在自動控制系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)閥是其常用的執(zhí)行器。控制過程是否平穩(wěn)取決于調(diào)節(jié)閥能否準確動作,使過程控制體現(xiàn)為物料能量和流量的精確變化。所以,要根據(jù)不同的需要選擇不同的調(diào)節(jié)閥。選擇恰當?shù)恼{(diào)節(jié)閥是管路設(shè)計的主要問題,也是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運行的關(guān)鍵。
調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成,接受調(diào)節(jié)器或計算機的控制信號,用來改變被控介質(zhì)的流量,使被調(diào)參數(shù)維持在所要求的范圍內(nèi),從而達到過程控制的自動化。
執(zhí)行機構(gòu)按照驅(qū)動形式分為氣動、電動和液動3種。氣動執(zhí)行機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單,動作可靠,性能穩(wěn)定,價格低,維護方便,防火防爆等優(yōu)點,在許多控制系統(tǒng)中獲得了廣泛地應(yīng)用。電動執(zhí)行機構(gòu)雖然不利于防火防爆,但其驅(qū)動電源方便可取,且信號傳輸速度快,便于遠距離傳輸,體積小,動作可靠,維修方便,價格便宜。液動執(zhí)行器的推力最大,調(diào)節(jié)精度高,動作速度快,運行平穩(wěn),但由于設(shè)備體積大,工藝復(fù)雜,所以目前使用不多。
執(zhí)行機構(gòu)不論是何種類型,其輸出力都是用于克服負荷的有效力(主要是指不平衡力和不平衡力矩、摩擦力、密封力及重力等有關(guān)力的作用)。因此,為了使調(diào)節(jié)閥正常工作,配用的執(zhí)行機構(gòu)要能產(chǎn)生足夠的輸出力來克服各種阻力,保證高度密封和閥門的開啟。對執(zhí)行機構(gòu)輸出力確定后。應(yīng)根據(jù)工藝使用環(huán)境要求,選擇相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。例如,對于現(xiàn)場有防爆要求時,應(yīng)選用氣動執(zhí)行機構(gòu),且接線盒為防爆型。如果沒有防爆要求,則氣動或電動執(zhí)行機構(gòu)都可選用,但從節(jié)能方面考慮,應(yīng)盡量選用電動執(zhí)行機構(gòu)。對于要求調(diào)節(jié)精度高,動作速度快和運行平穩(wěn)的工況,應(yīng)選用液動執(zhí)行機構(gòu)。
綜合各類執(zhí)行器的特點,自動控制系統(tǒng)普遍采用電動執(zhí)行機構(gòu)。如結(jié)構(gòu)簡單、體積小的 ZAZ 直行程類及 ZAJ 角行程類,3610L(R) 型電子式及SKD型多轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)等。各類執(zhí)行機構(gòu)盡管在結(jié)構(gòu)上不完全相同,但基本結(jié)構(gòu)都包括放大器、可逆電機、減速裝置、推力機構(gòu)、機械限位組件、彈性聯(lián)軸器和位置反饋等部件(圖 1)。
圖1 電動執(zhí)行機構(gòu)的方框圖
電動執(zhí)行機構(gòu)一般需要與伺服放大器配套,接受調(diào)節(jié)器的信號,該信號經(jīng)過伺服放大器放大后轉(zhuǎn)換為三位繼電信號,控制可逆電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),帶動調(diào)節(jié)機構(gòu),使閥開啟或關(guān)閉。
調(diào)節(jié)閥門是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機構(gòu),它根據(jù)控制信號的要求而改變閥門開度的大小來調(diào)節(jié)流量,是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。調(diào)節(jié)閥門主要由上下閥蓋、閥體、閥瓣、閥座、填料及壓板等部件組成。在自動控制系統(tǒng)中,閥門主要的調(diào)節(jié)介質(zhì)為水和蒸汽等。在壓力比較低,使用情況單一的情況下,常用的調(diào)節(jié)閥有直通調(diào)節(jié)閥、三通調(diào)節(jié)閥和蝶閥等。
直通閥有直通單座閥和雙座閥之分。單座閥結(jié)構(gòu)簡單,價格低廉,關(guān)閉時泄漏量小,但由于閥座前后存在的壓差對閥瓣產(chǎn)生的不平衡力較大,所以適用于低壓差的場合,例如供水管或回水管中。雙座閥有兩個閥瓣閥座,在其關(guān)閉狀態(tài)時,兩個閥瓣的受力可部分抵消,閥瓣所受的不平衡力小,但是由于熱脹冷縮效應(yīng),其同時關(guān)閉性較差,造價也較高,只適用于閥前后壓差較高但密閉要求不高的場合,例如供水或回水之間的壓差旁通閥。
三通閥有三個出入口與管道相連,總進水量較恒定,適用于定水量系統(tǒng)中,并要求有固定的安裝方向,不宜反裝,不適于溫差較大場合。三通調(diào)節(jié)閥有合流閥與分流閥之分。合流閥是將來自兩個入口的流體混合至一個出口。分流閥則是將一個入口的流體分別由兩個口送出。
蝶閥結(jié)構(gòu)較簡單,由閥體、蝶板軸及軸封等部分組成,其行程為 0°~90°。蝶閥有兩位式控制和比例控制 2 種方式。蝶閥的特點是阻力損失小,體積小,質(zhì)量輕,安裝方便,并且開啟閥門和關(guān)閉閥門的允許壓差較大,但其調(diào)節(jié)性能和關(guān)閥密閉性能較差,通常用于壓差較大但調(diào)節(jié)性能要求不高的場所。除用作兩通閥外,還可以用兩個蝶閥組合,完成三通閥的功能。在自動控制系統(tǒng)中,開/關(guān)型電動蝶閥常用于冷水和熱水系統(tǒng)中,作為水路的連通和關(guān)斷控制。
根據(jù)流體力學(xué)可知,調(diào)節(jié)閥是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對不可壓縮流體,調(diào)節(jié)閥的流量可表示為:
式中:Q–調(diào)節(jié)閥某一開度的流量,mm3/s
P1–調(diào)節(jié)閥進口壓力,MPa
P2–調(diào)節(jié)閥出口壓力,MPa
A–節(jié)流截面積,mm2
ξ–調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)
ρ–流體密度,kg/mm3
由式(1)可知,當 A 一定,ΔP=P1-P2 也恒定時,通過閥的流量 Q 隨阻力系數(shù) ξ 變化,即阻力系數(shù) ξ 愈大,流量愈小。而阻力系數(shù) ξ 則與閥的結(jié)構(gòu)和開度有關(guān)。所以調(diào)節(jié)器輸出信號控制閥門的開或關(guān),可改變閥的阻力系數(shù),從而改變被調(diào)介質(zhì)的流量。
調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與調(diào)節(jié)閥的相對開度之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達式為:
式中:Qmax–調(diào)節(jié)閥全開時流量,mm3/s
L—-調(diào)節(jié)閥某一開度的行程,mm
Lmax–調(diào)節(jié)閥全開時行程,mm
調(diào)節(jié)閥的流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指在調(diào)節(jié)閥進出口壓差固定不變情況下的流量特性,有直線、等百分比、拋物線及快開 4 種特性(表1)。
流量特性 | 性質(zhì) | 特點 |
---|---|---|
直線 | 調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度呈直線關(guān)系,即單位相對行程變化引起的相對流量變化是一個常數(shù) | ① 小開度時,流量變化大,而大開度時流量變化小 ② 小負荷時,調(diào)節(jié)性能過于靈敏而產(chǎn)生振蕩,大負荷時調(diào)節(jié)遲緩而不及時 ③ 適應(yīng)能力較差 |
等百分比 | 單位相對行程的變化引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比 | ① 單位行程變化引起流量變化的百分率是相等的 ② 在全行程范圍內(nèi)工作都較平穩(wěn),尤其在大開度時,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 |
拋物線 | 特性介于直線特性和等百分比特性之間,使用上常以等百分比特性代之 | ① 特性介于直線特性與等百分比特性之間 ② 調(diào)節(jié)性能較理想但閥瓣加工較困難 |
快開 | 在閥行程較小時,流量就有比較大的增加,很快達最大 | ① 在小開度時流量已很大,隨著行程的增大,流量很快達到最大 ② 一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制 |
在實際系統(tǒng)中,閥門兩側(cè)的壓力降并不是恒定的,使其發(fā)生變化的原因主要有兩個方面。一方面,由于泵的特性,當系統(tǒng)流量減小時由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加。另一方面,當流量減小時,盤管上的阻力也減小,導(dǎo)致較大的泵壓加于閥門。因此調(diào)節(jié)閥進出口的壓差通常是變化的,在這種情況下,調(diào)節(jié)閥相對流量與相對開度之間的關(guān)系。稱為工作流量特性。具體可分為串聯(lián)管道時的工作流量特性和并聯(lián)管道時的工作流量特性。
(1)串聯(lián)管道時的工作流量特性
調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)時,因調(diào)節(jié)閥開度的變化會引起流量的變化,由流體力學(xué)理論可知,管道的阻力損失與流量成平方關(guān)系。調(diào)節(jié)閥一旦動作,流量則改變,系統(tǒng)阻力也相應(yīng)改變,因此調(diào)節(jié)閥壓降也相應(yīng)變化。串聯(lián)管道時的工作流量特性與壓降分配比有關(guān)。閥上壓降越小,調(diào)節(jié)閥全開流量相應(yīng)減小,使理想的直線特性畸變?yōu)榭扉_特性,理想的等百分比特性畸變?yōu)橹本€特性。在實際使用中,當調(diào)節(jié)閥選得過大或生產(chǎn)處于非滿負荷狀態(tài)時,調(diào)節(jié)閥則工作在小開度,有時為了使調(diào)節(jié)閥有一定的開度,而將閥門開度調(diào)小以增加管道阻力,使流過調(diào)節(jié)閥的流量降低,實際上就是使壓降分配比值下降,使流量特性畸變,惡化了調(diào)節(jié)質(zhì)量。
(2)并聯(lián)管道時的工作流量特性
調(diào)節(jié)閥與管道并聯(lián)時,一般由閥支路和旁通管支路組成,調(diào)節(jié)閥安裝在閥支路管路上。調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管道上,在系統(tǒng)阻力一定時,調(diào)節(jié)閥全開流量與總管最大流量之比隨著并聯(lián)管道的旁路閥逐步打開而減少。此時,盡管調(diào)節(jié)閥本身的流量特性無變化,但系統(tǒng)的可調(diào)范圍大大縮小,調(diào)節(jié)閥在工作過程中所能控制的流量變化范圍也大大減小,甚至起不到調(diào)節(jié)作用。要使調(diào)節(jié)閥有較好的調(diào)節(jié)性能,一般認為旁路流量最多不超過總流量的 20%。
流量特性的選擇方法有兩種,一種是通過數(shù)學(xué)計算的分析法,另一種是在實際工程中總結(jié)的經(jīng)驗法。由于分析法既復(fù)雜又費時,所以一般工程上都采用經(jīng)驗法。具體來說,應(yīng)該從調(diào)節(jié)質(zhì)量、工況條件、負荷及特性幾個方面考慮。
(1)根據(jù)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量
根據(jù)自動控制原理中的特性補償原理,為了使系統(tǒng)保持良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量,希望開環(huán)總放大系數(shù)與各環(huán)節(jié)放大系數(shù)之積保持常數(shù)。這樣,適當選擇閥的特性,以閥的放大系數(shù)變化來補償對象放大系數(shù)的變化,從而使系統(tǒng)的總放大系數(shù)保持不變。
(2)根據(jù)管道系統(tǒng)壓降變化情況
調(diào)節(jié)閥的壓降比 S 定義為該調(diào)節(jié)閥可控制的最大流量所對應(yīng)閥門進出口差壓 ΔP1m 和系統(tǒng)差壓 ΔP 之比:
調(diào)節(jié)閥流量特性與壓降比S有密切的關(guān)系(表2)。
管道系統(tǒng)壓降比 S | 1~0.6 | 0.6~0.3 | 0.3~0 |
---|---|---|---|
實際工作流量特性 | 直線 等百分比 | 直線 等百分比 | 調(diào)節(jié)不適宜 |
所選流量特性 | 直線 等百分比 | 等百分比 等百分比 |
(3)根據(jù)負荷變化
直線閥在小開度時流量變化大,調(diào)節(jié)過于靈敏,易振蕩。在大開度時,調(diào)節(jié)作用又顯得微弱,造成調(diào)節(jié)不及時,不靈敏。因此在壓降比S較小,負荷變化大的場合不宜采用直線閥。等百分比閥在接近關(guān)閉時工作緩和平穩(wěn),而接近全開狀態(tài)時,放大系數(shù)大,工作靈敏有效,因此它適用于負荷變化幅度大的場合。快開特性閥在行程較小時,流量就較大,隨著行程的增大,流量很快達到最大,它一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制的場合。
(4)根據(jù)調(diào)節(jié)對象的特性
一般有自平衡能力的調(diào)節(jié)對象都可選擇等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥,不具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對象則選擇直線流量特性的調(diào)節(jié)閥。
調(diào)節(jié)閥口徑是根據(jù)工藝要求的流通能力確定的,要根據(jù)提供的工藝條件計算出調(diào)節(jié)閥的流通能力,再依據(jù)其流通能力選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。流通能力是指當調(diào)節(jié)閥全開,閥兩端壓差為 9.81×104Pa,流體的密度為 1g/cm3 時,每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量值,該值以 m3/h 或 kg/h 為單位。調(diào)節(jié)閥的流通能力是合理選擇閥門及閥門口徑的一個重要參數(shù),通過對調(diào)節(jié)閥流通能力的計算,對比廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定閥門口徑的大小。對于自動控制系統(tǒng)來說,水是流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的常見的介質(zhì)之一,所以以水為例介紹調(diào)節(jié)閥的流通能力 C:
實際工程中,閥門口徑是分級的,C 值通常也不是連續(xù)值(公式計算的 C 值是連續(xù)的)。不同廠商的同類型產(chǎn)品有不同的 C 值與口徑對應(yīng)表。在計算出期望的 C 值后,就可以查閱生產(chǎn)商的相應(yīng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表來決定所需的閥門口徑。選取閥門口徑的原則應(yīng)盡可能接近或大于計算結(jié)果,不應(yīng)小于計算結(jié)果。
(1)調(diào)節(jié)閥直接按照接管管徑選取是不合理的。閥門的調(diào)節(jié)品質(zhì)與接管流速或管徑?jīng)]有關(guān)系,閥門的調(diào)節(jié)品質(zhì)僅與水的阻力及流量有關(guān)。亦即一旦系統(tǒng)設(shè)備確定之后,理論上適合該系統(tǒng)的閥門只有一種理想的口徑,而不會出現(xiàn)多種選擇。
(2)調(diào)節(jié)閥口徑不能過小。選擇的閥門口徑過小,一方面會增加系統(tǒng)的阻力,甚至?xí)霈F(xiàn)閥門口徑 100% 開啟時,系統(tǒng)仍無法達到設(shè)定的容量要求,導(dǎo)致嚴重后果。另一方面閥門將需要通過系統(tǒng)提供較大的壓差以維持足夠的流量,加重泵的負荷,閥門易受損害,對閥門的壽命影響很大。
(3)調(diào)節(jié)閥口徑不能過大。選擇的閥門口徑過大,不僅增加工程成本,而且還會引起閥門經(jīng)常運行在低百分比范圍內(nèi),引起調(diào)節(jié)精度降低,使控制性能變差,而且易使系統(tǒng)受沖擊和振蕩。
(4)為了保證系統(tǒng)控制品質(zhì),最好的方法是在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)選擇能獲得較大壓力降的閥門口徑,使閥門在運轉(zhuǎn)過程中壓力降的變化值盡可能小。閥門全開狀態(tài)下的壓力降占全泵壓百分比越高,則閥門壓力降相對變化值越小,閥門的安裝特性就越接近其內(nèi)在特性。
(5)控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡可能工作于恒定的壓力降條件下,因為閥門是否匹配盤管依賴于它的內(nèi)在特性和流量因子,而這些閥門參數(shù)取決于恒定的閥門壓力降。
設(shè)計調(diào)節(jié)閥時,要求對調(diào)節(jié)閥的組成、分類和特性有一個清楚的認識,并在此基礎(chǔ)上掌握正確的選擇方法。而且,對于一個實際系統(tǒng)配置調(diào)節(jié)閥時,還需要對整個管系環(huán)路進行詳盡的分析,綜合考慮各種因素。只有這樣,才能正確地選擇調(diào)節(jié)閥,保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。