化工自動(dòng)控制過程中氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選擇與應(yīng)用 |
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摘要 闡述了在化工自動(dòng)控制過程中氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的地位以及對(duì)一定的控制過程。為了實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的調(diào)節(jié),怎樣從優(yōu)選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性和各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。
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關(guān)鍵詞:自動(dòng)控制過程 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 流量特性 調(diào)節(jié)閥流通能力 |
1 前言 |
在化工生產(chǎn)和自動(dòng)控制領(lǐng)域中,一個(gè)工藝控制過程是否能滿足各項(xiàng)工藝控制指標(biāo),控制過程是否平穩(wěn);超調(diào)量,衰減比,擾動(dòng)是否在規(guī)定的范疇之內(nèi);是否穩(wěn)、快、準(zhǔn),除了工藝設(shè)計(jì)合理,設(shè)備先進(jìn)外,重要的一點(diǎn)就是調(diào)節(jié)閥是否能根據(jù)主體控制意識(shí)而準(zhǔn)確動(dòng)作,使過程主體的控制意識(shí)體現(xiàn)為物料能量和流量**變化,如圖1所示。 |
在眾多的化工自動(dòng)控制過程中,就是因調(diào)節(jié)閥質(zhì)量不過關(guān),流量特性差,滲漏大,動(dòng)作不可靠而使自動(dòng)控制過程失去了高品質(zhì)調(diào)節(jié),或者調(diào)節(jié)品質(zhì)差,有甚者失去了調(diào)節(jié)作用,而給生產(chǎn)帶來了重大的經(jīng)濟(jì)損失,增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。調(diào)節(jié)閥的選擇與應(yīng)用越來越被人們所重視。 |
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圖1 典型過渡過程控制曲線 |
2 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的流量特性 |
2.1 調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比 |
我們用可調(diào)比來衡量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)控制能量,當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩側(cè)的差壓為定值時(shí),調(diào)節(jié)閥所能控制的*大流量qmax 和*小流量qmin之比,或所能控制的*大流通能力Cmax和*小流通能力Cmin 之比,稱為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比R。 |
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2.2 壓降比S對(duì)串聯(lián)、并聯(lián)管路調(diào)節(jié)閥的影響 |
2.2.1 壓降比S |
調(diào)節(jié)閥的壓降比定義為該調(diào)節(jié)閥可控制的*大流量所對(duì)應(yīng)閥門前后的差壓面△Pmin和系統(tǒng)總差壓△P之比; |
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當(dāng)調(diào)節(jié)閥用于串聯(lián)管路時(shí),實(shí)際的可調(diào)比為: ,如圖2 、圖3 所示。 |
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圖2 調(diào)節(jié)閥串聯(lián) |
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圖3 S對(duì)串聯(lián)管路可調(diào)比影響 |
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圖4、圖5為直線閥和等百分比閥在串聯(lián)管路中隨S畸變特性。 |
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圖4 直線閥隨畸變特性 |
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圖5 等百分比特性隨S畸變特性 |
2.2.3 S對(duì)并聯(lián)管路中調(diào)節(jié)閥的影響 |
當(dāng)調(diào)節(jié)閥用于并聯(lián)管路時(shí),該并聯(lián)管路總管流量qt分為兩路:一路是調(diào)節(jié)閥控制流量qc,另一路是旁路流量qb,qt=qc+qb。實(shí)際上,由于旁路流量的分流,調(diào)節(jié)閥的實(shí)際可調(diào)比下降了,旁路閥門開得越大,調(diào)節(jié)閥的控制能力越小。旁路程度恰好說明了這個(gè)問題。旁路程度X為 |
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調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管路中實(shí)際可調(diào)比隨著旁路程度X值的減小而迅速降低,在使用中應(yīng)盡量不開旁路門。如圖6,圖7所示。 |
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國6 調(diào)節(jié)閥并聯(lián)作用 |
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圖7 x對(duì)實(shí)際可調(diào)比的影響旁路程度 |
圖8、圖9為關(guān)聯(lián)管路中直線閥、等百分比閥隨X畸變特性 |
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圖8 X對(duì)直線閥畸變特性 |
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圖9 X對(duì)等百分比閥畸變特性 |
2.3 調(diào)節(jié)間的流量特性 |
2.3.1 調(diào)節(jié)閥的理想流量特性 |
調(diào)節(jié)閥的理想流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥相對(duì)流量與閥門相對(duì)開度之間的關(guān)系。在調(diào)節(jié)閥前后壓差不變的條件下,其流量特性是理想流量特性。常用的調(diào)節(jié)閥的理想流量特性有直線、等百分比、快開特性和拋物線四種特性,如圖10所示。 |
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圖10 四種調(diào)節(jié)閥理想流量特性 |
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其中:q----在某一開度時(shí)刻通過調(diào)節(jié)閥的流量 |
qmax----閥全開時(shí)通過閥門的流量 |
l----閥門某一開度下的行程(mm) |
L----閥門的全行程(mm) |
2.3.2 調(diào)節(jié)閥的工作流量特性 |
在實(shí)際生產(chǎn)中管道系統(tǒng)除了調(diào)節(jié)閥外還有其它的串聯(lián)或并聯(lián)管道。因此,在生產(chǎn)中調(diào)節(jié)閥前后的差壓通常是變化的,在這種情況下相對(duì)流量與相對(duì)開度之間的關(guān)系稱為工作流量特性,如表一所示。 |
表一 調(diào)節(jié)閥特性 |
線性閥 |
等百分比閥 |
拋物線閥 |
1. 在小開度時(shí)流量變化大,而大開度流量變化小。 2. 小負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)性能過于靈敏而產(chǎn)生振蕩,大負(fù)荷時(shí),調(diào)節(jié)遲緩而不及時(shí)。 3. 適用性較小。 |
1. 每改變單位行程引起的流量變化的百分率是相等的。 2. 使用等百分比調(diào)節(jié)閥在全行程范圍內(nèi)工作都比較平穩(wěn),尤其在大開度時(shí),放大倍數(shù)也大,工作更為靈敏有效。 3. 應(yīng)用廣泛,適應(yīng)性強(qiáng)。 |
1. 其特性介于線性和等百分比特性之間,即是一條拋物線,即流量與行程的平方成正比。 2. 調(diào)節(jié)性能較為理想,但閥芯加工制作比較困難。 | |
3 調(diào)節(jié)閥的流通能力 |
所謂調(diào)節(jié)閥的流通能力C是指調(diào)節(jié)閥全開時(shí),單位時(shí)間內(nèi)通過調(diào)節(jié)閥的流體體積和質(zhì)量,它反映了調(diào)節(jié)閥的流量特性c值在一定的條件下可定義為:在調(diào)節(jié)閥前后差壓為100KPa,水的密度為1000kg/m(立方)的條件下,每小時(shí)通過閥門水的立方米數(shù)。部分國產(chǎn)調(diào)節(jié)閥流通能力C值如表二所示。 |
表二 調(diào)節(jié)閥的流通能力C值表 |
公稱直徑Dg(mm) |
閥門直徑dg(mm) |
流通能力(m(立方)/h) |
單座閥 |
雙座閥 |
G3/4'' |
3 |
0.08 |
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4 |
0.12 |
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5 |
0.2 |
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6 |
0.32 |
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7 |
0.5 |
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8 |
0.8 |
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20 |
10 |
1.2 |
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12 |
2 |
|
15 |
3.2 |
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20 |
5 |
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25 |
26 |
8 |
10 |
32 |
32 |
12 |
16 |
40 |
40 |
20 |
25 |
50 |
50 |
32 |
40 |
65 |
66 |
50 |
63 |
80 |
80 |
80 |
100 |
100 |
100 |
120 |
160 |
125 |
125 |
200 |
250 |
150 |
150 |
280 |
400 |
200 |
200 |
450 |
630 |
250 |
252 |
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1000 |
300 |
303 |
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1600 |
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4 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選用 |
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4.1 調(diào)節(jié)閥類型的選擇 |
主要是根據(jù)現(xiàn)場被控工藝介質(zhì)的特點(diǎn)、控制要求、安裝環(huán)境等結(jié)合調(diào)節(jié)閥本身的流量特性和結(jié)構(gòu)而進(jìn)行選用,如表三所示。 |
表三 調(diào)書閥應(yīng)用特性 |
直通單座閥 |
直通雙座閥 |
角形閥 |
蝶閥 |
隔膜閥 |
閥體分離閥 |
三通閥 |
凸輪撓曲閥 |
套筒閥 |
結(jié)構(gòu)簡單,裝配方便,泄漏小,但受流體沖擊不平衡力大。適用于小口徑Dg≤25mm 的場合。 |
受流體沖擊不平衡力影響小,但關(guān)不嚴(yán)滲漏較大,適用于大口徑管道的場合。 |
角形閥的閥體受流體的沖擊小,體內(nèi)不易結(jié)污,對(duì)粘度高、有懸浮物和顆粒物的流體尤為適用,并且調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較好。 |
流阻小,適用于低差壓大流量的氣體及含有固體懸浮物的介質(zhì),通常流量特性與等百分比相似。 |
用于強(qiáng)腐蝕性粘度高帶懸浮物或帶纖維的 介 質(zhì),但不耐高溫和 高 壓。 |
用于強(qiáng)腐 蝕性介質(zhì),但不耐高 壓和高溫。 |
適用于介質(zhì)三個(gè)方向的流 通。分三通合流閥和三通分流閥。對(duì)于三個(gè)系統(tǒng)的分合流控制非常有效。屬新型結(jié)構(gòu)閥。 |
屬新型結(jié)構(gòu)閥,閥體為直通型閥阻小 密封性好,可調(diào)節(jié),通用性強(qiáng),對(duì)于粘度大如泥漿、石灰介質(zhì)的調(diào) 節(jié)非常有效。 |
新型結(jié)構(gòu)閥,不平衡力小,可調(diào)性能好,通用性強(qiáng)、因維護(hù)方便而廣泛用于生 產(chǎn)之中,特別是高溫高粘 度,含顆粒結(jié)構(gòu)的介質(zhì)調(diào)節(jié)。 |
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在選用調(diào)節(jié)閥時(shí)還應(yīng)考慮上閥蓋的形式和所用的填料。當(dāng)使用工作溫度為-20~十250℃時(shí),只需采用普通的結(jié)構(gòu);當(dāng)工作溫度為-60~十450℃應(yīng)采用閥蓋上有多層散熱片的散熱結(jié)構(gòu)。還有波紋管的波紋室封密閥蓋主要用于劇毒、易揮發(fā)、易滲透等重要介質(zhì)的場合。 |
調(diào)節(jié)閥常用的密封填料有聚四氟乙烯和石棉繩填料,雖然前者比后者昂貴但密封效果卻好得多。 |
氣開、氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥的選擇應(yīng)根據(jù)當(dāng)氣源信號(hào)壓力中斷時(shí),調(diào)節(jié)閥處于打開或關(guān)閉的位置對(duì)工藝生產(chǎn)造成危害性大小而定。若閥門處于打開位置時(shí)危害性小則選用氣關(guān)式。動(dòng)作過程:有氣則關(guān)閉,無氣則開啟;若閥門處于關(guān)閉位置時(shí)危害性小則選用氣開式,動(dòng)作為有氣則開,無氣則關(guān) |
4.2 調(diào)節(jié)閥口徑的選擇 |
利用計(jì)算公式及有關(guān)的物質(zhì)性圖表計(jì)算出常用的流通能力C值,如表四所示。 |
表四 調(diào)節(jié)間C值計(jì)算表 |
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調(diào)節(jié)閥口徑的選擇應(yīng)遵循以下原則 |
1.根據(jù)所選擇的C值和流量特性,驗(yàn)證調(diào)節(jié)閥開度是否合適。一般閥的開度為全行程的90%~10%,即驗(yàn)算 |
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其中:Cmax——工藝提出的*大流通能力; Cmin——工藝提出的*小流通能力。 |
流量的比值是否小于所選調(diào)節(jié)閥的實(shí)際可調(diào)范圍,即驗(yàn)算 |
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其中:Qmax,Qmin——*大開度和*小開度的流量; |
△Pmax, △Pmin——*大開度及*小開度時(shí)調(diào)節(jié)閥的壓差值。 |
( 3) 一般情況下,等百分比閥*大流量對(duì)應(yīng)的開度宜在90%,直線閥宜在70%,拋物線閥宜在80%,見表五。 |
表五 調(diào)節(jié)閥相對(duì)開度與相對(duì)流量的關(guān)系 |
特性↓ |
u%→ |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
直線 |
8.16 |
13 |
22.7 |
32.3 |
42 |
51.7 |
61.3 |
71 |
80.6 |
90.4 |
100 |
等百分比 |
3.96 |
4.67 |
6.58 |
9.26 |
13 |
18.3 |
25.6 |
36.2 |
50.8 |
71.2 |
100 |
拋物線 |
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7.3 |
12 |
13 |
26 |
35 |
45 |
62 |
70 |
84 |
100 |
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4.3 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇 |
(1)從調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)分析。 |
考慮原則:適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)閥的特性,以閥的放大系數(shù)的變化來補(bǔ)償調(diào)節(jié)閥對(duì)象放大系數(shù)的變化,使調(diào)節(jié)系統(tǒng)總的放大系數(shù)保持不變的控制效果,如圖11所示。 |
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圖11 調(diào)節(jié)閥特性補(bǔ)償作用 |
(2)從工藝配管情況分析 |
如前所述調(diào)節(jié)閥流量特性與S壓降比有密切的關(guān)系,因此在選擇調(diào)節(jié)閥時(shí),應(yīng)結(jié)合工藝配管情況加以考慮,見表六。 |
表六 調(diào)節(jié)閥工作流量特性配管情況對(duì)照表 |
配管情況 |
S=0.6-0.1 |
S=03.-0.6 |
實(shí)際工作特性 |
直線 |
平方根 |
等百分比 |
直線 |
平方根 |
等百分比 |
選閥的理想特性 |
直線 |
平方根 |
等百分比 |
等百分比 |
直線 |
等百分比 |
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(3)從負(fù)荷變化情況分析 |
直線閥在小開度時(shí)流量變化大,調(diào)節(jié)過于靈敏,容易引起振蕩,因此在S小負(fù)荷變化大的場合不宜使用;等百分比閥的放大系數(shù)隨閥門行程增加而增大,流量相對(duì)變化是恒定不變的,因此它適用于負(fù)荷變化幅度大的場合;快開特性閥一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制的場合。 |