【知识点】控制阀的基本构成、控制阀在系统中的作用

控制阀的基本构成：

执行机构产生推力力矩→调节阀芯位移→改变流通面积→流量改变→又称调节阀。

控制阀在系统中的作用：

控制阀基本分类：

阀体类型：

执行机构：

控制阀的驱动装置：

按能源供应分为：气动，电动，电液。

气动薄膜执行机构：

气动活塞执行机构：

电动执行机构：

电动执行机构：以电为能源的执行器，有电动控制，电磁式。（见南社百科发布的电子调节阀相关课件）。

按位移分为：直行程、角行程、多转式。

具有动作迅速、响应快、电源取用方便、传输距离远等特点。

液动（电液）执行机构：

液动、电液或气液执行机构：主要用于需要大推力、大力矩、快速响应、安全可靠装置和阀门的配套上。

由于控制上的需要，电液执行机构使用更为广泛。

附件：

控制阀还可配用各种附件来实现产品本身多种控制功能；

附件能满足控制系统对阀门提出的各种特殊要求；

附件的作用就在于使控制阀的功能更完善更合理,更齐全。

定位器：

阀门定位器：用于改善控制阀调节性能，实现正确定位。气气阀门定位器；电气阀门定位器；智能阀门定位器。

定位器工作原理：

空气过滤减压器：净化气源，具有自动稳压功能。

手轮机构：当气源或电源信号故障时或执行机构零件损坏时可用手轮继续人工操作控制阀的功能。

还有阀位变送器、电磁阀、限位开关、保位阀、气动放大器，储气罐等。

调节阀特性：

1、流量系数

流量系数Cv：温度为60°F的水，在1PSI压降下每分钟流过调节阀的美国加仑数。

流量系数Kv：温度为5℃－40℃的水，在１00ＫPa压降下，一小时内流过调节阀的立平方米数。

Cv为英制单位的流量系数(美加仑/min)。(美加仑=3.785升)

Kv为国际单位的流量系数(m3/h)。

数值关系为Kv＝0.，Cv=1.167Kv。

Kv或Cv代表阀门的流通能力，他和阀门形式，阀门尺寸，阀座尺寸，阀门行程有关。

KV值的计算：

注：调节阀都会在铭牌上标KV值(阀全开时的额定流量系数)。

2、可调比

控制阀所能控制的最大流量与最小流量之比：

Ｒ＝Ｑmax／Ｑmin

它反映控制阀的调节流量的能力。

一般直通阀R在30-50。旋转阀能达到300。

3、调节阀的流量特性-调节品质

定义：流体通过控制阀的相对流量和相对行程的函数关系：Q/Qmax=f(L/Lmax)

线性流量特性和等百分比流量特性对比：

举例：某一调节阀开度变化量10%的流量变化

线性：22.67-13/13=74.4% 90.33-80.67/80.67=12%

等百分比：6.58-4.68/4.68=40.6% 71.17-50.65/50.65=40.6%

线性流量特性在开度小时，流量变化大，灵敏度高，阀来回工作，会造成阀芯受到冲刷严重，同时产生阀门振荡。

当开度大时阀，流量发生较小的变化，灵敏度低，失去调节作用。

等百分比调节特性就改善了这些方面。

阀芯和流量特性：

不同的阀芯形状决定不同的流量特性。

套筒阀、柱塞阀、v形开口阀，可修改阀芯形状改变流量特性。

4.泄漏量：

当阀门在规定的关闭推力下处于全关的位置，在规定的压差和温度下流体流过阀门的数量测得。

泄漏量通常可以用在额定行程下的流通能力的百分数来表示，或者用在规定时间内流过的累积量表示。

一般用泄露等级表示：

Ⅰ：用户与厂商协议

Ⅱ：0.5%*Kv

Ⅲ：0.1%*Kv

Ⅳ：0.01%*Kv

Ⅴ：3*10-4ml/min

Ⅵ：气泡级，软密封

注意：泄漏量和最小流量的区别。

5.正作用，反作用

整个控制阀，气开，气关（故障开、故障关）。

选阀需要知道的参数：

调节阀的选型需要包括机械，电气，工艺等多方面的知识。尽可能地提供给我们详细的工艺参数，有助于我们帮您选择性价比最高，控制最准确的阀门。以下是调节阀选型所需要的工艺参数。

管道的材质、尺寸和规格。

工艺介质名称：中英文。

介质特性：状态，密度，黏度，浓度，是否含有颗粒？是否有腐蚀性等？

最高，正常，最低工作温度；

最大，正常，最小流量；

最大，正常，最小入口压力；

最大，正常，最小出口压力（或压差）；

最大允许关闭压差；

失气时调节阀的状态要求：如故障开关；

仪表控制信号；

连接方式：法兰，螺纹或焊接。

调节阀的选型：

调节阀的选型步骤：

计算Kv值、通径、阀门尺寸；

确定流量特性；

确定公称压力和材质；

确定控制阀类型；

根据需要选择阀门附件。

1、计算Kv值、通径

*所选阀门口径不能小于管道尺寸的一半。

开度的验算：通常希望控制阀在开度20％－80％工作。

以上计算一般由调节阀的计算软件程序来完成。

2、确定控制阀的流量特性

目的：满足控制系统稳定运行。

流量特性的选择由于计算复杂，多采用经验准则。

选用直线性流量特性阀的场合一般为：① 差压变化小，几乎恒定；② 工艺系统主要参数的变化呈线性；③ 系统压力损失大部分分配在调节阀上（改变开度，阀上差压变化相对较小）；④ 外部干扰小，给定值变化小，可调范围要求小的场合。

优先选用等百分比特性阀的场合为：① 实际可调范围大；② 开度变化，阀上差压变化相对较大；③ 管道系统压力损失大；④ 工艺系统负荷大幅度波动；⑤ 调节阀经常在小开度下运行。

3、确定阀门的公称压力和材料

调节阀材料选择：

1）承受压力的部件如：阀体、上阀盖、下法兰、连接件；有铸铁、碳钢、不锈钢、合金钢等。

2）阀内件材料：阀芯、阀座、套筒。

不锈钢、合金钢、根据需要的堆焊司太莱合金等；

3）执行机构的材料：膜片材质，气缸，弹簧等；主要调节阀制造厂商选择。

4、控制阀类型的确定

阀体（单座、套筒）；阀盖（介质的温度）；

填料、填料结构（蒸汽、过热蒸汽、天然气、导热油、有毒有害介质）。

执行机构：

输出力（矩）（最大关闭压差、摩擦力）；

气动、电动、电液（价格、可靠性、防爆）；

作用方式（故障开、故障关）。

5、附件（工艺要求）

选阀的经验参数

如果不提供最大允许关闭压差，按照阀门入口最大压力来做为最大允许关闭压差值。

直通阀门标准的的流量特性为等百分比。三通阀的标准流量特性为线性。

电动阀在失电状态下保持在失电前的位置。如有特殊要求，请说明。

高粘度的流体必须提供其粘度，否则影响阀门流量系数的计算。

选阀的重要性：

如何选择好调节阀，尤其是阀门口径和执行机构的推力。使调节阀在一个高水平状态下运行将是一个很关键的问题。

选型不准确，容易引起系统的不稳定，调节性能差，寿命短。

(1)正确选型—系统设计人员（准确的技术参数，工艺图，同厂家充分沟通）；

(2)产品质量—生产厂（使用好的材料，加工技术）；

(3)正确安装、使用、维护—用户。

气动调节阀：

气动调节阀主要由气动执行机构、阀体、附件三部分组成。执行机构以洁净压缩空气为动力，接收4~20毫安电信号或20~气信号，驱动阀体运动不锈钢减压阀，改变阀芯与阀座间的流通面积，从而达到调节流量的作用。为了改善阀门的线性度，克服阀杆的摩擦力和被调介质工况（温度、压力）变化引起的影响，使用阀门定位器与调节阀配套，从而使阀门位置能按调节信号精确定位。

为了机组安全运行，一些重要的阀门设计有电磁阀、保位阀、快速泄压阀等附件，确保调节阀在失电、失信号或失气情况下实现快开（关）或保位功能（三断自锁保护功能），满足工艺系统安全运行的要求。

气动执行机构分类：

按功能：两位式，调节式；

按气缸结构：薄膜式，活塞式；

按阀杆移动方式：直行程，角行程；

按阀杆移动方向：正作用，反作用；

按作用方式：单作用，双作用；

按气动失效模式分：失气开－气关，失气关－气开。

控制阀的三断保护：

控制阀的三断保护指：断气源保护、断电源保护、断信号源保护。是满足工艺系统安全运行的重要保障。与电磁阀、保位阀、快速泄压阀等附件组合使用。

控制阀应用示意图（如下图）：

执行机构主要组成部件：

隔膜或活塞：隔膜/活塞是执行机构的承压部件，它的作用是在执行机构内部构成一个密闭的压力腔室，给阀杆一个驱动力，从而驱动阀杆能向上或者向下运动。

弹簧：弹簧是执行机构重要的组成部分。弹簧力是阀门的驱动力，在失去压缩空气时，是靠弹簧力来开/关阀门的。在通入压缩空气时，气压压缩或拉伸弹簧，克服弹簧力来开/关阀门。（见下动图）

手轮 ：手轮机构是与调节阀配套使用的附属装置。

气动杆，连轴器。

阀体主要组成部件有：阀笼；阀瓣；阀座（密封环）；

阀杆；阀笼压环。

主要附件：

电磁阀－根据系统逻辑保护关系控制阀门动作；

减压阀－保证供气气压；

过滤器－净化来自空气压缩机的气源；

电流/气压转换器（I/P）－使控制点的电信号适用于气动执行机构；

定位器－改善调节阀的静态和动态特性；

流量放大器－增大进入阀门隔膜气腔的气流量。

气动保位阀－保证重要阀门在气源突然中断时能够实现对调节阀行程的自锁；

快速泄压阀－使阀门在失气后快速回到安全位置；

限位开关－显示阀门到达全开全关状态。

阀门定位器

是气动调节阀的核心部件，起阀门定位作用。它将阀杆位移信号作为反馈测量信号,以DCS或控制器输出作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，定位器输出控制信号到执行机构，驱使执行机构动作，建立阀杆位移与控制器输出信号之间的一一对应关系。因此，阀门定位器是以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。

定位器按其结构形式和工作原理可以分成气定位器、电－气阀门定位器和智能式阀门定位器。

定位器的输入信号是标准气信号，例如，20~气信号，其输出信号也是标准的气信号。电气阀门定位器的输入信号是标准电流或电压信号，例如， 4~20mA电流。（见下动图）

信号或1~5V电压信号等，在电气阀门定位器内部将电信号转换为电磁力，然后输出气信号驱动控制阀。智能电气阀门定位器带CPU，可处理有关智能运算，它将DCS输出的电流信号转换成驱动调节阀的气信号，根据调节阀工作时阀杆摩擦力，抵消介质压力波动而产生的不平衡力，使阀门开度对应于DCS输出的电流信号。并且可以进行智能组态设置相应的参数，达到改善控制阀性能的目的。

定位器工作原理如下：

以薄膜式执行机构配套使用的定位器为例简述气定位器工作原理(如下图)：

气定位器是按力平衡原理工作的。当进入波纹管的信号压力增加时，杠杆2绕支点转动，使杠杆末端挡板靠近喷嘴,使喷嘴节流、背压,这样使得工作气源经气动放大器后进入执行机构薄膜压力增加，推动连杆并带动平板一起向下移动，也使得摆杆向下压，偏心凸轮随之逆时针转动，推动滚轮使杠杆1向左运动，将反馈弹簧拉伸，当弹簧对杠杆2的拉力和信号压力作用在波纹管上的力达到平衡时，执行机构达到平衡，此时一定的信号压力就对应一定的阀门位置。（见上图）

电-气式定位器：是在气定位器的基础上将电气转换元件集成到定位器上，将电信号转换为电磁力，然后输出气信号驱动控制阀，方便了控制。与气动定位器相比，用户只需要给标准的信号即可（一般是4~20mA电流信号）。

目前智能型阀门定位器在电厂中应用最为广泛，相对于机械式定位器，智能型定位器结构简单、操作方便、维护量小、调校迅速，在调节时间上不存在滞后，调节精确等优点。主要生产厂家有ABB、西门子、、梅索尼兰等。

快速泄压阀：

工作原理：当信号气压正常供气的时候,泄压側被膜片紧紧盖住，气压能源源不断地通向气动头;当信号气压为零时，气动头内的气压反向顶开隔膜由多孔出口快速泄掉。使阀门在失气后快速回到安全位置（见下图）。

减压阀：

减压阀工作原理：压缩空气由输入端进入压力室，经过滤网过滤后通过阀芯进入输出腔室。输出腔室有一小孔与弹簧腔室相连，使输出气压直接作用于弹簧膜片上，当输出气压大于膜片上弹簧压力时，膜片向上移动，带动阀芯向上移动，输入气源被阀芯隔断，输出腔室内的压缩空气通过膜片和阀芯顶部之间间隙进入排空腔室由放气孔排出，使输出压力减小。当输出气压小于膜片上弹簧压力时，膜片向下移动，输入气源通过阀芯和阀座之间间隙进入输出腔室，使输出腔室内的压力上升。只有当输出压力与弹簧压力一致时，阀芯和阀座间隙固定，输出压力稳定。因此只要调整减压阀顶部的调节螺丝，就控制输出压力。（见下图）

气动放大器：

工作原理：定位器输出信号气压从上部进入放大器，压迫上膜片A产生向下推力F1，推动金属架C 向下移动，迫使阀芯向下移，使输出气压发生改变，输出气压作用于下膜片B产生向上推力F2，因为上下膜片相等，所以在金属架C达到平衡时P1=P2。因此，定位器通过放大器输出到阀门执行机构的空气流量增加，而压力不变。当P1减小，P2>P1时，金属架向上移动与阀塞之间产生间隙，气室B中空气从排气口排出；随后阀塞在回座弹簧的作用下向上移动，减小与气流室接触面之间的间隙，进气减少，气室B中压力减小，直到P2=P1时达到平衡。

气动保位阀：气动保位阀是阀位保护装置。当阀门气源中断，或气源供给发生故障时不锈钢减压阀，气动保位阀能够自动切断调节器与调节阀气室，或定位器输出与调节阀气室之间的通道，使调节阀的阀位保持原来的控制位置，避免调节阀因失气导致阀门开度突变对自动调节系统产生的扰动，保证调节回路中工艺参数不变。这样介质的被调作用不中断，故障消除后，气动保位阀立刻恢复正常位置。

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