化工仪表与自动化第5章执行器

InstrumentationandAutomationInChemicalEngineering5.1概述5.2执行机构5.3调节机构5.4执行器的选择第五章执行器 测量值控制器调节阀被控对象偏差给定值操纵值操纵变量干扰D测量变送器-SvPvDvMvq被控变量y+1.作用：接受来自控制器的控制信号，改变操纵变量流量，使测量值保持在给定值或一定范围内相当于人工控制中执行大脑命令的手的作用。5.1概述2.重要性直接与介质接触，是薄弱环节，和调节质量密切相关。工作在高温、高压、腐蚀、振动等恶劣环境中，需要有足够的功率以影响生产过程。3.种类根据控制参数不同,分为：•调节阀ControlValve（最常见）:通过改变阻力元件的阻力来改变流体流量•风门Damper：通过改变挡板角度改变气体流量•步进电机StepMotor：将电脉冲转化为角位移的执行机构•变频调速器Variable-frequencegovernor：控制动力源的转速来改变流量5.1概述4.结构从结构功能上分：•执行结构（ValveActuator）：是执行器的推动装置，按控制器送来的操纵信号产生相应的直线行程或转角行程•调节机构（ValveBody）：是执行器的调节部分，在执行机构推理作用下，调节机构产生一定的位移或转角，改变管道阻力，实现对流量的控制5.1概述5.1概述5.2执行机构5.2.1分类5.2.2气动薄膜执行机构5.2.3电动执行机构5.3调节机构5.4执行器的选择第五章执行器 1.按其能源形势可分为：（1）气动（pneumatic）—以压缩空气(0.14MPa)为能源。输入信号范围:0.02~0.1MPa•特点：结构简单、动作可靠、平稳、输出推动力大、维修方便、防火防爆，价格便宜。得到广泛应用。•利用电/气转换器(I/PConvertor)4~20mA20~100KPa（3~15PSI）或阀门定位器(Valvepositioner)与电动仪表配用（2）电动（electricmotor）—靠伺服机构带动，接受电信号，易于电动仪表配用，功率大，易燃易爆场合需防爆（3）液动（hydraulic）—以液压为能源、功率大、准确到位；结构复杂、维护要求高，只能在某些特殊场合。如：炼厂催化裂化装置中催化剂的流量控制（待生滑阀、再生滑阀）（4）自力式（self-operated）—利用被调介质能量来动作的。5.2.1分类2.按结构分：•薄膜式(flexiblediaphragm)—常用，可与各种形式的直行程阀配用。结构简单、价格便宜、动作可靠、维修方便。输出作用力小•活塞式(piston)—气缸活塞机构，输出力大、行程长（400mm）。两位式，主要用作大口径、高静压、高压差的直行程阀和蝶阀的推动装置，是一种强力的气动执行机构。•长行程式——行程长、转矩大，多与大转矩的蝶阀、闸阀、风门等角行程阀配用。5.2.1分类5.2.2气动薄膜执行机构1.结构上膜盖、波纹膜片、下膜盖、支架、推杆、压缩弹簧、弹簧支座、调节件、螺母、行程标尺波纹膜片—关键部件•波纹状以保持有效面积基本保持不变，提高执行机构的线性度•膜片有效面积有200，280，400，630，1000和1600cm2•有效面积越大，执行机构的推动力越大5.2.2气动薄膜执行机构1.结构•压缩弹簧刚度全行程范围内保持不变，以提高执行结构的线性度•调节件调整弹簧支座的位置，从而调整压缩弹簧的预紧量，改变信号的起始值•行程标尺指示执行机构的推杆位移行程规格：10，16，25，40，60和100mm六种压缩弹簧弹簧支座推杆2.作用：控制信号（20~100KPa）作用在由上膜盖与波纹膜片组成的气室中，在波纹膜片中上产生向下的推力，克服压缩弹簧的弹力使其产生向下的行程。推杆行程传递给调节机构。3.工作原理：膜片受力分析：•F信信号压力在膜片上产生的推力：Po－薄膜气室内的信号压力Ad－薄膜的有效面积•F0无信号时弹簧的预紧力•F弹弹簧受压后在膜片上产生的反作用力ℓ－推杆位移；Cs－弹簧刚度PF信F0F弹5.2.2气动薄膜执行机构doAPF信sC弹FPF信F0F弹0FFF弹信0FCAPsdos0sdoCFCAP3.工作原理：膜片受力分析：根据力平衡关系：可得：结论：无负载时，线性；有负载时无法达到预定行程5.2.2气动薄膜执行机构4.正反作用：正作用（Direct-Acting）信号由薄膜气室上方通入信号：20～100KPa推杆：0～全行程反作用（Reverse-Acting）信号由薄膜气室下方通入信号：20～100KPa推杆：全行程～05.2.2气动薄膜执行机构POPO5.2.3电动执行机构接收4～20mA操纵信号，通过控制电动机的正、反转产生推杆的直行程或角行程直行程电动执行机构角行程电动执行机构5.1概述5.2执行机构5.3调节机构5.3.1结构5.3.2种类5.3.3调节机构的性能指标5.3.4调节机构的工作性能指标5.4执行器的选择第五章执行器 165.3.1结构主要部件：阀杆、压板、填料、上阀盖、阀体、阀芯、阀座、下阀盖•上阀盖(Bonnet)—导向、密封•填料(Packing)—防止流体沿阀杆向上泄露针对不同流体分为：•普通型•散热型（高温）•长颈型（深冷）•波纹管密封型（有毒气体）5.3.2种类按阀芯动作不同分为：直行程和角行程•直行程（Sliding-stem）：阀杆带动阀芯沿直线运动直通单座阀、直通双座阀、角型阀、套筒阀、隔膜阀、三通阀等•角行程两大类：阀芯按转角运动蝶阀、球阀、偏心旋转阀等闸阀(Gatevalve)隔膜阀阀（Diaphramvalve)蝶阀（ButterflyValve）球阀（BallValve）1.直通单座阀(Singleportedglobevalve)•直通：出入口在同一条直线上（相对角型和三通调节阀）•结构：阀体内只有一组阀芯和阀座，流通能力小•特点：易关闭，泄漏量（阀芯压紧阀座后仍能流过的流量）很小，不平衡力大（流体对阀芯产生的轴向力，即对执行机构的反作用）。•适用：低压差，小口径场合单座阀5.3.2种类18全关（fullclosed）半开（halfopen）全开（halfopen）1.直行程式（1）直通单座阀——阀芯安装•阀芯正装：阀芯向下移动时，阀芯与阀座间的流通面积减少；•阀芯反装：阀芯向下移动时，阀芯与阀座间的流通面积增大。5.3.2种类注：管道口径小于25mm时阀芯只能正装不能反装2.直通双座阀Double-portedglobevalve•结构：体内只有两套阀芯和阀座，流通能力比同口径的单座阀大•特点：不平衡力小——流体从两个环形间隙流过，对上、下两个阀芯所产生的轴向力可以部分抵消泄漏量较大——两个阀芯不易同时关闭•适用：压差大，对泄露量要求不严格的场合。5.3.2种类不适用于高温、低温场合（因材料热膨胀不同引起较严重的泄露）3.角形调节阀anglevalve•结构：除阀体为直角形外，其它和直通单座相似•特点：流道简单，不易堵塞，流通能力同直通双座阀，阀芯只能正装•适用：高粘度、高压、含颗粒的场合，或要求直角配角的地方5.3.2种类注：一般使用于底进侧出，此时稳定性较好；在高压差场合，可采用侧进底出，减轻流体对阀芯的损伤4.三通阀（three-wayglobevalve）结构：由三个出入口与管道相连，可分为合流和分流两种适用：换热器温度控制、简单的配比调节5.3.2种类合流(mixing)分流(diverting)注：合流阀冷热流温差不宜超过150°C235.蝶阀(翻板阀butterflyvalve)•特点：流通能力大（为同口径双座阀的1.5~2倍）；阻力损失小；具有自洁能力；泄漏量大•适用：广泛适用于含有悬浮颗粒、浑浊流体；尤其大口径、大流量、低压差的场合，用于调节液体、气体和蒸汽的流量5.3.2分类Q=Ax2DPr调节阀——流通面积可变的节流元件对不可压缩流体A—调节阀接管面积；ΔP—调节阀前后差压；ξ—调节阀阻力系数；ρ—流体密度。1.流量系数C——调节阀容量的大小定义：在给定开度下，阀前、后的差压为100kPa，流体密度为1000kg/m3时，每小时通过阀门的流体体积m3，称为调节阀在该开度下的流量系数。额定流量系数——开度100%（全开）下的流量系数，反应了阀的流通能力。3m/kg1000kPa1002AC5.3.4调节机构的性能指标10PQC0100QQR2.可调比R——反映调节阀的可调节能力定义：调节阀所能控制的最大流量Qmax与最小流量Qmin之比注：•Qmin是调节阀所能稳定有效控制的最小流量，与完全关闭的泄漏量不同，一般为Qmax的2～4％•泄漏量是指在一定的上、下游压差且执行机构使阀完全关闭(输入信号为105Kpa)。仅为Qmax的0.1～0.01％分为理想可调比和实际可调比（1）理想可调比——阀前后压差不变时的可调比一般国内调节阀R=30，国外R=30~505.3.4调节机构的性能指标26（0S≤1）—管道和阀的阻力配置情况（2）实际可调比Rr—实际串并联管道阀前后压差变化•串联管道总总压降阀管道开度阀上压降阀阻比：PPS100)(%100SRRr一般取S=0.3～0.7进行配管设计阀管总PPP5.3.4调节机构的性能指标RrS301Rr与S的关系曲线27（0X≤1）——旁通阀对流量的影响（2）实际可调比Rr—实际串并联管道阀前后压差变化•并联管道X-11RXRRRr旁路流量↑→X↓→Rr↓5.3.4调节机构的性能指标RrQ2并联管道实际可调比曲线注：实际使用时应尽量避免打开旁通阀28例:已知Qmax=100m3/h，R=30。流体密度为1g/cm3阀全关到全开时，由于串联管道的影响，若不考虑阀的泄漏量的影响，阀两端的压差从100kPa降到60KPa。计算S。并分析串联对可调比的影响解:S=60/100=0.6Qmin=Qmax/R=100/30=3.33m3/hR’=Qmax’/Qmin=23.265.3.3调节机构的性能指标（2）实际可调比Rr主要有四种：1.快开2.直线3.抛物线4.等百分比（对数）5.3.3调节机构的性能指标3.流量特性(1)定义：表示调节阀相对行行程与流过的相对流量之间的关系QQ100=f(lL)Q/Q100—相对流量l/L—相对开度固有特性，由阀芯的形状决定(2)理想流量特性：阀前后流量不变时的流量特性。直线:等比分比：特点：小开度过于灵敏，特点：任何开度下相对灵敏度相同大开度过于迟钝有利于系统稳定，使用最广抛物线：快开：特点：介于直线与等百分比之间（如三通阀）特点：适用于迅速启闭的主要为弥补直线特性在小开度时性能差设计位式或程序控制10011(1)QlRQRL1100lLQRQQQ100=1R1+(R-1)lLéëêùûú2210011(1)QlRQRL5.3.3调节机构的性能指标31例:已知Qmax=100m3/h，R=30。试计算在理想情况下l/L=0.1,0.2,0.8,0.9时的流量Q，并比较直线和等百分比流量特性的控制阀在小开度与大开度时流量变化的情况.解:1.直线Q0.1=13m3/hQ0.2=22.67m3/hQ0.8=80.57m3/hQ0.9=90.33m3/h0.1~0.2Q相对变化量75.4%；0.8~0.912%（小开度时：控制强，振荡大开度，控制弱，不及时）2.等百分比Q0.1=5.68m3/hQ0.2=6.58m3/hQ0.8=50.65mQ0.9=71.17m3/h0.1~0.2Q相对变化量40%；0.8~0.940%（小开度时：变化小,平缓大开度，变化大，灵敏使用最广!）5.3.3调节机构的性能指标（2）理想流量特性:（3）工作流量特性•串联管道调节阀开度↑→阀前、后压差↓→流量特性发生畸变当S1时，S愈小畸变愈严重。与旁路阀并联和X值有关S=0.1S=0.5S=1直线S=0.1S=0.5S=1等百分比5.3.4调节机构的性能指标33结论：（1）串、并联管道均会使