上海滬工閥門廠（集團(tuán)）有限公司
摘要：介紹了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥選擇的幾個(gè)因素。根據(jù)化工生產(chǎn)的工藝條件，選擇合適的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)和類型；根據(jù)工藝對(duì)象，選擇合適的流量特性；根據(jù)工藝參數(shù)，計(jì)算流量系數(shù)，選擇調(diào)節(jié)閥的口徑；根據(jù)工藝要求，選擇材料和輔助裝置。
關(guān)健詞：控制回路；氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥；選擇
現(xiàn)代化工企業(yè)，自動(dòng)化水平較高，在過程控制中，執(zhí)行器的控制品質(zhì)與生產(chǎn)工況的穩(wěn)定有著密切的聯(lián)系，所以對(duì)執(zhí)行器的選擇顯得格外重要，對(duì)于安全防爆要求比較高的化工企業(yè)，絕大多數(shù)執(zhí)行器采用的是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選擇一般要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：
（1）根據(jù)工藝條件，選擇合適的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)和類型。
（2）根據(jù)工藝對(duì)象，選擇合適的流量特性。
（3）根據(jù)工藝參數(shù)，計(jì)算流量系數(shù)，選擇閥的口徑。
（4）根據(jù)工藝要求，選擇材料和輔助裝置。
下面針對(duì)以上 4 點(diǎn)加以論述。
1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和類型
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥兩部分組成的，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是接收輸入的氣源信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的推力，使推桿發(fā)生位移，推動(dòng)閥門動(dòng)作；而閥是指與管路聯(lián)接的閥體組件部分，它接受執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推桿推力，改變閥桿位移，從而改變閥門開度，最終控制流體流量的變化。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥按其行程可分為直行程和角行程兩種，按其結(jié)構(gòu)類型分直通單座閥、直通雙座閥、高壓閥、角形閥、套筒閥、隔膜閥、蝶閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥等。
其中直通閥比較常見，單座閥泄漏量較小，但閥前后壓差不能太大，而雙座閥正好與之相反。高壓閥適合于高靜壓和高壓差的介質(zhì)測(cè)量，但在高壓差情況下，流體對(duì)材料沖刷和氣蝕嚴(yán)重，一般要考慮閥芯和閥座的材質(zhì)，以提高其使用壽命。在高壓差、高黏度、含懸浮物和顆粒狀物質(zhì)流體的控制中可選用角形閥。隔膜閥更適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的控制。蝶閥適用于大流量、低壓差的氣體介質(zhì)。套筒閥采用平衡型閥芯結(jié)構(gòu)，具有低噪聲的特點(diǎn)，是應(yīng)用較為廣泛的閥之一。
氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥有氣開與氣關(guān)兩種類型。確定調(diào)節(jié)閥開關(guān)方式的原則是：當(dāng)信號(hào)壓力中斷時(shí)，應(yīng)保證工藝設(shè)備和生產(chǎn)的安全。如果閥門在信號(hào)中斷后處于打開位置，流體不中斷最安全，則選用氣關(guān)閥；如果閥門在信號(hào)壓力中斷后處于關(guān)閉位置，流體不通過最安全，則選用氣開閥。如加熱爐的燃料氣或燃料油管路上的調(diào)節(jié)閥，應(yīng)選用氣開閥，當(dāng)信號(hào)中斷后，閥自動(dòng)關(guān)閉，燃料被切斷，以免爐溫過高而發(fā)生事故；鍋爐進(jìn)水管路上的調(diào)節(jié)閥，應(yīng)選用氣關(guān)閥，當(dāng)信號(hào)中斷后，閥自動(dòng)打開，仍然向鍋爐內(nèi)送水，可以避免鍋爐燒干。
2 調(diào)節(jié)閥的流量特性
調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過閥的相對(duì)流量 Q 與閥芯相對(duì)行程（閥門的相對(duì)開度）之間的函數(shù)關(guān)系：
Q=f(L)
當(dāng)調(diào)節(jié)閥兩端壓差 △P 保持不變時(shí)，閥的流量特性稱為固有流量特性。固有流量特性主要有直線、等百分比（對(duì)數(shù)）、拋物線和快開等 4 種類型，如圖 1 所示。
圖 1 閥的固有流量特性
在生產(chǎn)中閥的固有流量特性有直線、等百分比和快開 3 種。拋物線特性介于直線和等百比之間，一般用等百特性來代替。快開特性主要用于二位式控制。
在一般情況下，閥兩端壓差不可能永遠(yuǎn)保持不變，這時(shí)閥的固有流量特性就會(huì)發(fā)生畸變，閥在實(shí)際工作條件下的特性稱之為工作流量特性。這時(shí)在確定流量特性時(shí)要引人一個(gè)稱為閥阻比的系數(shù) S。
S=△P/Σ△P
Σ△P 為系統(tǒng)總壓差，是閥、全部工藝設(shè)備和管路系統(tǒng)上的各壓差之和。
從以下 3 個(gè)方面內(nèi)容對(duì)閥的工作流量特性進(jìn)行分析：
（1）從控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量方面分析對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，它是由控制對(duì)象、變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥幾個(gè)基本環(huán)節(jié)組成的，系統(tǒng)的總放大系數(shù) K=K1K2K3K4K5。
K1~K5 分別表示變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥、控制對(duì)象的放大系數(shù)。在負(fù)荷變動(dòng)的情況下，要使控制系統(tǒng)能保持預(yù)定的控制指標(biāo)，希望總放大系數(shù)在控制系統(tǒng)的整個(gè)操作范圍內(nèi)保持不變。一般來說，在一個(gè)確定的系統(tǒng)里，K1~K3 的系數(shù)是固定不變的，只有對(duì)象的放大系數(shù) K5 隨負(fù)荷的變化而變化，為此選擇適當(dāng)?shù)牧髁刻匦詠硌a(bǔ)償對(duì)象特性的變化，保證 K4K5 的乘積是個(gè)常數(shù)就保證了系統(tǒng)的總放大系數(shù) K 是個(gè)穩(wěn)定值。
（2）從工藝配管情況分析調(diào)節(jié)閥總是與管道、設(shè)備連在一起使用的，管道阻力的存在必然會(huì)使閥的工作特性與固有特性不同。所以，應(yīng)根據(jù)對(duì)象的特性，選擇合適的工作特性，再根據(jù)配管情況選擇相應(yīng)閥的固有流量特性。考慮工藝配管情況時(shí)，可參照表 1 來選擇閥的固有特性。
| 配管狀況 | S=1~0.6 | S=0.6~0.3 | S＜0.3 |
|---|---|---|---|
| 閥的工作特性 | 直線 等百分比 | 直線 等百分比 | 不宜控制 |
| 閥的固有特性 | 直線 等百分比 | 等百分比 等百分比 | 不宜控制 |
從表 1 上看，當(dāng) S=1~0.6 時(shí)，所選固有流量特性和工作流量特性一致。當(dāng) S ＜ 0.3 時(shí)，特性曲線畸變嚴(yán)重不宜控制。
（3）從負(fù)荷變化情況分析直線特性調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)流量相對(duì)變化量大，過于靈敏，容易引起振蕩，閥芯閥座易損壞，故在 S 值小、負(fù)荷變化幅度大的場(chǎng)合不宜采用。等百分比閥的放大系數(shù)隨閥門行程增大而增大，流量相對(duì)變化量恒定不變。
3 調(diào)節(jié)閥的口徑
調(diào)節(jié)閥口徑的確定是在計(jì)算閥流量系數(shù) CV 的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。流量系數(shù)的定義是指在閥門全開條件下，閥兩端壓差 △P 為 100kPa，流體密度 ρ=1g/cm3 時(shí)，通過閥的流體體積流量為 Q(m3/h)，其節(jié)流公式為：
C 是一個(gè)比例系數(shù)，它與流量系數(shù)的關(guān)系是 m 倍，即 CV=mC。當(dāng)流量特性為直線型時(shí) m=1.63，當(dāng)流量特性為等百分比型時(shí) m=1.97。式（1）是當(dāng)測(cè)量介質(zhì)為液體時(shí)的計(jì)算方法，當(dāng)測(cè)量介質(zhì)為氣體時(shí)應(yīng)考慮溫度和壓力對(duì)介質(zhì)體積的影響，其 C 值的計(jì)算分 2 種情況：當(dāng)閥前后壓差 △P ＜ 0.5 倍的閥前壓力 P1，即 △P ＜ 0.5P1 時(shí)：
式（2）中 P2 為閥后壓力。
△P ≥ 0.5P1 時(shí)：
另外，當(dāng)介質(zhì)為過熱蒸汽時(shí)，計(jì)算 C 值要考慮蒸汽的過熱度。確定完 CV 值以后，要對(duì)調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行驗(yàn)算，要求最大流量時(shí)閥開度 ≯ 90%，最小流量時(shí)開度 ≮ 10%。在正常工況下，閥門開度應(yīng)在 15%~85% 之間。最后根據(jù) CV 值確定調(diào)節(jié)閥口徑。
4 調(diào)節(jié)閥的材料和輔助裝置
調(diào)節(jié)閥的閥體一般選用鑄鐵材質(zhì)，其耐壓等級(jí)、使用溫度范圍、耐腐蝕等方面應(yīng)不低于對(duì)工藝管道的要求，但在介質(zhì)為易燃易爆的流體時(shí)應(yīng)作特殊考慮。閥芯、閥座材質(zhì)的選用應(yīng)考慮到流體中是否有固體顆粒產(chǎn)生的磨損和氣蝕作用對(duì)閥內(nèi)件的沖擊。一般對(duì)于非腐蝕性流體，常選用不銹鋼；對(duì)于腐蝕性較強(qiáng)的流體，可選用哈氏合金；對(duì)于沖擊、振動(dòng)、磨損嚴(yán)重的流體，可選用堆焊硬質(zhì)合金或噴涂材質(zhì)。另外當(dāng)操作介質(zhì)溫度 ＞ 200℃ 時(shí)，要選擇帶散熱片的上閥蓋。
調(diào)節(jié)閥的輔助裝置主要有閥門定位器、電磁閥、回訊開關(guān)、過濾減壓器、保位閥等。閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的一個(gè)重要附件，常見的有氣動(dòng)閥門定位器和電氣閥門定位器 2 種。它主要用于：
- 高壓差的場(chǎng)合；
- 高壓、高溫或低溫介質(zhì)的場(chǎng)合；
- 介質(zhì)中含有固體懸浮物或黏性流體的場(chǎng)合；
- 調(diào)節(jié)閥口徑較大的場(chǎng)合；
- 實(shí)現(xiàn)分程控制；
- 改善調(diào)節(jié)閥的流量特性。
電磁閥的作用是快速地切斷和接通氣源，使閥處于完全通、斷的位置，多用于安全放空閥。回訊開關(guān)是需要在控制室實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到閥位的信號(hào)才選用的。保位閥的選擇是根據(jù)工藝狀況，當(dāng)氣源切斷時(shí)，閥位要求保持在一定的位置上，但這種情況不多見。
5 結(jié)語
調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，若選擇計(jì)算不準(zhǔn)確，使用維護(hù)不得當(dāng)，將直接影響控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，甚至造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。為此，對(duì)調(diào)節(jié)閥的正確選用、安裝和維修等各項(xiàng)工作都必須高度重視。
隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的要求越來越高，這些要求包括：新結(jié)構(gòu)、新材料、高性能、與計(jì)算機(jī)通訊以及優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能等。因此，對(duì)新型調(diào)節(jié)閥的研究和學(xué)習(xí)是一項(xiàng)艱巨而重要的任務(wù)。