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1、阀门控制及故障保护方案,电仪部 朱先德,控制阀在过程控制系统的重要作用,控制阀(controlvalve)用于调节操纵变量的流量，因此，亦称调节阀。从控制系统整体看，一个控制系统控制得好不好，都要通过控制阀来实现。由于下列原因，控制阀变得十分重要。 控制阀是节流装置，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，控制阀需要不断改变节流件的流通面积，使操纵变量变化，以适应负荷变化或操作条件的改变。因此，对控制阀阀组件的密封、耐压、腐蚀等提出更高要求。例如，密封会使控制阀摩擦力增加，控制阀死区加大，造成控制系统控制品质变差等。 控制阀的活动部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要
2、原因，它不仅造成资源或物料的浪费，也污染环境，引发事故。,控制阀在过程控制系统的重要作用,控制阀的阀内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： 控制阀阀组件的接触介质可能与检测元件的接触介质不同，对控制阀的耐腐蚀性、强度、刚度、材料等有更高要求。 检测元件可采用隔离液等方法与过程介质隔离，但控制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。,控制阀在过程控制系统的重要作用,控制阀的节流使能量在阀内件内部被消耗，因此，降低能耗，降低控制阀的压力损失，和保证较好的控制品质之间要合理选择和兼顾。 控制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
3、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。控制阀造成的噪声和控制阀流路的设计、操作压力、被控介质特性等有关，因此，降低噪声，降低压力损失等对控制阀提出更高要求。 控制阀的适应性强。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控制阀具有各种不同的功能，控制阀应能够适应不同应用的要求。,控制阀的构成,调节阀的组成：调节阀是由执行机构和阀体部件两部分组成，即：调节阀执行机构+阀体部件 执行机构 执行机构是将控制器输出信号转换为控制阀阀杆直线位移或阀轴角位移的装置。执行机构提供推动力或推动力矩，用于克服不平衡力、阀压紧力和摩擦力等，使位移
4、量与输入信号成比例变化。,控制阀的构成,气动薄膜执行机构 气动薄膜执行机构是最常用的执行机构。气动薄膜执行机构的结构简单，动作可靠，维护方便，成本低廉，得到广泛应用。它分为正作用和反作用两种执行方式。正作用执行机构在输入信号增加时，推杆的位移向外；反作用执行机构在输入信号增加时，推杆的位移向内。,控制阀的构成,气动活塞执行机构 气动活塞执行机构采用活塞作为执行驱动元件，具有推力大、响应速度快的优点。适用于高压差、高静压和要求有大推力的应用场合。与薄膜执行机构类似，活塞执行机构分正作用和反作用两种类型。输入信号增加时，活塞杆外移的类型称为正作用式执行机构；输入信号增加时，活塞杆内缩的类型称为反作
5、用式执行机构。,控制阀的构成,手动执行机构 仅在自动操作存在困难时才操作。例如，自动控制的输入信号故障或执行机构膜头漏气等，有时在工艺生产过程的开、停车阶段，由于控制系统还未切人自动 操作，这时也需要用手动执行机构对控制阀进行操作。手动执行机构的主要用途如下。 与自动执行机构配合，用于自动控制失效时的降级操作，提高控制系统可靠性。 作为控制阀的限位装置，限制阀的开度，防止事故发生。例如，造纸浆料制备过程中有些阀要求正常时有一定开度，用于排放粗渣。 节省控制阀的旁路阀。在不重要的控制系统中，当管路直径较大时，可采用手动执行机构替代旁路阀的功能，降低投资成本，缩小安装空间。 用于开、停车时对过程的
6、手动操作。,控制阀的构成,手动执行机构由手轮、传动装置和连接装置等组成。按安装位置可分为顶装式和侧装式两类。 顶装式手动执行机构的手轮安装在自动执行机构的顶部，通过螺杆传动装置，与自动执行机构的推杆(或膜头板)连接。正常运行时，手轮退出，用紧固螺母锁定，可作为阀位最高位的限制装置。当需手动操作时，松开紧固螺母，转动手轮，使之与自动执行机构的推杆连接，从而可移动推杆，改变阀门开度。正作用和反作用的自动执行机构与手动执行机构的连接方式相同，但正作用执行机构需要考虑手动执行机构传动杆的密封。 侧装式手动执行机构的手轮安装在自动执行机构的侧面，可采用蜗轮蜗杆传动方式，也可采用杠杆传动方式。,手动执行机
7、构的选（使）用,选用顶装或侧装式手轮执行机构时，应从方便操作考虑。当控制阀安装位置较低，或阀侧没有空间时，可选用顶装式手轮执行机构，其他场合可选用侧装式手轮执行机构。为防止手轮被误操作而转动，可设置安全锁紧装置，例如，销轴固定手轮进行限位，或用小锁紧轮顶紧手轮轴等。 为提供阀门位置的信息，手轮执行机构设置了刻度显示装置，用于提供阀门位置的显示等信息。 为方便进行手动操作和自动操作的切换，通常设置离合和切换装置。当手动位置时，手轮与自动执行机构的阀杆连接；当自动位置时，手轮与自动执行机构的阀杆脱钩，不影响自动执行机构的动作。,控制阀的结构,阀体：阀体组件是调节阀的调节部分，它与介质直接接触，在执
8、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。阀体组件是由阀体、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。一般来说，阀是通用的，既可以和气动执行机构匹配，也可以与电动执行机构或其他执行机构匹配使用。,控制阀的结构,阀体的类型（大约有10种分法，仅介绍常用几种） 按结构分类，分为直通单座阀、直通双座阀、三通阀、角形阀、隔膜阀、套筒阀、球阀、偏心旋转阀、闸阀和蝶阀等。 按流量特性分类，分为线性阀、等百分比阀和快开阀等。
9、按阀芯的形式分类，分为直行程和角行程阀芯等。 按上阀盖的形式分类，分为普通型、散热或吸热型、波纹管密封型、长颈型等。 通用分类法 这种分类方法既按原理、作用又按结构划分，是目前国际、国内最常用的分类方法。一般分闸阀、截止阀、节流阀、仪表阀、柱塞阀、隔膜阀、旋塞阀、球阀、蝶阀、止回阀、减压阀安全阀、疏水阀、调节阀、底阀、过滤器、排污阀等。,控制阀的结构,控制阀结构特点 控制阀有各种不同类型，它们的适用场合不同，因此，应根据工艺生产过程的要求合理选择控制阀类型。 控制阀分气开和气关两类。气开控制阀在故障状态时关闭，气关控制阀在故障状态时打开。可采用一些辅助设备组成保位阀或使控制阀自锁，即故障时控制
10、阀保持故障前的阀门开度。 气开和气关的方式可通过正、反作用的执行机构类型和正体、反体阀的组合实现，在使用阀门定位器时，也可通过阀门定位器实现。 阀内件的材料随温度变化，因此，应考虑不同温度下热膨胀造成的影响，也要考虑在高温下耐压等级的变化等，应考虑材料的耐腐蚀性、抗疲劳性等性能。,控制阀应用中存在的问题（1）,控制阀的品种多，规格多，参数多。控制阀为适应不同工业生产过程的控制要求，例如温度、压力、介质特性等，有近千种不同规格、不同类型的产品，使控制阀的选型不方便、安装应用不方便、维护不方便、管理不方便。 控制阀的可靠性差。控制阀在出厂时的特性与运行一段时间后的特性有很大差异，例如，泄漏量增加、
11、噪声增大、阀门复现性变差等，给长期稳定运行带来困难。 控制阀笨重，给控制阀的运输、安装、维护带来不便。通常，控制阀重量比一般的仪表重量要重几倍到上百倍，例如，一台DN200 的控制阀重达700kg，运输、安装和维护都需要动用一些机械设备才能完成，给控制阀的应用带来不便。,控制阀应用中存在的问题（2）,控制阀噪声过大。工业应用中，控制阀噪声已成为工业设备的主要噪声源，因此，降低控制阀噪声成为当前重要的研究课题，并得到各国政府的重视。 控制阀的流量特性与工业过程被控对象特性不匹配，造成控制系统品质变差。控制阀的理想流量特性已在产品出厂时确定，但工业过程被控对象特性各不相同，力口上压降比变化，使控制
12、阀工作流量特性不能与被控对象特性匹配，并使控制系统控制品质变差。 控制阀是耗能设备，在能源越来越紧缺的当前，更应采用节能技术，降低控制阀的能耗，提高能源的利用率。,调节阀过程控制及故障保护方案,控制阀在过程控制系统的重要作用是人所共知的，正常工作时需要系统提供气（电）源、信号源，其气（电）源、信号源的正确提供是控制阀正常工作的最基础的保证。由于控制阀工作的重要性要求，因此，要求过程控制系统要保证气（电）源、信号源能够正确、连续的提供给控制阀。而实际情况是：过程控制系统无法 100毫无差错地保证上述气（电）源、信号源（简称三源）正确、连续的提供，因此，在控制阀上要采取相应的保护措施，即控制阀的三
13、断（断气源、电源、信号源）保护措施,三断保护方案主要有以下几种： 一般情况下采取三断保护措施的控制阀大多需要有位置反馈装置，输出反馈信号，配有手轮机构，实现故障时的手动操作。根据三断保护的不同要求，列举不同的保护方案，并对不同的保护方案进行分析；三断保护方案主要有以下几种：智能电-气阀门定位器方案（控制阀配用智能电-气阀门定位器） 模拟电气阀门定位器方案（控制阀配用模拟电气阀门定位器）电-气转换器气动阀门定位器方案（控制阀配用电气转换器气动阀门定位器）模拟气动阀门定位器方案（控制阀配用模拟气动阀门定位器）智能电动控制阀方案。,过程控制及故障保护方案,过程控制及故障保护方案 一,智能电气阀门定位
14、器方案 （控制阀配用智能电 气阀门定位器）， 其具体方案见图1,主要由气动控制阀、智能电气阀门定位器、失电（信号）比较器、单电控电磁换向阀、气动保位阀等组成。其工作原理如下： 1、断气源：当控制系统气源故障（失气）时，气动保位阀自动关闭将定位器的输出信号压力锁定在气动控制阀的膜室内，输出信号压力与控制阀弹簧产生的反力相平衡，气动控制阀的阀位保持在故障位置。该保位阀应设定在略低于气源的最小值时启动。 2、断电源：当控制系统电源故障（失电）时，失电（信号）比较器控制单电控电磁换向阀的输出电压消失，单电控电磁换向阀失电，单电控电磁换向阀内的滑阀在复位弹簧的作用下滑动，电磁阀换向，将气动保位阀的膜室压
15、力排空，气动保位阀关闭，将定位器的输出信号压力锁定在气动控制阀的膜室内，输出信号压力与控制阀弹簧产生的反力相平衡，气动控制阀的阀位保持在故障位置。,过程控制及故障保护方案一,3、断信号：当控制系统信号故障（失信号）时，失电（信号）比较器检测到后，断掉单电控电磁换向阀的电压信号，单电控电磁换向阀失电，单电控电磁换向阀内的滑阀在复位弹簧的作用下滑动，电磁阀换向，将气动保位阀的膜室压力排空，气动保位阀关闭，将定位器的输出信号压力锁定在气动控制阀的膜室内，输出信号压力与控制阀弹簧产生的反力相平衡，气动控制阀的阀位保持在故障位置。位置反馈信号由智能电气阀门定位器给出，无需配用阀位信号返回器。一般情况下，
16、智能电气阀门定位器本身自带或附加位置反馈模块即可实现位置反馈。 本方案的优点：所用附件相对较少（无需阀位信号返回器），占用空间较小。安装、调试比较方便、简单、快捷。“三断”保护启动时，系统反应较快，动作迅速；缺点：电磁阀长期带电，影响使用寿命。整体造价较高，对所配用的附件可靠性要求较高。,过程控制及故障保护方案一,过程控制及故障保护方案二,模拟电气阀门定位器方案 （控制阀配用模拟电 气阀门定位器）， 其具体方案见图2,过程控制及故障保护方案二,主要由气动控制阀、模拟电气阀门定位器、失电（信号）比较器、单电控电磁换向阀、气动保位阀、阀位信号返回器等组成。其工作原理与智能电气阀门定位器方案相同。位置反馈信号由阀位信号返回器给出。 本方案的优点：“三断”保护启动时，系统反应较快，动作迅速。整体造价比方案（一）低。 本方案的缺点：电磁阀长期带电，影响使用寿命。配用附件较多，安装、调试比方案（一）复杂一些，阀位反馈需另配阀位信号返回器，在配用手轮的情况下，比较复杂。,电气转换器气动 阀门定位器方案（控 制阀配用电-
