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1、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
2、 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/1/22(P1 P2)/1/2 式中： Q流体的体积流量m/h A调节阀连接管的横截面积cm 流体的密度/cm P1、P2调节阀前后压力100kPa 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 （P1P2）不变时，阻力系数减小，流量Q增大，反之增大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
3、系数而达到调节 流量的目的。由此，可将上述方程式改写为： QC（P/）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540C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4060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
4、 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
5、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/L1)， 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
6、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+(R1/21)l/L2/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
7、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。 在实际生产过程中，调节阀的阀前、后压差总是变化的 ，这时的流量特性称为工作流量特性。在实际使用中，阀门 往往串接在管路系统中，管路内的直管沿程阻力和管件局部 阻力都会随流量的变化而变化。因此，阀两端的压降P在 Qmin时数值最大，而在Qmax时（即阀全开）数值最小，结 果使工作特性与理想特性有差异，称为畸变。在阀全关时， 管路压降极小，阀两端压降接近总压降，流量减小不多，随 着阀门开度的增加管路压降很快上升，而阀两端的压降则很 快下降，所以流量比理想情况减小， 2、调节阀的组成及分类 调节阀又称控制阀，它是过程控制系统中
8、用动力操作去改 变流体流量的装置。调节阀由执行机构和阀组成，执行机构起 推动作用，而阀起调节流量的作用。 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 件的位置或其它调节机构的装置。它按信号压力的大小产生相 应的推力，使推杆产生相应的位移，而带动调节阀芯动作，达 到调节的目的。 气动薄膜执行机构 1）执行机构 它是最常用的机构，其结构简单、动作可靠、维修方便、价 格低廉。气动薄膜执行机构分正作用和反作用两种型式，国 产型号为ZMA（正作用）和ZMB（反作用）。信号压力一般 是20100kPa，膜片使用信号压力不应大于250kPa，气源压 力的最大值为500kPa。 信号压力增加时推杆向下
9、动作的叫正作用执行机构；信 号压力增加时推杆向上动作的叫反作用执行机构。其均由上 、下膜盖、波纹薄膜片、推杆、托盘、支架、压缩弹簧、弹 簧座、调节件、标尺等组成。在正作用执行机构上加一个装 有O形密封圈的填块，只要更换个别零件，即可变为反作用 执行机构。 这种执行机构的输出特性是比例式的，即输出位移与输 入的气压信号成比例关系。当信号压力通入薄膜气室时，在 薄膜上产生一个推力，使推杆移动并压缩弹簧。当弹簧的反 作用力与信号压力在薄膜上产生的推力相平衡时，将推杆稳 定在一个新的位置。信号压力越大，在薄膜上产生的推力就 越大，与它平衡的弹簧反力也越大，即推杆的位移量越大。 推杆的位移就是执行机构的
10、直线输出位移，也称为行程。调 节阀气动薄膜执行机构的弹簧范围有20100kPa、40 200kPa、80240kPa三种。 气动活塞式执行机构 气动活塞式执行机构主要是由气缸、活塞、气缸盖、密 封圈、支架、推杆、调节件、限位螺栓、标尺等组成。它有 带弹簧和不带弹簧两种结构形式。其气缸允许操作压力可达 700kPa，故输出力大，适用于高压差、高静压及紧急切断等 场合。按输出特性它分比例式和两位式两种。所谓比例式是 指输入信号压力与推杆的行程成比例关系，这时它必须带阀 门定位器。两位式是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力 差来完成的。活塞由高压侧推向低压侧，就使推杆由一个极 端位置移到另一个极端位
11、置，故其只控制阀的开关动作（二 位式一般为无弹簧结构）。活塞执行机构的行程一般为10 100mm或090。 轻型气动执行机构 轻型气动执行机构也称为精小型气动执行机构，它是由日 本山武霍尼威尔公司于八十年代中期推出的新产品，配其执行 机构的调节阀也称为Cv300系列调节阀。它的特点是重量轻、 高度小、结构紧凑、装校简单、动作可靠、输出力大、节约能 源等。与传统气动薄膜调节阀相比，高度、重量均减少30%， 流通能力增加30%，可调比扩大到501。 轻型气动多弹簧薄膜执行机构按作用方式分为正作用和反 作用两种方式；按开关方式则分为气开式和气闭式两种。它们 均由波纹膜片、膜盖、压缩弹簧、托盘、推杆、
12、支架、轴套等 主要零件组成。膜片是较深的盆形，采用丁腈橡胶加涤纶织物 制成保证密封，压缩弹簧用多根组合的形式，代替老式结构的 一根大弹簧，弹簧的数量可为4根、6根或8根，为提高机构刚 度，也可把大弹簧套在小弹簧外面，两弹簧工作高度相同，但 弹簧力显著增加。该机构的工作原理与上述薄膜执行机构的相 同，其反作用执行一般采用O形密封圈与推杆、轴套配合，密 封可靠，结构简单，设计上省去压缩弹簧的调节机构，可一次 装配而成，不必调整。推杆与阀杆的连接一般可用开缝螺母， 装卸方便。其缺点是调节行程必须进行拆卸，或在安装膜片室 上盖之前就进行调整。 滚动膜片执行机构 滚动膜片执行机构其结构是由在圆筒形的缸体
13、内有滚动膜 片、活塞、弹簧、密封圈等零件组成。滚动膜片实际上是一个 位移量较大的杯形膜片，压缩弹簧一端在缸底，另一端穿过活 塞杆顶在活塞底部，滚动膜片随压力的变化而位移，使活塞和 推杆一起作往复运动。它兼有薄膜式和活塞式执行机构的优点 ，即有较大行程、且摩擦力小，密封性好。其常与偏心旋转调 节阀配套使用。 长行程执行机构 气动长行程执行机构与活塞式执行机构类似，也是由气 缸、活塞、推杆、缸盖、密封圈、摇臂等组成，具有行程长 （200400mm）、转动力矩大的特点，适用于输出力矩和 输出一个转角的阀门，如蝶阀、风门等。它将20100kPa信 号压力或420mA信号电源转变成相应的转角或位移，但目
14、 前该执行机构在调节阀中已应用较少了。 2）阀 阀是调节阀的调节部分，它直接与介质接触，由执行机 构推杆的位移，改变调节阀内的节流面积，达到调节的作用 。阀是由阀体、上阀盖组件、下阀盖、阀内件等组成。上阀 盖组件包括上阀盖和填料函及填料。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 总称，例如阀芯、阀座、阀杆、导向套、套筒等。 直通单、双座调节阀 上、下阀盖都装有衬套，为阀芯移动起导向作用；由于 上、下都有导向作用，故称为双导向，但对公称直径 DN25mm的调节阀一般无下阀盖，阀芯为单导向。单座阀 特点是泄漏量小、易于保证关闭，但介质对阀芯推力大即不 平衡力大。双
15、座阀的特点是流通能力较单座阀大约2025% ，不平衡力小，允许压差大，但是泄漏量较大。 这两种阀有正装和反装两种类型，当阀芯向下移动时，阀 芯与阀座之间流通面积减小，称之为正装，反之则为反装。双 导向阀芯变正装为反装很方便；单导向阀芯只能正装不能反装 ，故气开式必须采用反作用执行机构。气开式调节阀随信号压 力的增大而流通面积也增大，反之则为气闭式调节阀。 角形阀 角形调节阀阀体为直角形结构，它流路简单，阻力小，适 用于高压差、高粘度，含悬浮物和颗粒状物质流体的调节，可 以避免结焦、堵塞，也便于自净和清洗。其一般使用于底进侧 出的场合，这样可使调节阀有较好的稳定性。 高压调节阀 高压阀是一种适用于高静压和高压差调节的特殊阀门，为 多角形单座结构，最大公称压力可达32MPa。这种阀的阀体多 为锻造结构，填料函与阀体做成一体，阀座与下阀体分开，该 结构简单，内件易配换。但阀芯为单导向结构，只能用正装式 ，因不平衡力大，一般要配用阀门定位器。 套筒调节阀 套筒阀也称笼式阀，它的阀体与一般直通单座阀相似，但 阀内有一个圆柱形套筒，根据流通能力的大小要求，套筒开有 四个、两个或一个的窗口，窗口形状由何种流量特性来取决。 阀芯利用套筒导向在其中上下移动，来改变窗口的节流面积， 形成各
