控制閥選型應(yīng)用

葉敏

摘 要 針對(duì)控制閥在現(xiàn)代工業(yè)自控系統(tǒng)中的重要作用，根據(jù)工藝要求正確地選擇閥門類型，執(zhí)行器以及控制附件，對(duì)實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率起著重要作用。

關(guān)鍵詞 控制閥;選型;閥型;執(zhí)行器及附件

1概述

在現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的終端控制元件就是控制閥，其有效控制生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)，來達(dá)到對(duì)流體壓力，溫度，流量及液位的調(diào)節(jié)，是工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的“手腳”，被廣泛應(yīng)用于石油化工，電力，冶金，市政以及制藥，飲料等行業(yè)。

現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)過程控制效果的好壞，控制閥工作壽命的長(zhǎng)短，主要取決于控制閥選型是否合理。合理的選型才能保證控制回路中工藝參數(shù)不超出要求的工作范圍，保證終端產(chǎn)品的質(zhì)量。另外合理選型不但可以優(yōu)化控制，提高生產(chǎn)效率，還可延長(zhǎng)閥門的使用周期，降低維護(hù)費(fèi)用及生產(chǎn)成本。

控制閥主要由閥門，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及各種控制附件組成。在選型中，既要選擇適合工況和流量特性要求的閥門類型，同時(shí)要選擇保證閥門安全穩(wěn)定運(yùn)行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制附件。

2閥型的選擇

控制閥類型主要有直行程和角行程類型，不能籠統(tǒng)斷定哪一種類型控制閥是最好的，其實(shí)制造商一直都在生產(chǎn)不同類型的控制閥，以對(duì)應(yīng)不同的工況。

直行程閥通過上下行程推力實(shí)現(xiàn)閥門開閉及流量范圍的控制。直行程控制閥是各種控制閥類型中相當(dāng)成熟的一種，它能提供最大范圍的應(yīng)用;同時(shí)在閥門的緊固性、密封性和閥座密封規(guī)則上有很大優(yōu)勢(shì)。典型類型有單座閥，雙座閥，籠式閥，三通閥，隔膜閥。單座閥是最常見的閥體類型，能夠處理大部分工況要求。其結(jié)簡(jiǎn)單，通常被應(yīng)用于要求嚴(yán)密關(guān)閉的場(chǎng)合。可選用金屬對(duì)金屬閥座表面，或者金屬對(duì)PTFE或復(fù)核材料組成的軟閥座。單座閥可適用于高溫高壓的工況，小規(guī)格可應(yīng)用于高壓差工況，其配備多系列閥芯，CV值和固有流量特性可通過更換不同的閥芯得到改變，不同閥芯形狀具有不同流量特性。可在不增加管道變徑的需求下，滿足流量調(diào)節(jié)要求。單座閥其流體介質(zhì)通常把負(fù)載加在閥座的整個(gè)區(qū)域，選擇執(zhí)行器時(shí)需要考慮不平衡力，所以需配推力較大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常以小口徑為主。雙座閥采用兩個(gè)閥芯和兩個(gè)閥座，因?yàn)榱黧w趨向于打開一個(gè)閥座，并同時(shí)關(guān)閉另一個(gè)閥座，閥芯上的動(dòng)作力趨于平衡，相比單座閥，其所需的執(zhí)行器更小，而且流通能力更大，口徑更大。籠式閥由閥芯和閥籠組成閥內(nèi)件，可減少不平衡力，穩(wěn)定性好，可降低噪音和抵抗氣蝕影響。但價(jià)格比單座閥，雙座閥貴，泄漏量大，不適合有顆粒或者較臟污的工況[1]。

在遇到具有腐蝕介質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)，還可以選擇襯塑類型隔膜閥，但其流量特性近似快開，調(diào)節(jié)品質(zhì)較差。所以針對(duì)腐蝕介質(zhì)，可選擇特材的單座閥，既可以抗腐蝕，又滿足調(diào)節(jié)性能需求。

大多數(shù)直通閥采用頂裝式，這樣就可以在線更換閥門內(nèi)件，不用拆卸管道法蘭。直行程控制閥是最通用的類型，但是價(jià)格也較貴，特別是大口徑的。在相同口徑下，角行程控制閥相比直行程控制閥具有更大流通能力，在眾多產(chǎn)業(yè)的公用工程水單元大量使用。角行程控制閥通過閥芯0-90度旋轉(zhuǎn)力運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥門開閉及流量控制，如球閥，蝶閥，偏心旋轉(zhuǎn)閥。

球閥根據(jù)球形特點(diǎn)，主要分為O形球和V形球。O形球?yàn)橥ǖ罒o阻力，常用于大流量場(chǎng)合。V形球具有近似等百分比流量特性，且可調(diào)比大。“V”形球芯與閥座的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可產(chǎn)生剪切作用，所以更適用于沖蝕性、高黏度、懸浮流、含纖維介質(zhì)的調(diào)節(jié)和切斷。球閥具有直流通道，其流通能力約為同口徑直行程閥的兩倍。但球閥通常沒有多種閥內(nèi)件可選擇，也不可能通過更換球芯來改變固有流量特性。

蝶閥是用于流體控制中最普通的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥，適用于低壓、中壓，及大流量的場(chǎng)合。其體積小、重量輕，比相同口徑的球閥輕幾倍，價(jià)格也更便宜，所以特別適用于大口徑的場(chǎng)合。一般當(dāng) DN>300mm時(shí)，會(huì)更多考慮用蝶閥來完成。蝶閥根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為中線和偏心蝶閥，中線蝶閥更多采用軟密封形式，使用用工況一般的場(chǎng)合，溫度及壓力范圍有限。偏心蝶閥開啟時(shí)，閥板偏心結(jié)構(gòu)會(huì)把閥板更快拉離密封，從而把密封磨損減少到最小，適用于開關(guān)頻率較高場(chǎng)合。另外偏心蝶閥其閥座密封采用先進(jìn)的金屬密封結(jié)構(gòu)，可適用的介質(zhì)溫度及壓力范圍更寬。如三偏心蝶閥，使用金屬硬閥座夾帶石墨和彈簧組合，在增加強(qiáng)度的同時(shí)可以最大限度增加自適應(yīng)調(diào)節(jié)密封的特點(diǎn)。

偏心旋轉(zhuǎn)閥綜合了球閥和蝶閥的長(zhǎng)處，流路簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)性能好，適用于有結(jié)晶，顆粒，臟污介質(zhì)場(chǎng)合。閥體體積小，重量輕，閥座密封可靠。開啟時(shí)摩擦小，延長(zhǎng)閥座壽命。在流開、流閉和高壓差下都能穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

3執(zhí)行器及附件的選擇

驅(qū)動(dòng)控制閥動(dòng)作的執(zhí)行器，主要有氣動(dòng)，電動(dòng)，或者電液裝置。在有供氣站條件下，可選擇氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，更清潔環(huán)保，如果沒有供氣條件，選擇電動(dòng)執(zhí)行器更便利。

氣動(dòng)操作的控制閥執(zhí)行器是使用普遍的一種執(zhí)行器，尤其適用于口徑規(guī)格不大的閥門。氣動(dòng)執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，價(jià)格低廉，清潔環(huán)保等特點(diǎn)。薄膜式執(zhí)行器有單彈簧和多彈簧結(jié)構(gòu)，可適用于直行程和角行程閥門。氣動(dòng)活塞式之器，分為單作用帶彈簧結(jié)構(gòu)和雙作用不帶彈簧結(jié)構(gòu)。氣動(dòng)執(zhí)行器的輸出力與可提供的供氣壓力有關(guān)。氣動(dòng)控制閥配置定位器，閥位變送器，空氣過濾減壓閥，手動(dòng)操縱器，電磁閥，保位閥，氣動(dòng)放大器以及限位開關(guān)等附件，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)需求。

定位器是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的核心部件，對(duì)閥門起定位作用。它將閥桿位移信號(hào)作為反饋測(cè)量信號(hào)，以DCS或控制器輸出作為設(shè)定信號(hào)，進(jìn)行比較，當(dāng)兩者有偏差時(shí)，定位器輸出控制信號(hào)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，建立閥桿位移與控制器輸出信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，閥門定位器是以閥桿位移為測(cè)量信號(hào)，以控制器輸出為設(shè)定信號(hào)的反饋控制系統(tǒng)。定位器按其結(jié)構(gòu)形式和工作原理可以分成氣定位器、電-氣閥門定位器和智能式閥門定位器。隨著技術(shù)的發(fā)展，更新?lián)Q代，目前應(yīng)用最廣泛的為智能式定位器。智能型電氣閥門定位器與常規(guī)定位器相比，具有控制精度高、能耗低、調(diào)整方便、適用范圍廣、能任意選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性等優(yōu)點(diǎn)，可以配置HART和總線通信技術(shù)。可使用診斷以維持回路性能水平，通過DSC，PC軟件工具，或者手操器，用戶能夠在線診斷閥門的健康狀況。

電動(dòng)執(zhí)行器對(duì)于無法提供氣源壓力的場(chǎng)合，是個(gè)便利的選擇。電動(dòng)執(zhí)行器是采用電動(dòng)機(jī)和減速裝置來移動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在大型精確控制項(xiàng)目中的，由于電動(dòng)執(zhí)行器具有動(dòng)作迅速、響應(yīng)快、所用電源取用方便、便于進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳遞，所以電動(dòng)執(zhí)行器被廣泛應(yīng)用。由于電動(dòng)執(zhí)行器由電機(jī)、減速齒輪箱、控制單元等組成，當(dāng)實(shí)現(xiàn)大推力時(shí)，其體積太龐大，封閉的結(jié)構(gòu)又會(huì)產(chǎn)生熱，增加防火性和防爆性的安全隱患。整體來說電動(dòng)執(zhí)行器比相同性能的氣動(dòng)執(zhí)行器更昂貴。電動(dòng)執(zhí)行器是一個(gè)技術(shù)快速發(fā)展的領(lǐng)域，未來可能會(huì)有更多的使用電動(dòng)執(zhí)行器的轉(zhuǎn)變。

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)合了電子技術(shù)和液壓技術(shù)兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，主要用于需要大推力、大力矩、快速響應(yīng)等場(chǎng)合。只需給電機(jī)提供電源，和由控制器提供一個(gè)電氣輸入信號(hào)。執(zhí)行器正常地通過很小的調(diào)整即可更換作用方向，電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)在大項(xiàng)目中使用更為廣泛。

另外在控制閥選型設(shè)計(jì)中，需要多方面考慮，既要滿足技術(shù)需求，安全應(yīng)用，同時(shí)也要從成本考慮性價(jià)比。在化工等工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中，壓力、溫度既是生產(chǎn)工藝的技術(shù)指標(biāo)，又是安全監(jiān)控的重要指標(biāo)。因此，在選型時(shí)我們必須把控制閥的溫度、壓力和材質(zhì)三個(gè)條件放在首位，嚴(yán)把安全關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)要考慮工藝流體氣蝕的影響，氣蝕帶來高噪音，強(qiáng)烈振動(dòng)很快會(huì)導(dǎo)致閥門損壞，維修成本增加。選擇控制閥時(shí)必須考慮購(gòu)買費(fèi)用，安裝和維護(hù)成本，更換備件成本等。

4結(jié)束語(yǔ)

控制閥的正確選型是過程控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵一步，選型好壞直接影響到流體控制效果，進(jìn)而影響系統(tǒng)控制品質(zhì)，所以選型工作需要在實(shí)際運(yùn)用中不斷探索和總結(jié)，才能真正發(fā)揮其在工業(yè)過程自動(dòng)化控制中的“手腳”作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張毅，張寶芬，曹麗，等.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：79.

[2] 費(fèi)希爾控制設(shè)備國(guó)際有限公司.控制閥手冊(cè)[M].美國(guó)：費(fèi)希爾控制設(shè)備國(guó)際有限公司，2005：219.