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1第一章概述1.1调节阀在工业生产过程控制中的作用工业生产过程的控制系统有各种不同类型，它们都由若干个简单的控制系统组成。每个简单控制系统又由检测元件和变送器、控制器、执行器和被控对象组成。检测元件和变送器（sensorandtransmitter）用于检测被控变量，将检测信号转换为标准信号。控制器（controller）将检测变送环节输出的标准信号与设定值进行比较，获得偏差信号，按一定控制规律对偏差信号（errorsignal）进行运算，运算输出送执行器。控制器可用模拟仪表实现，也可用微处理器组成的数字控制器实现，例如DCS和FCS中采用的PID控制功能模块等。执行器(actuator。)处于控制环路的最终位置，因此也称为最终元件(finalelement)。执行器用于接收控制器的输出信号，并控制系统中各种流体的变化。在大多数工业生产过程控制的应用中，执行器采用控制阀。控制阀用于调节系统中流体的流量变化，因此又被称为调节阀。在生产过程的负荷变化或操作条件改变时，通过检测元件和变送器的检测和变送，将过程的被控变量送控制器，经控制规律运算后的输出送调节阀，改变过程中相应的流体流量，使被控变量与设定值保持一致。可见，检测元件和变送器的作用类似于人的眼睛，控制器的作用类似于人的大脑，调节阀的作用类似于人的手脚。从控制系统整体看，一个控制系统控制得好不好，都要通过调节阀来实现。由于下列原因，调节阀变得十分重要。①调节阀是节流装置，属于动部件，与检测元件和变送器、控制器比较，在控制过程中，调节阀需要不断改变节流件的流通面积，使系统中流体流量发生变化，以适应负荷变化或操作条件的改变。因此，对调节阀阀组件的密封、耐压、腐蚀等提出更高要求。例如，密封会使调节阀摩擦力增加，调节阀死区加大，造成控制系统控制品质变差等。②调节阀的活动部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏’’的主要原因，它不仅造成资源或物料的浪费，也污染环境，引发事故。③调节阀的阀体组件与过程介质直接接触，和检测元件与过程介质接触的不同之处如下。a调节阀的阀体组件的接触介质可能与检测元件的接触介质不同，对2调节阀的耐腐蚀性、强度、刚度、材料等有更高要求。b检测元件可采用隔离液等方法与过程介质隔离，但调节阀通常与过程介质直接接触，很难采用隔离的方法与过程介质隔离。④调节阀的节流使能量在阀体组件内部被消耗，因此，降低能耗，降低调节阀的压力损失，和保证较好的控制品质之间要合理选择和兼顾。⑤调节阀对流体进行节流的同时也造成噪声。例如，当阀出口压力低于液体的蒸汽压力时，造成闪蒸；当阀下游压力高于液体蒸汽压力时，造成汽蚀。调节阀造成的噪声和调节阀流路的设计、操作压力、被控介质特性等有关，因此，降低噪声，降低压力损失等对调节阀提出更高要求。⑥调节阀的适应性强。它被安装在各种不同的生产过程，生产过程的低温、高温、高压、大流量、微小流量等操作条件需要调节阀具有各种不同的功能，调节阀应能够适应不同应用的要求。⑦检测元件和变送器、控制器等发展快，投入的人力和物力多。相对来看，通常认为调节阀结构简单，因此，对调节阀投入研究和开发的人力和物力相对不足。1.2我国调节阀的现状我国调节阀工业生产的起步较晚。在20世纪60年代开始研制单座阀、双座阀等产品，主要是仿制前苏联的产品。由于机械工业落后，机械加工精度低，因此，产品泄漏量较大，但尚能满足当时工业生产过程的一般控制要求。70年代开始，随着工业生产规模的扩大，工业过程控制要求的提高，一些控制阀产品已不能适应生产过程控制的要求，例如对高压力、高压降、低温、高温和腐蚀等介质的控制要求。为此，一些大型石油化工企业在引进设备的同时，也引进了一些调节阀，例如带平衡阀芯的套筒阀、偏心旋转阀等，为国内的统计局阀制造厂商指明了开发方向。因此，70年代后期，一些制造厂已开始仿制偏心旋转阀等产品。80年代开始，随着我国改革开放政策的贯彻和落实，一些调节阀制造厂引进了国外著名调节阀厂商的技术和产品，使我国调节阀产品的品种和质量得到明显提高。例如，生产出各种类型的套筒阀、偏心旋转阀，并开始研制精小型调节阀。随着大型电站等工业项目的进行，也研制了各种电液执行机构、长行程执行机构等执行机构，以适应大推力和大推力矩、长行程3等控制要求。90年代开始，我国的调节阀工业也在引进和消化国外的先进技术后开始飞速发展，一些合资和外资的调节阀生产厂相继生产有特色的产品，填补了一些特殊工业控制的空白，使我国调节阀工业的水平大大提高，缩短了与国外的差距。随着现场总线技术的应用，在21世纪初，采用现场总线技术的调节阀产品问世，国外一些现场总线的调节阀和相关的产品，例如智能阀门定位器等，开始在国内一些新建工程中应用，国内一些厂商也开始研制有关产品。1.3控制阀的发展方向由于调节阀在实际应用中仍存在着许多问题，如调节阀的品种多，规格多，参数多，使调节阀的选型不方便、安装应用不方便、维护不方便、管理不方便；调节阀的可靠性差；调节阀笨重，给控制阀的运输、安装、维护带来不便；调节阀是耗能设备，在能源越来越紧缺的当前，更应采用节能技术，降低调节阀的能耗，提高能源的利用率。调节阀的发展方向主要为智能化、标准化、精小化、旋转化和安全化。(1)智能化和标准化智能化主要采用智能阀门定位器。智能化表现在下列方面。①调节阀的自诊断，运行状态的远程通信等智能功能，使调节阀的管理方便，故障诊断变得容易。②减少产品类型，简化生产流程。采用智能阀门定位器不仅可方便地改变调节阀的流量特性，也可提高控制系统的控制品质。因此，对调节阀流量特性的要求可简化及标准化。用智能化功能模块实现与被控对象特性的匹配，使调节阀产品的类型和品种大大减少，使调节阀的制造过程得到简化。③数字通信。数字通信将在调节阀中获得广泛应用，以HART通信协议为基础，一些调节阀的阀门定位器将输入信号和阀位信号在同一传输线实现；以现场总线技术为基础，调节阀与阀门定位器、PID控制功能模块结合，使控制功能在现场级实现，使危险分散，使控制更及时、更迅速。④智能阀门定位器具有阀门定位器的所有功能，同时能够改善调节阀的动态和静态特性，提高调节阀的控制精度，因此，智能阀门定位器将在今后一段时间内成为重要的控制阀辅助设备被广泛应用。4控制阀的标准化表现在下列方面。①实现互换性，使同样尺寸和规格的不同厂商生产的调节阀能够互换，使用户不必为选择制造商而花费大量时间。②为了实现互操作性，不同制造商生产的调节阀应能够与其他制造商的产品协同工作，不会发生信号的不匹配或阻抗的不匹配等现象。③标准化的诊断软件和其他辅助软件，使不同制造商的调节阀可进行运行状态的诊断，运行数据的分析等。④标准化的选型程序。调节阀选型仍是自控设计人员十分关心的问题，采用标准化的计算程序，根据工艺所提供数据，能够正确计算所需调节阀的流量系数，确定配管及选用合适的阀体、阀芯及阀内件材质等，使设计过程标准化，提高设计质量。(2)精小化：为降低调节阀的重量，便于运输、安装和维护，调节阀的精小化采用了下列措施。①采用精小型执行机构。②改变流路结构，使控制阀体积缩小，重量减轻。③采用电动执行机构。不仅可减少采用气动执行机构所需的气源装置和辅助设备，也可减少执行机构的重量。(3)旋转化：由于旋转类调节阀有相对体积较小、流路阻力较小、可调比较大、密封性较好、防堵性能较好、流通能力较大等优点，因此，在调节阀新品种中，旋转阀的比重增大。特别是大口径管道中，普遍采用球阀、蝶阀等类型调节阀，从国外近年的产品看，旋转阀应用的比例正逐年增长。(4)安全化：仪表控制系统的安全性已经得到各方面的重视，安全仪表系统(SIS)对调节阀的要求也越来越高，表现在以下几方面。①对调节阀故障信息诊断和处理要求提高，不仅要对调节阀进行故障发生后的被动性维护，而且要进行故障发生前的预防性维护和预见性维护。因此，对组成调节阀的有关组件进行统计和分析，及时提出维护建议等变得更重要。②对用于紧急停车系统或安全联锁系统的调节阀，提出及时、可靠、安全动作的要求。确保这些调节阀能够反应灵敏、准确。③对用于危险场所的调节阀，应简化认证程序。5④与其他现场仪表的安全性类似，对调节阀的安全性，可采用隔爆技术、防火技术、增安技术、本安技术、无火花技术等；对现场总线仪表，还可采用实体概念、本安概念、FISCO概念和非易燃(FINCO)概念等。(5)节能降低能源消耗，提高能源利用率是调节阀的一个发展方向。主要有下列几个发展方向。①采用低压降比的调节阀。使调节阀在整个系统压降中占的比例减少，从而降低能耗，因此，设计低压降比的调节阀是发展方向之一；另一个发展方向是采用低阻抗控制阀，例如采用蝶阀、偏心旋转阀等。②采用自力式调节阀。例如，直接采用阀后介质的压力组成自力式控制系统，用被控介质的能量实现阀后压力控制。③采用电动执行机构的调节阀。气动执行机构在整个调节阀运行过程中都需要有一定的气压，虽然可采用消耗量小的放大器等，但日积月累，耗气量仍是巨大的。采用电动执行机构，在改变调节阀开度时，需要供电，在达到所需开度时就可不再供电，因此，从节能看，电动执行机构比气动执行机构有明显节能优点。④采用压电调节阀。在智能电气阀门定位器中采用压电调节阀，只有当输出信号增加时才耗用气源。⑤采用带平衡结构的阀芯，降低执行机构推力或推力矩，缩小膜头气室，降低能源需要。⑥采用变频调速技术代替调节阀。对高压降比的应用场合，如果能量消耗很大，可采用变频调速技术，采用变频器改变有关运转设备的转速，降低能源消耗。(6)保护环境调节阀对环境的污染主要有调节阀噪声和调节阀的泄漏。①降低调节阀噪声。研制各种降低调节阀噪声的方法，包括从调节阀流路设计到调节阀阀内件的设计，从噪声源的分析到降低噪声的措施等。主要有设计降噪调节阀和降噪调节阀阀内件；合理分配压降，使用外部降噪措施，例如，增加隔离、采用消声器等。②降低调节阀的大气污染。调节阀的大气污染指调节阀的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”，这些泄漏物不仅造成物料或产品的浪费，而6且对大气环境造成污染，有时，还会造成人员的伤亡或设备爆炸等事故。因此，研制调节阀填料结构和填料类型、研制调节阀的密封等将是调节阀今后一个重要的研究课题。计算机科学、控制理论和自动化仪表等高新科学技术的发展推动了调节阀的发展，例如，现场总线调节阀和智能阀门定位器的研制、数字通信在调节阀的实现等。调节阀的发展也推动了其他科学技术的发展，例如，对防腐蚀材料的研究、对削弱和降低噪声的方法的研究、对流体动力学的研究等。随着现场总线技术的发展，调节阀也将开放、智能和更可靠，它将与其他工业自动化仪表和计算机控制装置一起，使工业生产过程控制的功能更完善，控制的精度更高，控制的效果更明显，并为我国现代化建设发挥更重要的作用。7第二章调节阀结构2.1调节阀的组成及分类调节阀是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置。调节阀由阀体组件、执行机构和调节阀附件三大部分组成。执行机构起推动作用，而阀起调节流量的作用。调节阀是执行器的主要类型。执行器是一种直接改变操纵变量的仪表，是一种终端元件，除调节阀外，执行器还包括气动马达、气动机械手、电磁阀、电动调速泵等产品。执行机构是将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置或其他调节机构的装置。信号或驱动力可以为气动、电动、液动或这三者的任意组合。阀是调节阀的调节部分，它与介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而达到调节流量的目的。以压缩空气为动力源的调节阀称为气动调节阀(图2.1a)；以电为动力源的调节阀则为电动调节阀(图2.1b)。这两种是用得最多的调节阀。此外，还有液动调节阀、智能阀、调节阀等。图2.1a图2.1b阀是由阀体、上阀盖组件（下阀盖）、和阀内件组成的。上阀盖组件包括上阀盖和填料函。阀内件是指与流体接触并可拆卸的，起到改变节流面积和截流件导向等作用的零件的总称，例如阀芯、阀座、阀杆、套筒、导向套等，都可以叫阀内件。8调节阀的产品类型很多，结构多种多样，而且还在不断地更新和变化。一般来说，阀是通用的，既可以和气动执行机构匹配，也可以与电动