化工仪表工讲义.ppt

* * 四、化工控制系统中的执行器 先进的现代工业是以生产自动化为标志的，从自动化系统的发展历史和进步来看，技术工具的变革起着极为重要的作用，而执行器在调节系统中是必不可少的，它是组成工业自动化系统的重要环节，被称之为生产过程自动化的“手脚”。 从执行器的驱动能源来分，主要有气动执行器、电动执行器、液动执行器。在化工生产中，考虑安全生产，多数还是使用的是气动执行器，而气动执行器指的就是气动调节阀，下面主要介绍气动调节阀的知识。 1、调节阀的理论基础 1）调节阀的节流原理和流量系数 调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。当流体流过调节阀时，由于阀芯、阀座所造成的流通面积的局部缩小，形成局部阻力，与孔板类似，它使流体的压力和速度产生变化。 流体流过调节阀时产生能量损失，通常用阀前后的压差来表示阻力损失的大小。如果调节阀前后的管道直径一致，流速相同，根据流体的能量守恒原理，可得调节阀的流量方程式为： Q=A/ξ1/2[2(P1- P2)/ρ]1/2 式中： Q—流体的体积流量m3/h A－调节阀连接管的横截面积cm2 ρ—流体的密度ɡ/cm3　　　　 　P1、P2—调节阀前后压力100kPa ξ—调节阀的阻力系数 可见，当调节阀口径一定即A一定，并且调节阀两端压差（P1-P2）不变时，阻力系数ξ减小，流量Q增大，反之ξ增大Q减小。故调节阀的工作原理就是按照信号的大小，通过改变阀芯行程来改变流通截面积，从而改变阻力系数而达到调节流量的目的。由此，可将上述方程式改写为： Q＝C（ΔP/ρ）1/2 C称为流量系数，它与阀芯和阀座的结构，阀前后的压差、流体性质等因素有关。 我国过去用C表示流量系数，现在采用国际单位制时，流量系数用Kv表示，Kv的定义为：温度为5～40oC的水在105Pa压降下，1小时内流过阀立方米数。例如：一个Kv值为32的调节阀则表示当阀全开，阀前后压差为100kPa时，5～40℃的水每小时能通过的流量为32m3。采用英寸制单位的国家用Cv表示流量系数，定义为：用40～60℉的水，保持阀两端压差为1psi，阀门全开状态下每分钟流过的水的美加仑数。Kv和Cv的换算如下： Cv=1.167Kv 2）流量特性 调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对位移(阀门的相对开度)间的关系，数学表达式为Q/Qmax=f(l/L),Q/Qmax为相对流量，l/L为相对位移。一般来说，改变调节阀的阀芯与阀之间的流通截面积，便可控制流量，但实际由于多种因素影响，如在节流面积变化时，阀前后压差也发生变化，而且其又引起流量的变化。为便于分析，先假定阀前后压差不变，再引伸到真实情况研究，前者称为理想流量特性，后者称为工作流量特性。 调节阀的理想特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开等四种。 直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学表达式表示为：Q/Qmax=kl/L+C，k是调节阀放大系数。C是积分常数。直线特性的阀门在开度小时流量相对变化值大，灵敏度高，不易控制，甚至发生振荡，而在大开度时，流量相对变化值小，调节缓慢，不够及时。 等百分比流量特性也称对数流量特性，它是指单位相对位移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。即调节阀的放大系数是变化的，它随相对流量的增大而增大。用数学表达式为：d(Q/Qmax)/d(l/L)=kQ/Qmax,经积分，代入后可得Q/Qmax=R(l/L-1)， R为可调比。从式中可看出相对位移与相对流量成对数关系。对数流量特性在小开度时，调节阀放大系数小，调节平稳缓和；在大开度时，放大系数大，调节灵敏有效。因此，在同一位移时直线阀通过的流量要比对数大。 抛物线特性流量是指单位相对的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根成正比关系，其数学表达式表示为:Q/Qmax=[1+(R1/2-1)l/L]2/R，R为可调比。它介于直线与对数特性之间，弥补了直线特性小开度时调节性能差的缺点，这种特性的阀芯一般是V形窗口，如三通阀、V形球阀等。 快开流量特性在开度较小时就有较大的流量，随开度的增大，流量很快就达到最大；此后再增加开度，流量变化很小，故称快开流量特性，由其特性曲线可知。快开特性的阀芯形式是平板形的，它的有效位移一般为阀座直径的1/4，所以其适用于快速启闭的切断阀或两位调节系统。