工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥 調(diào)節(jié)閥 工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥 工業(yè)過(guò)程控制調(diào)節(jié)閥 工業(yè)調(diào)節(jié)閥
之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥圖2-65雙動(dòng)壓桿式夾管閥調(diào)節(jié)閥又稱控制閥，它是過(guò)程控制系統(tǒng)中用動(dòng)力操作去改變介質(zhì)流量的裝置。電工委員會(huì)IEC對(duì)調(diào)節(jié)閥(control valve)的定義為：“工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中由動(dòng)力操作的裝置形成的終端元件。它包括一個(gè)閥部件，內(nèi)有一個(gè)改變過(guò)程流體流率的組件。閥部件又與一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接，執(zhí)行機(jī)構(gòu)用來(lái)響應(yīng)控制元件送來(lái)的信號(hào)”?？梢姡{(diào)節(jié)閥是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門部件兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動(dòng)裝置，它按信號(hào)壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，使推桿產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從而帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥芯動(dòng)作。閥門部件是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部分，它直接與介質(zhì)接觸，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿的位移，改變調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積，達(dá)到調(diào)節(jié)的目
調(diào)節(jié)閥按其能源方式的不同，主要分為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)調(diào)節(jié)閥三大類。它們的差別在于所配的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是以壓縮空氣為動(dòng)力源，配的是氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以電為動(dòng)力源，配的是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；液動(dòng)調(diào)節(jié)閥以液壓為動(dòng)力源，配的是液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 
控制系統(tǒng)的基本組成
(1) 人工控制
以圖1-1所示液位控制為例，說(shuō)明人工控制的有關(guān)概念。液位是工藝需要控制的變量，操作員根據(jù)液位高低調(diào)節(jié)排放閥的開度，使液位保持在工藝所需的高度。人工控制的過(guò)程如下。
1 操作員用眼睛觀測(cè)容器液位，經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)傳到大腦。
2 大腦對(duì)液位觀測(cè)值與工藝期望值進(jìn)行比較，經(jīng)分析和判別，發(fā)出控制指令。
3 根據(jù)大腦發(fā)出的控制指令，操作員通過(guò)手操縱閥門，改變閥門開度，使排出流量變化。
4 反復(fù)上述步驟，使液位維持在期望值。
(2) 自動(dòng)控制
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥因?yàn)楝F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程需要控制的溫度、壓力、流量等參數(shù)成百上千，人工控制難以滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的要求，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，控制精度低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。各種自動(dòng)控制系統(tǒng)模擬人工控制的方法，用儀表、計(jì)算機(jī)等裝置代替操作員的眼、大腦、手等的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)包含檢測(cè)元件和變送器、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象等。圖1-2 是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的框圖。控制閥系統(tǒng)圖
檢測(cè)元件和變送器(Sensor and Transmitter) 用于檢測(cè)被控變量，將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。例如，熱電阻將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，溫度變送器將電阻或熱電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的氣壓或電流、電壓信號(hào)等。
控制器(Controller)將檢測(cè)變送環(huán)節(jié)輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較，獲得偏差信號(hào)，按一定控制規(guī)律對(duì)偏差信號(hào)(Error Signal) 進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算輸出送執(zhí)行器?？刂破骺捎媚M儀表實(shí)現(xiàn)，也可用微處理器組成的數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)，例如，DCS (分布控制系統(tǒng)) 和FCS (現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)) 中采用的PID控制功能模塊等。
執(zhí)行器(Actuator) 處于控制環(huán)路的zui終位置，也稱為zui終元件(Final Control Element).執(zhí)行器用于接收控制器的輸出信號(hào)，并控制操縱變量變化。在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的應(yīng)用中，執(zhí)行器采用控制閥。其他執(zhí)行器有計(jì)量泵、調(diào)節(jié)擋板等。近年來(lái)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，一些控制系統(tǒng)已采用變頻器和相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)(泵) 等設(shè)備組成執(zhí)行器。
生產(chǎn)過(guò)程(被控對(duì)象) 的負(fù)荷變化或者操作條件改變時(shí)，通過(guò)檢測(cè)元件和變送器的檢測(cè)和變送，將過(guò)程的被控變量送控制器，經(jīng)控制規(guī)律運(yùn)算后的輸出送執(zhí)行器，改變過(guò)程中相應(yīng)的流體流量，使被控變量與設(shè)定值保持一致?？梢?，檢測(cè)元件和變送器的作用類似于人的眼睛，控制器的作用類似于人的大腦，執(zhí)行器的作用類似于人的手腳。
與人工控制的控制過(guò)程類似，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾影響時(shí)，用檢測(cè)變送儀表檢測(cè)過(guò)程的被控變量信號(hào)(模擬人眼的功能)，控制器將檢測(cè)變送信號(hào)與設(shè)定值比較，按一定控制規(guī)律對(duì)其偏差值進(jìn)行運(yùn)算(模擬人腦的功能)，并輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變操縱變量(模擬人手的功能)，使被控變量回復(fù)到設(shè)定值。 
1．傳統(tǒng)的閥類 (1)直通單座調(diào)節(jié)閥如圖2-66歷示為常用的氣動(dòng)直通單座調(diào)節(jié)閥。它由閥體、閥座、閥芯、導(dǎo)向套、閥蓋、閥桿和填料等零件組成。閥芯和閥桿連接在一起，連接方法可用過(guò)盈配合銷釘固定或螺紋聯(lián)接銷釘固定，也可以閥芯和閥桿連成一體，在閥蓋和閥體間設(shè)有導(dǎo)向套，為閥芯上下移動(dòng)起導(dǎo)向作用。導(dǎo)向套上的小孔，連通閥體內(nèi)腔和閥出口端，導(dǎo)向套上腔的介質(zhì)很容易通過(guò)小孔流人閥出口端，不會(huì)影響閥芯移動(dòng)。圖2-66氣動(dòng)直通單座調(diào)節(jié)閥這種調(diào)節(jié)閥的閥體內(nèi)只有一個(gè)閥芯和一個(gè)閥座，特點(diǎn)是泄漏量小，于保證密封。結(jié)構(gòu)上有
調(diào)節(jié)型和切斷型。它們的區(qū)別在于閥芯的形狀不同。調(diào)節(jié)型閥芯的形狀為柱塞形，切斷型閥芯的形狀為平板形或錐形。它的另一個(gè)特點(diǎn)是介質(zhì)對(duì)閥瓣的作用力大，即不平衡力大，特別是在高壓差、大口徑的情況下更為嚴(yán)重，所以僅適用于低壓差的場(chǎng)合。否則應(yīng)適當(dāng)選擇推力大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或配以閥門定位器。
閥芯有正裝和反裝兩種類型。當(dāng)閥芯向下移動(dòng)時(shí)，閥芯與閥座間流通面積減小，稱為正裝；反之則稱為反裝。調(diào)節(jié)閥的公稱尺寸DN和閥座直徑dN標(biāo)志著閥門的大小，對(duì)于公稱尺寸DN< 25mm的單導(dǎo)向閥芯，只能正裝不能反裝，因此氣開式必須采用反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
氣開式調(diào)節(jié)閥隨信號(hào)壓力的增大而流通面積也增大；而氣關(guān)式則相反，隨信號(hào)壓力增大而流通面積減小。
(2)直通式雙座調(diào)節(jié)閥如圖2-67所示為氣動(dòng)直通式雙閥座調(diào)節(jié)閥，由閥體、閥座、閥芯、導(dǎo)向套、閥蓋、閥桿、填料等零件組成，閥體內(nèi)有兩個(gè)閥芯和閥座、介質(zhì)從圖示閥體左側(cè)流入，通過(guò)閥座和閥芯后，由右側(cè)流出，它比同公稱尺寸的單座閥能流過(guò)更多的介質(zhì)，流通能力約提高20%- 25%，介質(zhì)作用在上下閥芯上的力可以互相抵消，所以不平街力小，允許壓差大。但因?yàn)樯?、下閥芯不容易保證同時(shí)密封，所以泄漏量大；另外，閥門的介質(zhì)流路較為復(fù)雜，在高壓差中使用時(shí)，對(duì)閥體的沖刷及汽蝕損壞較嚴(yán)重；不適用于高粘度介質(zhì)和含纖維介質(zhì)的調(diào)節(jié)。
雙閥座調(diào)節(jié)閥變正裝為反裝是很方便的，只要把閥芯倒裝，閥桿與閥芯的下端連接，上下閥座位置互換，并反裝之后，就可以改變安裝方式。
(3)套筒調(diào)節(jié)閥如圖2-68所示為氣動(dòng)直通套筒調(diào)節(jié)閥。它由閥體、套筒、閥塞、閥蓋、閥桿及填料等零件組成。套筒閥也稱籠式閥，是一種結(jié)構(gòu)特殊的調(diào)節(jié)閥。其閥體與二般直通式單座閥相似，但閥內(nèi)有一個(gè)圓形套筒。套筒四周有不同形狀的開口，根據(jù)流通能力大小的要求，套筒的窗口可以為多個(gè)、四個(gè)、兩個(gè)或一個(gè)。利用套筒導(dǎo)向，閥芯可以在套筒中上、下移動(dòng)，由于這種移動(dòng)改變了套筒的節(jié)流面積，形成了各種流量特性，并實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。
由于套筒調(diào)節(jié)閥采用平衡型的閥芯結(jié)構(gòu)，閥芯和套筒圓柱面導(dǎo)向，因此，不平衡力小，穩(wěn)定性好，不易振蕩，從而改善原有閥芯容易損壞的現(xiàn)象。 
圖2-69所示為角式套筒蒸汽調(diào)節(jié)閥，蒸汽壓力和流量都圖2-67氣動(dòng)直通式雙閥座調(diào)節(jié)閥
1-膜蓋2-膜片3-彈簧
4-推桿5-支架6-閥桿
7-閥蓋8-閥瓣
9-閥座IO-閿體
是由控制套筒內(nèi)的閥芯位置來(lái)決定，信號(hào)是從壓力控制回路到 圖2-68氣動(dòng)直通套筒調(diào)節(jié)閥閥門執(zhí)行器，使平衡閥芯行程增大或減小，從而增加或減小流通面積?？刂铺淄灿幸慌趴蛇_(dá)到所需流量特性的節(jié)流孔，當(dāng)閥芯從閥座上升起時(shí)，蒸汽就通過(guò)控制套筒上的節(jié)流孔，以向下的方向流向出口。調(diào)節(jié)閥的出口端設(shè)有降低噪聲的多孔罩，通過(guò)小孔，可降低噪聲。
這種調(diào)節(jié)閥允許壓差范圍大，當(dāng)改變套筒節(jié)流孔形狀時(shí)，就能得到所需的流量特性，如圖2一50
70所示。這種閥的閥座不用螺紋連接，維修方便，加工容易，通用性強(qiáng)。
(4)三通調(diào)節(jié)閥如圖2-71所示為三通調(diào)節(jié)閥，它由閥體、閥座、閥芯、閥桿、閥蓋及填料尊零件組成。閥體上有三個(gè)通道與管路連接，按其作用方式，三通調(diào)節(jié)閥可分為分流型（把
一種介質(zhì)分成兩路）、合流型（把兩路介質(zhì)混合成一路）。蒸汽進(jìn)口蒸汽出口
圖2-69角式套筒蒸汽調(diào)節(jié)閥l-背壓噴嘴2-閥座3-套筒4-閥蓋5-閥芯6-噴水進(jìn)口7-噴水區(qū)8-閥桿9-填料10-噴水閥座11-內(nèi)置小管圖2-70不同節(jié)流孔形狀的套筒閥套筒
a)快開b）線性c）等百分比圖2-71三通調(diào)節(jié)閥a)合流閥b）分流閥
控制閥在控制系統(tǒng)中的作用
(1) 控制閥的重要性
控制閥(Control valve) 用于調(diào)節(jié)流體流量。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 17213 《工業(yè)過(guò)程控制閥*部分控制閥術(shù)語(yǔ)和總則》的規(guī)定，應(yīng)稱為控制閥。但目前仍有一些文獻(xiàn)將它稱為調(diào)節(jié)閥(Adjusting valve)。從控制系統(tǒng)整體看，一個(gè)控制系統(tǒng)控制的好壞，都要通過(guò)控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂崎y的重要性表現(xiàn)如下。
1 控制閥是節(jié)流裝置，它是動(dòng)部件。與檢測(cè)元件和變送器、控制器比較，在控制過(guò)程中，控制閥需要不斷改變節(jié)流件的流通面積，使操縱變量變化，以適應(yīng)負(fù)荷變化或操作條件的改變。因此，對(duì)控制閥閥組件的密封、耐壓、腐蝕等提出更高要求。例如，密封會(huì)使控制閥摩擦力增加，控制閥死區(qū)加大，造成控制系統(tǒng)控制品質(zhì)變差等。
2 控制閥的閥內(nèi)件與過(guò)程介質(zhì)直接接觸?？刂崎y和檢測(cè)元件與過(guò)程介質(zhì)接觸的不同點(diǎn)如下。
a.接觸介質(zhì)不同。對(duì)控制閥的耐腐蝕性、強(qiáng)度和剛度、材料等有更高要求。a
b.檢測(cè)元件與過(guò)程介質(zhì)可采用隔離液等方法隔離，控制閥通常與過(guò)程介質(zhì)直接接觸，
很難采用隔離的方法與過(guò)程介質(zhì)隔離。
3 控制閥的活動(dòng)部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因，它不僅造成資源
或物料的浪費(fèi)，也污染環(huán)境，引發(fā)事故。
4 控制閥是通過(guò)閥內(nèi)件的節(jié)流改變流體流阻實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，因此，是耗能元件。為此，降低能耗，降低控制閥的壓力損失，和較好地控制品質(zhì)之間要合理選擇和兼顧。
5 控制閥對(duì)流體進(jìn)行節(jié)流的同時(shí)，也造成噪聲。例如，當(dāng)閥出口壓力低于液體的蒸汽壓力時(shí)，造成閃蒸; 當(dāng)閥下游壓力高于液體燕汽壓力時(shí)，造成汽蝕?？刂崎y造成的噪聲和控制閥流路的設(shè)計(jì)、操作壓力、被控介質(zhì)特性等有關(guān)，因此，降低噪聲，降低壓力損失等對(duì)控制閥的應(yīng)用提出更高要求。
6 控制閥的適應(yīng)性強(qiáng)。它被安裝在各種不同的生產(chǎn)過(guò)程，生產(chǎn)過(guò)程的低溫、高溫、高壓大流量、微小流量等操作條件需要控制閥具有各種不同的功能，控制閥應(yīng)能適應(yīng)不同應(yīng)
用的要求。
7 檢測(cè)元件和變送器、控制器等發(fā)展快，投人的人力和物力多。相對(duì)來(lái)看，通常認(rèn)為控制閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此，對(duì)控制閥投人研究和開發(fā)的人力和物力相對(duì)不足。 
(2) 控制閥在控制系統(tǒng)中的作用
控制閥在控制系統(tǒng)中的作用如下。
1 控制閥用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中流體的流量，從面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程中有關(guān)工藝變量的作用。與手動(dòng)閥門不同，控制閥可自動(dòng)調(diào)節(jié)，不需要人工操縱，因此，可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。
2 控制閥能夠在供給它的能源或信號(hào)中斷時(shí)及時(shí)回復(fù)到安全狀態(tài)，避免事故發(fā)生。通過(guò)控制閥故障關(guān)(FC) 或故障開(FO) 或故障保持(FR) 等選擇，使控制閥關(guān)閉。打開或保持故障時(shí)開度，防止事故的發(fā)生或蔓延。
3 控制閥可補(bǔ)償被控對(duì)象的非線性特性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是系統(tǒng)的開環(huán)增益在運(yùn)行過(guò)程中保持恒定。對(duì)被控對(duì)象具有非線性特性的生產(chǎn)過(guò)程，例如，溫度控制等具有飽和非線性特性的生產(chǎn)過(guò)程，可通過(guò)選擇控制閥的流量特性，補(bǔ)償被控對(duì)象的非線性，使生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定運(yùn)行。
- (5)角式調(diào)節(jié)閥如圖2-72所示為單閥座角式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)。它由閥體、閥座、閥芯、導(dǎo)向套、閥蓋、彈簧、閥桿和填料等零件組成。圖2-73為角式套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)。它由背壓噴嘴、噴水進(jìn)口、籠式消聲器、閥座、套筒、閥芯、閥蓋及閥桿等零件組成。角式套筒調(diào)節(jié)閥常用于電站的減溫減壓系統(tǒng)中，其工作流程為：閥芯6的中心設(shè)有一通水管，連接閥蓋7的供水腔至閥座4小面的出水區(qū)。此水管的上部設(shè)有多個(gè)節(jié)流孔，節(jié)流孔的尺寸及編排方法均經(jīng)道嚴(yán)格的計(jì)算，噴水經(jīng)過(guò)節(jié)流孔和水管直接流向閥體的出口，水管從閥芯6底部延伸至閥座外的縮流面處。噴水點(diǎn)是在蒸汽流速zui大及產(chǎn)生湍流的區(qū)域，以達(dá)到水珠能很快及均勻分散在整個(gè)流路中。因此，在閥的下游壓力恢復(fù)時(shí)，水立即汽化而達(dá)到了所需的降溫控制。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥
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