控制信号，调整操纵变量。在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若选型或使用不当，会给生产过程的自动控制带来困难。,执行器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，很少使用。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。电动执行器安全防爆性能较差，在行程受阻或阀杆被卡住时电机易受损。,气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和
2、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，直接带动阀杆。由于气动执行器有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，本质安全防爆等优点，因此它在化工、炼油生产中获得了广泛的应用。,4.1 气动薄膜调节阀的结构、类型及材质4.1.1 气动薄膜调节阀的结构 气动薄膜调节阀的外型如图4-l所示，其内部简单结构如图4-2所示。它由两部分组成，上部为执行机构(也称膜头)，用来产生推力；下部为调节机构(也称阀体)，用来控制介质的流量。,如图所示：当来自控制器的气压信号增大时，作用在橡胶膜片上的向下推力就增大，通过托板压缩弹簧，使推杆下移，直至与弹簧反作用力相平衡时为止。推杆(亦即阀杆
3、)下移的距离与信号压力成比例。当信号压力增大时，阀杆下移使调节阀关小，反之则开大。当信号压力在20-l00kPa范围内变化时，阀杆作全行程动作，阀门从全开到全关。,P,上盖,薄膜,托板,阀杆,阀座,阀体,阀芯,推杆,平行弹簧,下盖,执行机构 执行机构分正作用和反作用两种形式，如图所示。当信号压力增加时推杆向下移动的叫正作用式；信号压力增加时推杆向上移动的叫反作用式。较大口径的调节阀都采用正作用的执行机构。信号压力通过波纹膜片的上方或下方进入气室后，在波纹膜片上产生一个作用力，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。信号压力越大，推杆的位移量
4、越大。,正作用,(b)反作用,图4-3 执行机构的正反作用,5.1.1.2 调节机构 调节机构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，改变了阀芯与阀座间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，操纵变量(调节介质)的流量也相应改变，从而达到调节工艺变量的目的。图示为最常用的直通双座调节阀，阀杆上端通过螺母与执行机构推杆相连接，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上下移动，流体从左侧进入调节阀，然后经阀芯与阀座之间间隙从右侧流出。阀芯与阀杆间用销钉连接，这种连接形式使阀芯根据需要可以正装（正作用）也可以倒装（反作用。,调节机构,调节机构的正反作用,执行机构和调节机构组合起来可以实现气开式和气关式
5、两种调节阀。有四种组合方式。气开式是输入气压越大时开度越大，而在失气是则全关，称FC型；气关式是输入气压越大时开度越小，而在失气时则全开，称FO型。,调节阀的气开、气关型式,5.1.2 气动薄膜调节阀的类型A 直通单座调节阀 阀体内有一个阀芯和一个阀座。流体从左侧进入经阀芯从右侧流出。由于只有一个阀芯和一个阀座，容易关闭，因此泄漏量小，但在高压差、大口径时，阀芯所受到流体作用的不平衡推力较大。直通单座调节阀适用于压差较小、要求泄漏量较小的场合。,直通单座调节阀,B 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，经过上下阀芯汇合在一起从右侧流出。它与同口径的单座阀相比，流通能力增大20
6、左右，但泄漏量大，不平衡推力小。直通双座调节阀适用于阀两端压差较大、对泄漏量要求不高的场合，但由于流路复杂而不适用于高粘度和带有固体颗粒的液体。,直通双座调节阀,C 其他类型的调节阀(1)角形调节阀 阀体为直角，如图所示。角形阀流向一般都是底进侧出，此时它的稳定性较好；在高压差场合，为了延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向，但容易发生振荡。角形调节阀流路简单，阻力小，不易堵塞，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒物质流体的调节。,角形阀,(2)隔膜调节阀 用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯、阀座组件，由隔膜位移起调节作用。隔膜调节阀耐腐蚀性强，适用于对强酸、强碱等强腐蚀性介质流量的调节。
7、结构简单，流路阻力小，流通能力较同口径的其他阀大，无泄漏量。但由于隔膜和衬里的限制，一般只能在压力低于1MPa，温度低于150的情况下使用。,隔膜调节阀,(3)三通调节阀 有合流阀和分流阀两种，前者是两路流体混合为一路，后者是一路流体分为两路。在阀芯移动时，总的流量不变，两路流量的比例得到了调节。在采用合流阀时，如果两路流体温度相差过大，会造成较大的热应力，因此温差通常不能超过150。,三通调节阀示意图,三通阀应用示例,（）套筒形调节阀结构特点是在单座阀体内装有一个套筒，阀塞能在套筒内移动。当阀塞上下移动时，改变了套筒开孔的流通面积，从而控制调节介质流量。由于阀塞上有均压平衡孔，不平衡推力小，
8、稳定性很高且噪音小。因此适用于高压差、低噪音等场合，但不宜用于高温、高粘度、含颗粒和结晶的介质控制。,套筒形调节阀,5.1.3 气动薄膜调节阀的材质 一般情况下，阀体材料采用铸铁、铸钢或不锈钢。特殊情况下（如腐蚀性介质），各种合金钢及高分子材料等也获得广泛的应用。调节机构中，介质与外界的密封一般用填料函来实现，但在遇到剧毒、易挥发等介质时，可以用波纹管密封。,52 调节阀的静态特性-流量特性 调节阀的静态特性（流量特性）是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆相对行程(即阀门的相对开度)之间的关系。其数学表达式为：q/qmax=f(l/lmax)或写成 Q=f(L)Q=q/qmax表示调节阀某一
9、开度的流量与全开时的流量之比，称为相对流量；L=l/lmax表示调节阀某一开度下阀杆行程与全开时阀杆全行程之比，称为相对开度。,流量特性通常用两种形式来表示：(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数也与配管情况有关。,5.2.1 调节阀的理想流量特性 调节阀的前后压差保持不变时得到的流量特性。阀门制造厂提供的就是这种特性。理想流量特性有线性、对数(等百分比)及快开三种。它们完全取决于阀芯的曲面形状。,阀芯曲面形状,5.2.1.
10、1 线性流量特性 线性流量特性是指调节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。数学表达式为 d(q/qmax)/d(l/lmax)=k 积分得 q/qmax=k l/lmax+C式中，C为积分常数。,线性调节阀的放大系数K是一个常数，不论阀杆在什么位置，只要阀杆作相同的变化，流量的数值也作相同的变化。可见线性调节阀在开度较小时灵敏度显得过高，调节作用过强，容易产生振荡，对控制不利；在开度较大时灵敏度又显得太小，调节缓慢，削弱了调节作用。因此，当线性调节阀在小开度或大开度的情况下工作时，控制性能都较差，不宜用于负荷变化大的场合。,5.2.1.2 对数流量特性(
11、等百分比流量特性)对数流量特性是指单位行程所引起的相对流量变化，与此点的相对流量成正比关系。即调节阀的放大系数K是变化的，它随相对流量的增加而增加。数学表达式：d(q/qmax)/d(l/lmax)=k q/qmax 积分得：ln(q/qmax)=k(l/lmax)+C 上式表明相对行程与相对流量成对数关系，在直角坐标上得到的一条对数曲线。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K随相对开度增加而增加，因此，对数阀有利于自动控制系统。在小开度时调节阀的放大系数小，控制平稳缓和；在大开度时放大系数大，控制灵敏有效。,5.2.1.3 快
12、开流量特性 这种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很小，故称为快开特性。,5.2.2 调节阀的工作流量特性 在实际生产中，调节阀前后压差总是变化的。调节阀前后压差随管路系统阻力损失变化而发生变化。以图示的串联系统为例，系统的总压差p等于管路系统的压差 pf与调节阀压差pv 之和。当系统的总压差p一定时，随着通过管道的流量的增大，串联管道的阻力损失也增大，阻力损失与流速的平方成正比。这样，使调节阀上的压差减小，引起流量特性的变化。,若以S表示调节阀全开时，调节阀上压差pv与系统总压差p之比，即S=pv/p。以qmax 表示理想流量特性
13、情况下(阀上压差为系统总压差，即管道阻力损失为零)调节阀的全开流量，可以得到串联管道时以qmax 作为参比值的工作流量特性，如图所示。,S1时管道阻力损失为零，系统的总压差全部降在调节阀上，工作流量特性和理想流量特性一致。随着S的减小，即管道阻力的增加，带来两个不利后果：一是系统的总压差不变，管道阻力增加，意味着调节阀全开时压差减小，全开时的流量也就减小，调节阀的可调范围R变得越来越小；二是调节阀的流量特性发生很大畸变，理想线性特性渐渐趋近快开特性，理想对数特性渐渐趋近线性特性。,在实际使用中，S选得过大或过小都不妥。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
14、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。,现场使用时调节阀一般都装有旁路阀，即调节阀与旁路阀并联安装。安装旁路阀一是当控制系统失灵时手动控制使用。另外，有时因生产量提高或阀门选得过小，使调节阀流量不能满足工艺要求时，只好打开旁路阀以增加管道流量。打开旁路阀，虽然调节阀本身的流量特性无变化，但系统的可调范围大大下降，泄漏量也很大。,53 调节阀的动态特性及变差531 调节阀的动态特性 调节阀的动态特性是指信号压力与阀杆位移的关系。调节阀膜头可以看作是一个气容，从调节器到调节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
15、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容和气阻。当信号管线太长或太粗，膜头气室太大时，气容、气阻很大，调节阀的时间常数就大。这样在调节阀接受调节器的控制信号时，由膜头充气到阀杆走完全行程的过程很长，增加了系统广义过程容量滞后，对控制不利。,减小时间常数的措施有：（1）尽量缩短引压管线的长度。例如在采用电动调节器时，电/气转换器应装在调节阀附近。（2）选用合适口径的气动管线。通常采用8l紫铜管线。（3）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。,5.3.2 调节阀的变差 调节阀的阀杆是一个移动部件，它与填料之间总有一定摩擦。当阀门的
16、填料函压得过紧或长期末润滑时，干摩擦力很大，膜头上较小的气压变化推不动阀杆。这时会产生正反行程的变差，即在阀杆上升和下降时对应于同样阀杆位置的气压不一样。,5.4 调节阀的选择 选择调节阀时需从三个方面来考虑：1、调节阀结构形式的选择；2、气开、气关的选择；3、调节阀流量特性的选择。,5.4.1 调节阀结构形式的选择 考虑两点：(1)调节介质的工艺条件：温度、压力、流量等；(2)调节介质的特性：粘度、腐蚀性、毒性，是否含悬浮颗粒，是液态还是气态等。当阀前后压差较小，要求泄漏量也小的场合选直通单座阀；当阀前后压差较大，允许有较大泄漏量的场合选直通双座阀；当介质为高粘度，含有悬浮颗粒物时，应选用角
17、形调节阀；当介质为悬浮颗粒物或浓油浆状时，应选用球阀；当在大口径、大流量、低压差的气体场合工作时，选蝶阀；当介质为强酸、强碱、强腐蚀性的流体，或为高粘度及悬浮颗 粒物时，选隔膜调节阀；当介质为高压时，应选用高压调节阀；当介质为低温时，应选用低温调节阀。,5.4.2 调节阀的气开、气关选择 调节阀有气开、气关两种类型。气开、气关的选择主要是从生产安全角度考虑，当调节阀上信号压力中断时，应避免损坏设备和伤害操作人员。如阀门处于全开位置时，危害性较小，则应选用气关式调节阀；反之则选用气开式调节阀。,例如，控制进入加热炉内的燃料油流量，应选用气开式。当调节器发生故障或仪表供气中断时，应立即停止燃料油加
18、入炉内，以避免炉子温度继续上升而烧坏炉管。,又如，控制进入锅炉给水量的调节阀，应选用气关式，一旦气源中断时，阀处于全开状态，给水继续流入锅炉，以保证锅炉不致因烧干而引起爆炸，然而，在用来作为透平蒸汽源的锅炉时，蒸汽大量带水的危险更大，故宜用气开阀。,蒸汽,LT,LC,给水,气关阀,气开阀,加热炉出口温度控制系统,锅炉水位控制系统,5.4.3 调节阀流量特性的选择 调节阀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。步骤：(1)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，推断理想流量特性。原则：使整个广义过程具有线性特性。即在广义过程中，除调节阀外其余 部分为线性时，调节阀也应是线性的。除调节阀外其余部分是非线性特性时，调节阀应该能克服它的非线性影响而 使广义过程接近为线性。,
