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控制閥知識

發布時間:2009-09-22 來源:揚子工具集團 瀏覽次數:58354

一、控制閥的發展歷史 1.控制閥的發展歷史 控制閥的發展與工業生產過程的發展密切相關。遠古時期,人們為了調節河流或小溪的水流量,采用大石塊或樹干來阻止水的流動或改變水的流動方向。埃及和希臘文明發明了幾種原始的閥門類型,用于農作物灌溉等。但是,普遍公認是古羅馬人為了農作物灌溉而開發了相當復雜的水系統,采用旋塞閥和柱塞閥,并使用止逆閥防止水的逆流。文藝復興時期,在藝術家和發明家達.芬奇(LeonardodaVinc)設計的溝渠、灌溉項目和其他大型水力系統項目中使用了閥門,他的許多技術方案現在仍實際存在。閥門工業的現代歷史與工業革命并行,隨著工業革命的深入,1705年,紐康曼(ThomasNewcomen)發明第一臺工業蒸汽發動機,對蒸汽發動機的運行提出了控制要求,瓦特(JamesWatt)發明了第一臺調節轉速的控制器,其后,對流體流量的控制越來越被人們重視。最早的控制閥是1880年由WilliamFisher制造的泵調節器,這是一種帶重錘的自力式控制閥,當閥后壓力增大時,在重錘作用下,使控制閥開度減小,從而達到穩定壓力的控制效果。 在20世紀20~30年代,控制閥以閥體形狀為球形的球形閥(ball valve)為主,其后,以V形缺口 (V-notch)的單座(single—port)和雙座(double-ported)控制閥(globevalve)問世。40年代相繼出現適用于高壓介質的角形控制閥(anglevalve)、用于腐蝕性介質的隔膜控制閥(barrierdiaphragmvalve)和用于大流量應用的蝶閥(butterflyvalve)等,并研制了閥門定位器(valve positioner)等產品o 1949年在德國Leverkusen成立了化學和石化工業的第一個專業協會——測量與控制標準協會NAMUR(NormenArbeitsgemein—schaftMeb-UndRegeltechnik),并開展標準的制定工作。50~60年代出現了三通控制閥(three-wayvalve),用于配比控制和旁路控制,也進一步展開對球閥的研究,出現了適用于大壓差和降低噪聲的套筒控制閥(cagevalve)。70年代套筒控制閥被廣泛應用于工業生產過程的控制,研制的偏心旋轉閥(eccentricplugvalve)成為角行程控制閥的佼佼者。偏心旋轉閥具有良好的密封性、大的流通能力,可應用于較大壓差場合。80年代開始,各種精小型控制閥誕生,它對控制閥執行機構進行的改革使控制閥的重量和高度下降,流通能力提高。90年代開始,隨著計算機控制裝置的廣泛應用,對智能控制閥的要求也越來越強烈,相繼誕生各種智能電氣閥門定位器和帶智能閥門定位器的現場總線控制閥。 2l世紀初,現場總線控制閥得到應用,隨著控制功能的下移,對控制閥的要求也越來越高。 控制閥與工業生產過程控制的發展同步進行。為提高控制系統的控制品質,對組成控制

系統各組成環節提出了更高要求。例如,對檢測元件和變送器要求有更高的檢測和變送精確度,要有更快的響應和更高的數據穩定性;對控制閥等執行器要求有更小的死區和摩擦,有更好的復現性和更短的響應時間,并能夠提供補償對象非線性的流量特性等。同時,由于工業生產過程的大型化和精細化,對控制閥等也提出了更高要求。 2.我國控制閥的現狀我國控制閥工業生產的起步較晚。在20世紀60年代開始研制單座閥、雙座閥等產品,主要是仿制前蘇聯的產品。由于機械工業落后,機械加工精度低,因此,產品泄漏量較大,但尚能滿足當時工業生產過程的一般控制要求。70年代開始,隨著工業生產規模的擴大,工業過程控制要求的提高,一些控制閥產品已不能適應生產過程控制的要求,例如對高壓力、高壓降、低溫、高溫和腐蝕等介質的控制要求。為此,一些大型石油化工企業在引進設備的同時,也引進了一些控制閥,例如帶平衡閥芯的套筒閥、偏心旋轉閥等,為國內的控制閥制造廠商指明了開發方向。因此,70年代后期,一些制造廠已開始仿制偏心旋轉閥等產品o 80年代開始,隨著我國改革開放政策的貫徹和落實,一些控制閥制造廠引進了國外著名控制閥廠商的技術和產品,使我國控制閥產品的品種和質量得到明顯提高。例如,生產出各種類型的套筒閥、偏心旋轉閥,并開始研制精小型控制閥。隨著大型電站等工業項目,的進行,也研制了各種電液執行機構、長行程執行機構等執行機構,以適應大推力和大推力矩、長行程等控制要求。90年代開始,我國的控制閥工業也在引進和消化國外的先進技術后開始飛速發展,一些合資和外資的控制閥生產廠相繼生產有特色的產品,填補了一些特殊工業控制的空白,使我國控制閥工業的水平大大提高,縮短了與國外的差距。隨著現場總線技術的應用,在2l世紀初,采用現場總線技術的控制閥產品問世,國外一些現場總線的控制閥和相關的產品,例如智能閥門定位器等,開始在國內一些新建工程中應用,國內一些廠商也開始研制有關產品。 3.控制閥發展的特點 回顧控制閥發展歷史,控制閥發展特點如下。 ①控制閥的發展與工業生產過程控制的發展密切相關。例如,:單座閥的不平衡力大,不能適應工業生產過程高壓差的控制要求,為此,研制了帶平衡閥芯的套筒閥;當控制閥噪聲已成重要環境污染時,不少具有降噪功能的控制閥和降噪的閥內件應運而生;當工業生產過程對高溫、低溫和泄漏等有一定要求時,誕生了適應高溫和低溫的伸長型閥蓋和用波紋管密封的閥蓋等。 ②控制閥的發展與提高產品質量,降低原材料消耗等緊密結合,使控制閥產品的品種更
新和增加,功能擴展,適應面越來越廣。例如,控制閥的品種有單座閥、雙座閥、三通閥、角形閥、套筒閥、閥體分離閥、隔膜閥、高壓閥、偏心旋轉閥、偏心閥板閥、蝶閥、閘閥等;執行機構有氣動薄膜執行機構、氣動活塞執行機構、氣動精小型薄膜執行機構、氣動長行程執行機構、電動執行機構、電液執行機構、齒輪執行機構等;閥門定位器有氣動閥門定位器、電氣閥門定位器、智能電氣閥門定位器等。 ③控制閥的發展使工業應用更方便、靈活、可靠?刂崎y設計計算采用更適合的計算公式;控制閥的安裝和維護變得更方便;控制閥閥內件設計,例如流路設計、材質選用、降噪設計等,使工業應用面更廣泛,使用更可靠。 二、控制閥的發展方向 1.控制閥應用中存在的問題①控制閥的品種多,規格多,參數多?刂崎y為適應不同工業生產過程的控制要求,例如溫度、壓力、介質特性等,有近千種不同規格、不同類型的產品,使控制閥的選型不方便、安裝應用不方便、維護不方便、管理不方便。 ②控制閥的可靠性差?刂崎y在出廠時的特性與運行一段時間后的特性有很大差異,例如,泄漏量增加、噪聲增大、閥門復現性變差等,給長期穩定運行帶來困難。 ③控制閥笨重,給控制閥的運輸、安裝、.維護帶來不便。通常,控制閥重量比一般的儀表重量要重幾倍到上百倍,例如,一臺DN200的控制閥重達700kg,運輸、安裝和維護都需要動用一些機械設備才能完成,給控制閥的應用帶來不便。 ④控制閥的流量特性與工業過程被控對象特性不匹配,造成控制系統品質變差?刂崎y的理想流量特性已在產品出廠時確定,但工業過程被控對象特性各不相同,力口上壓降比變化,使控制閥工作流量特性不能與被控對象特性匹配,并使控制系統控制品質變差。 ⑤控制閥噪聲過大。工業應用中,控制閥噪聲已成為工業設備的主要噪聲源,因此,降低控制閥噪聲成為當前重要的研究課題,并得到各國政府的重視。 ⑥控制閥是耗能設備,在能源越來越緊缺的當前,更應采用節能技術,降低控制閥的能耗,提高能源的利用率。 2.控制閥的發展方向 控制閥的發展方向主要為智能化、標準化、精小化、旋轉化和安全化。 (1)智能化和標準化.控制閥的智能化和標準化已經提到議事日程。智能化主要采用智能閥門定位器。智能化化表現在下列方面。
①控制閥的自診斷,運行狀態的遠程通信等智能功能,使控制閥的管理方便,故障診斷變得容易,也降低了對維護人員的技能要求。 ②減少產品類型,簡化生產流程。采用智能閥門定位器不僅可方便地改變控制閥的流量特性,也可提高控制系統的控制品質。因此,對控制閥流量特性的要求可簡化及標準化(例如,僅生產線性特性控制閥)o用智能化功能模塊實現與被控對象特性的匹配,使控制閥產品的類型和品種大大減少,使控制閥的制造過程得到簡化,并在生產和市場中經受考驗和認可。 ③數字通信。數字通信將在控制閥中獲得廣泛應用,以HART通信協議為基礎,一些控制閥的閥門定位器將輸入信號和閥位信號在同一傳輸線實現;以現場總線技術為基礎,控制閥與閥門定位器、PID控制功能模塊結合,使控制功能在現場級實現,使危險分散,使控制更及時、更迅速。 ④智能閥門定位器。智能閥門定位器具有閥門定位器的所有功能,同時能夠改善控制閥的動態和靜態特性,提高控制閥的控制精度,因此,智能閥門定位器將在今后一段時間內 成為重要的控制閥輔助設備被廣泛應用。 控制閥的標準化表現在下列方面。 ①為了實現互換性,使同樣尺寸和規格的不同廠商生產的控制閥能夠互換,使用戶不必為選擇制造商而花費大量時間。 ②為了實現互操作性,不同制造商生產的控制閥應能夠與其他制造商的產品協同工作,不會發生信號的不匹配或阻抗的不匹配等現象。 ③標準化的診斷軟件和其他輔助軟件,使不同制造商的控制閥可進行運行狀態的診斷,運行數據的分析等。 ④標準化的選型程序?刂崎y選型仍是自控設計人員十分關心的問題,采用標準化的計算程序,根據工藝所提供數據,能夠正確計算所需控制閥的流量系數,確定配管及選用合適的閥體、閥芯及閥內件材質等,使設計過程標準化,提高設計質量。 (2)精小化.為降低控制閥的重量,便于運輸、安裝和維護,控制閥的精小化采用了下列措施。 ①采用精小型執行機構。采用輕質材料,采用多組彈簧替代一組彈簧,降低執行機構高度,通常,精小型氣動薄膜執行機構組成的控制閥比同類型氣動薄膜執行機構組成的控制閥高度要降低約30%,重量降低約30%,而流通能力可提高約30%。 ②改變流路結構。例如,將閥芯的移動改變為閥座的移動,將直線位移改變為角位移
等,使控制閥體積縮小,重量減輕。 ③采用電動執行機構。不僅可減少采用氣動執行機構所需的氣源裝置和輔助設備,也可減少執行機構的重量。例如,Fisher公司的9000系列電動執行機構,其20型的高度小于330mm,使整個控制閥(帶數字控制器和執行機構)質量降低到20~32kg。 (3)旋轉化 由于旋轉類控制閥,例如球閥等,有相對體積較小、流路阻力較小、可調比較大、密封性較好、防堵性能較好、流通能力較大等優點,因此,在控制閥新品種中,旋轉閥的比重增大。特別是大口徑管道中,普遍采用球閥、蝶閥等類型控制閥,從國外近年的產品看,旋轉閥應用的比例正逐年增長。 (4)安全化 儀表控制系統的安全性已經得到各方面的重視,安全儀表系統(SIS)對控制閥的要求也越來越高,表現在以下幾方面。 ①對控制閥故障信息診斷和處理要求提高,不僅要對控制閥進行故障發生后的被動性維護,而且要進行故障發生前的預防性維護和預見性維護。因此,對組成控制閥的有關組件進行統計和分析,及時提出維護建議等變得更重要。 ②對用于緊急停車系統或安全聯鎖系統的控制閥,提出及時、可靠、安全動作的要求。確保這些控制閥能夠反應靈敏、準確。 ③對用于危險場所的控制閥,應簡化認證程序。例如,對本安應用的現場總線儀表,可簡化為采用FISCO現場總線本質安全概念,使對本安產品的認證過程簡化。 ④與其他現場儀表的安全性類似,對控制閥的安全性,可采用隔爆技術\防火技術、增安技術、本安技術、無火花技術等;對現場總線儀表,還可采用實體概念、本安概念、FISCO概念和非易燃(FINCO)概念等。 (5)節能 降低能源消耗,提高能源利用率是控制閥的一個發展方向。主要有下列幾個發展方向。 ①采用低壓降比的控制閥。使控制閥在整個系統壓降中占的比例減少,從而降低能耗,因此,設計低壓降比的控制閥是發展方向之一;另一個發展方向是采用低阻抗控制閥,例如采用蝶閥、偏心旋轉閥等。 ②采用自力式控制閥。例如,直接采用閥后介質的壓力組成自力式控制系統,用被控介質的能量實現閥后壓力控制。 ③采用電動執行機構的控制閥。氣動執行機構在整個控制閥運行過程中都需要有一定的氣壓,雖然可采用消耗量小的放大器等,但日積月累,耗氣量仍是巨大的。采用電動執行機構,在改變控制閥開度時,需要供電,在達到所需開度時就可不再供電,因此,從節能看,
電動執行機構比氣動執行機構有明顯節能優點。 ④采用壓電控制閥。在智能電氣閥門定位器中采用壓電控制閥,只有當輸出信號增加時才耗用氣源。 ⑤采用帶平衡結構的閥芯,降低執行機構推力或推力矩,縮小膜頭氣室,降低能源需要。 ⑥采用變頻調速技術代替控制閥。對高壓降比的應用場合,如果能量消耗很大,可采 用變頻調速技術,采用變頻器改變有關運轉設備的轉速,降低能源消耗。 (6)保護環境 環境污染已經成為公害,控制閥對環境的污染主要有控制閥噪聲和控制閥的泄漏。其中,控制閥噪聲對環境的污染更是十分嚴重。 ①降低控制閥噪聲。研制各種降低控制閥噪聲的方法,包括從控制閥流路設計到控制閥閥內件的設計,從噪聲源的分析到降低噪聲的措施等。主要有設計降噪控制閥和降噪控制閥閥內件;合理分配壓降,使用外部降噪措施,例如,增加隔離、采用消聲器等。 ②降低控制閥的大氣污染?刂崎y的大氣污染指控制閥的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”,這些泄漏物不僅造成物料或產品的浪費,而且對大氣環境造成污染,有時,還會造成人員的傷亡或設備爆炸等事故。因此,研制控制閥填料結構和填料類型、研制控制閥的密封等將是控制閥今后一個重要的研究課題。 計算機科學、控制理論和自動化儀表等高新科學技術的發展推動了控制閥的發展,例如,現場總線控制閥和智能閥門定位器的研制、數字通信在控制閥的實現等?刂崎y的發展也推動了其他科學技術的發展,例如,對防腐蝕材料的研究、對削弱和降低噪聲方法的研究、對流體動力學的研究等。隨著現場總線技術的發展,控制閥也將開放、智能和更可靠,它將與其他工業自動化儀表和計算機控制裝置一起,使工業生產過程控制的功能更完善,控制的精度更高,控制的效果更明顯,并為我國現代化建設發揮更重要的作用。 三、過程控制閥術語 附件:一個安裝在執行機構上補充執行機構的功能并使其成為一個完整的操作單元的裝置。例子包括定位器、供氣壓力調節器、電磁閥和限位開關。 執行機構:一個提供力或運動去打開或關閉閥門的氣動、液動或電動裝置。 執行機構組件:一個包括所有相關附件使之成為一個完整的操作單元的執行機構。 空程:提供給一種死區的通用名詞。這種死區是當一個裝置的輸入改變方向時由于裝置輸與輸出之間的暫時中斷引起的。一個機械連接的松弛或松動是空程的一個典型例子。 (閥門)流通能力:在規定條件下通過一個閥門的流量。
閉環回路(控制回路):一種過程元件的相互連接方式:有關過程變量的信息被連續不斷地反饋給控制器的設定點,以連續地、自動地糾正過程變量。 控制器:一種通過使用某些既定的運算來調節控制變量的自動操作的裝置?刂破鞯妮斎虢邮荜P于過程變量狀態的信息,然后提供一個相應的輸出信號給終端控制元件。 控制范圍:控制閥能夠把實際閥門增益保持在標準值0,5和2,0之間的閥門行程范圍。 控制閥組件:包括通常安裝在閥門上的所有部件:閥體組件、執行機構、定位器、調壓器、轉換器、限位開關等。死區:輸入信號改變方向但不致于引起輸出信號的可以觀察到的變化時,輸入信號的可變化范圍。死區是用來描述一種適用于任何裝置的通用現象的名詞。對于閥門組件,控制器的輸出(C0)是閥門組件的輸入,而過程變量(PV)是輸出,如圖1所示。使用術語“死區”時,有必要把輸入和輸出區分開來,并確保測量死區的任何測試在全部負載條件下進行。死區典型地表示為百分比的輸入量程。 圖1 過程死區 時滯時間:從一個小的階躍輸入(通常0.25%—5%)起,系統沒有響應被檢測到的時間長短(Td)o它從階躍輸入開始的時間起測量,一直到被測試系統產生第一個能檢測到的響應的時間為止。時滯時間可用于閥門組件或整個工藝過程。 閥板:帶線性或旋轉運動的、用來調節流量的閥內件元件,也可指閥芯或截流元件。 終端控制元件:執行由控制器的輸出決定的控制策略的裝置。終端控制元件可以是一個減振器、一個變速驅動泵或一個開關式切換裝置,但是過程控制工業里最常見的終端控制元件是控制閥組件?刂崎y調節流動的流體,如氣體、蒸汽、水或化學混合物,以補償擾動并使得被控制的過程變量盡可能地靠近需要的設定點。 增益:通用術語,可用于許多情況。在它最常用的含義里,增益是一個給定系統或裝置的輸出改變量相對于引起該輸出改變量的輸入改變量的比例。增益有兩種:靜態增益和動態增益。靜態增益是輸入與輸出之間的增益關系,是系統或裝置處于穩定狀態時,輸入能夠引起輸出改變的程度的指標。

敏感性有時候用來說明靜態增益。動態增益是時當系統處于運動或流動狀態時的輸入與輸出之間的增益關系。動態增益是輸入改變頻率或比率的函數。 滯后: 在一個校驗循環里,相對于任何單個輸入值的輸出值的最大差值,不包括由于死區引起的誤差 固有特性(流量特性):在經過閥門的壓力降恒定時,隨著截流元件(閥板)從關閉位置運動到額定行程的過程中流量系數與截流元件(閥板)行程之間的關系。典型地,這些特性可以繪制在曲線圖上,其水平軸用百分比行程表示,而垂直軸用百分比流量(或Cv值)表示。由于閥門流量是閥門行


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