儀表設計中執行器的選用

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儀表設計中執行器的選用
杜旭峰，趙巖
錦州石化公司設計院，遼寧錦州121000
摘要：分別從執行器的類型、流量特性、s值的選取、動態特性、閥門定位器等方面介紹執行器的選用。
關鍵詞：執行器；流量特性；S值；閥門口徑；閥門定位器
中圖分類號：TH86 文獻標識碼1 B 文章編號：1003．3932200205-0086．04
1 引言
我公司是煉油化工行業的老廠，近幾年來隨
著改革開放的進行，不斷壯大、更新，自控水平不
斷提。在儀表工程設計中執行器在控制系統中
起著極其重要的作用，控制品質與執行器的正確
選用與使用有著十分密切的關系，不能因其簡單
而有任何疏忽。下面從執行器的類型、流量特性
s值的選取、動態特性、閥門定位器的應用等方面
進行論述。
2 執行器的類型
執行器由執行機構與調節機構兩部分構成。
執行機構把調節器輸出信號轉換成直線或角位
移，有氣動、電動、液動三類。氣動的在我公司Z
常用；電動的與電動調節器連接方便，但有的場合
須考慮防爆問題；液動的推力Z大，如催化車間的
電液滑閥，但較笨重。調節機構把直線位移或角
位移轉換成流通截面積的變化，從而改變操縱變
量Q的數值。調節機構的類型很多，包括直通閥
單座、雙座、角閥、三通閥、球形閥、隔膜閥、蝶
閥、壓閥、偏心旋轉閥、套筒閥等。其中直通閥
較為常用。在直通閥中，雙座閥介質流通時閥前
后不平衡力小，在口徑或壓差較大時這一點更
為突出，但在泄漏量方面卻往往大于單座閥。蝶
閥適用于大流量、低壓差的氣體介質。套筒閥
有低噪聲的特點，是低噪聲閥中常見的一種。
調節機構的口徑須很考慮，在正常工況下，
閥門開度應在15％～85％之間。在設計中常用
的節流公式為：
Q ： c AP ，f
式中：Q—— 流量；Ap—— 閥兩端壓差；r— —
流體重度；C — — 比例系數。
在閥門全開條件下，此時的c 稱為流通能力
C。顯然，c 取決于流通截面積，與口徑及開度
都有關系，c僅與口徑有關系。按正常工況下的
操作數據計算c 和預先規定閥門全開時的流量
計算C值．是確定閥門口徑的兩條途徑。如按前
一方法，應把c 值乘上一定倍數2～5，線性閥取
低值，對數閥取值作為流通能力C，按產品規
格去確定口徑。如按后一方法閥門全開時的流量
應比Z大實際流量再大些。
氣動調節閥有氣開與氣關兩種類型。氣開與
氣關的選擇主要考慮失氣時仍能保證供應安全。
例如，裝于液體或氣體燃料火嘴前的調節閥很多
是氣開型的，這樣在一旦失氣時便切斷燃料。又
如，中小型鍋爐的進水閥不少是氣關型的，這樣即
使氣源中斷，也不會使氣包燒干，但在蒸氣用于汽
輪機的大型鍋爐，進水閥卻寧可用氣開型，因為如
果蒸氣中帶有大量水滴，在速旋轉的汽輪機中
將會損壞葉片，危險更為嚴重。
在執行器選型時，除了要規定以上內容外，還
須規定流量特性的類型。
3 流量特性的意義和類型
調節閥的流量特性指的是流量Q 與閥桿行
程間的函數關系：
Q =fL
依據函數關系的不同，流量特性可分為線性
第5期杜旭峰等．儀表設計中執行器的選用 · 87 ·
型、對數型、快開型和拋物線型等。
1線性型。指調節閥的相對流量與相對位
移成直線關系，即單位位移變化所引起的流量變
化是常數，數學表達式為：
dq = 或d = kd
積分后得到：
=
已知：
L = L 時，Q = Q
L =0時，Q = Q i =
式中：尺— — 可調比，一般為30。
由此可知：
C0 = 1／R ，K = 1— 1／R
流量與閥桿的關系式是：
Q／Q = 1／Rl l+ R 一1·L／L j
2對數型等百分比。指單位相對位移變
化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正
比關系。數學表達式為：
dq = kqd Z或
dQ／Q = kQ／Q dL／L
積分岳得到：
Q／Q ： R‘ 兒一一
對數閥的Kv隨著Q 的增加而迅速上升。因
為Q的對數值與間成線性關系，所以稱為對數
型。又因為增加相同的間隔時Q增長相同的
百分比，所以亦稱等百分比特性。
3快開型。指單位相對位移變化所引起的
相對流量變化與此點的相對流量的倒數成正比關
系。數學表達式為：
dq = q～ d Z
或dQ／Q = kQ／Q 。一dL／L
積分后得到：
Q／Q = I／R[1+R 一1L／L ]
快開閥的Kv隨著Q的增加而下降。正因為
如此，從。開始的一般Q上升得很快，所以稱
為快開型。
4拋物線型。指單位相對位移變化所引起
的相對流量變化與此點的相對流量的平方根成正
比。數學表達式為：
dq ：幻 d Z
或dQ／Q = Q／Q 。 dL／L
積分后得到：
Q／Q 。 = 1／R[1+R 一1L／L ]
拋物線型閥的Kv隨著Q的增加而上升，但
不象對數型那樣厲害。總的來說，其特性介于線
性閥與對數閥之間。見圖1。
圖1
在流量特性問題上，必須區別兩種情況：① 閥
兩端壓降固定不變條件下的流量特性稱為理想特
性。閥門制造廠提供的就是這種特性，通常有線
性型、對數型、快開型三種；② 在實際工作時，閥兩
端的壓降是隨流量而變化的，這時的流量特性稱
為工作特性。設提供給管路系統的總壓差為P
由液體提升產生的壓差為P ，閥兩端的壓降為
P ，管路其它部分的壓降為P ，則：
Pt= Ph+ P + Pl= Ph + Pf
式中：Pf= P +Pl，為阻力引起的總壓降。
雖然P 為恒值，然而P。是隨著流量Q而變
化的，因此，即使P．保持不變，P 也總是隨著流
量的增加而減小的。由于P 不是恒值，流量特性
線將發生變化，工作特性曲線將上凸。理想特性
為線性的將向快開型靠近，對數型的將向線性型
靠近。把閥門全開時的壓降P 與管路總壓降P
之比定為s，則在S值愈小時，特性曲線的畸變
越是厲害。在工程設計中，要解決理想特性的選
型問題，也要考慮S值的選取問題。
當S值大于o．6，即接近1時，可以認為理想
特性與工作特性的曲線形狀相近，此時工作特性
選什么特性，理想特性也將選什么特性。當S值
小于o．6時，理想特性有一定畸變。當選擇的工
作特性為線性時，理想特性應采用對數特性；當選
擇的工作特性為對數型時，理想特性仍為對數特
性。通過總結經驗，我們可以直接依據被控變量
與有關情況選擇調節閥的理想特性，見表1。
4 s值的選取
從控制特性上看，．s值接近于1，至少是取比
· 88 · 化工自動化及儀表第29卷
較大的數值，肯定可以減少流量特性的畸變，因此
是有益的。然而，我們必須考慮其它因素。
表1 調節閥理想特性選用表
被控變量有關情況理想特性
P 恒定線性型
液位 P Q⋯ < 0．2P Q⋯ 對數型
P Q > 2P Q⋯ 快開型
快過程對數型
壓力慢過程線性型
慢過程P Q <0．2P Q⋯ 對數型
流量設定值變化線性型
變送器輸出
與Q 成正比負荷變化對數型
流量串接，設定值變化線性型
變送器輸串接
出與Q 成，負荷變化對數型
正比旁路連接對數型
溫度對數型
1有時由于流體輸送機械的能力有限，能夠
留給調節閥的壓降值很小，閥必須在低s值下運
行。
2由于結構上的原因，閥兩端的壓降不能超
過一定的限值，壓差的減壓閥很易磨損，這時往
往允許加限流孔板，適當進行分壓，使P 不超過
預定的限值，s值也必須降低。
3近幾年來，節能問題極受重視，不少情況
下閥門造成的摩擦損失耗用了可貴的能量，減少
s值可以節約能耗。
在過去，人們一般認為s值應不低于0．3，s
的常取范圍為0．3～0，6。現在這條界線已被打
破了。但低s值會使閥的流量特性產生嚴重的
畸變，通常可考慮以下兩條途徑來解決：
1改變閥芯的型面，使其理想特性曲線凹得
更甚，這樣在低s值下仍能有合適的工作特性。
而在采用閥門定位時可利用凸輪形狀來進一步改
善其理想特性。
2采用串級控制系統，用一個流量調節的副
回路代替單一的調節閥，這時只要將這個副回路
整定得可以工作就行，閥的流量特性對主被控變
量的過渡過程不再起顯著影響。
但在s值的選取上還應注意一些問題，先
s值指的是閥全開時的壓降與管路總壓降之比，
在有些情況下，盡管P 取得很小，s值不一定低；
其次在設備流程已定的情況下，s值與節能有時
并無直接關系，如圖2所示。
圖2 液位控制系統
5 動態特性
動態特性表示動態平衡時信號壓力與閥桿位
移的關系。從調節器到執行機構膜頭間的引壓管
線，可以當成膜頭的一部分，引壓管線可以近似認
為是單容環節，而膜頭空間也是一個氣容，將兩個
氣容合并考慮，根據流量平衡關系，列出方程式：
Qi—Q。= c·dp2／dt
式中：C— — 包括膜頭及引壓管在內的容量系
數；Q — — 氣體的輸入流量；Q。—— 氣體的輸
出流量；P — — 膜頭內的氣體壓力。
Q；與壓力的關系可近似表示：
Q．= Pl—p2／R
式中：P。—— 調節器來的氣壓信號；R— — 從調
節器到執行機構間導管的阻力系數。
由于膜頭是封閉的，所以Q ：o。
將Q：帶入方程：
RC ·dAp2／dt+Ap2= Apl或
T ·dAp2／dt + Ap2 = Apl
式中： — — 時間常數，： R·C。
上式是調節器來的氣壓信號與膜頭內壓力之
間的微分方程式。
再看薄膜的運動，假設慣性力及摩擦力都可
忽略，則作用于薄膜上的力與彈簧反作用力在平
衡狀態時有：
Ap2·A = C ·△ ，J
式中：A — — 薄膜有效面積；C —— 彈簧的鋼
度；AL— — 彈簧的位移即閥桿的位移。
將所得兩個方程式合并整理，得到氣壓信號
與閥桿位移的微分方程式化簡：
AL／Apl= A ／TS+ 1·C
由此可知，氣動執行機構的動態特性為一階
滯后環節。時間常數因膜頭大小及引壓管長
短粗細而異，為數秒到數十秒。為了得到較的
特性，下列幾種做法值得借鑒。
第5期杜旭峰等儀表設計中執行器的選用 · 89 ·
1選擇合適的管徑。管徑加大，能使尺下
降，但同時也使c上升，期間需合適選擇。
2選擇合適的管長度。
3加裝傳輸滯后補償器，它實際上是一個氣
動微分器，可補償大的時間常數的影響。
6 閥門定位器的選用
常用的閥門定位器有氣動閥門定位器與電一
氣閥門定位器。
閥門定位器可以實現下列功能：
1在干摩擦較大的場合能減小回差。
2在壓差的情況下補償不平衡力的效應，
使閥桿位置不受不平衡力的影響。
3在閥桿移動時有較大阻力的場合
4利用不同形狀的凸輪，改變閥的流量特
性、氣開或氣關型式。
5改變氣壓作用范圍，包括分程控制。
6改善氣動管線與閥的動態特性。
通過設計經驗的積累，閥門定位器的選用可
總結為以下內容：
1直徑大于或等于150 into的直通雙座調節
閥和直徑大于50 mln的雙座調節閥。
2壓降大于13 kg／cm2的直通雙座調節閥和
壓降大于5 kg／cm2的直通單座調節閥。
3操作壓力大于20 kg／cm2的調節閥。
4散熱片型和長頸型調節閥。
5用于調節有閃蒸或氣化、含懸浮顆粒、
粘度和膠狀介質的調節閥。
6角形、蝶形、三通和隔膜等調節閥。
7滯后大的調節系統溫度調節或氣動調
節器輸出引線大于lOO m的場合。
7 總結
綜上所述，可以看出執行器的選用是比較復
雜的，要從以下幾個方面考慮：
1根據條件，選擇合適的結構類型。
2根據對象的特點，選擇合適的流量特
性。
3根據參數，計算選擇閥門口徑，并考
慮5值。 ’
4根據閥桿受力大小，選擇執行機構。
5根據過程，選擇合適的輔助裝置。

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