仪表设计中执行器的选用

仪表设计中执行器的选用
杜旭峰，赵岩
锦州石化公司设计院，辽宁锦州121000
摘要：分别从执行器的类型、流量特性、s值的选取、动态特性、阀门定位器等方面介绍执行器的选用。
关键词：执行器；流量特性；s值；阀门口径；阀门定位器
中图分类号：th86 文献标识码1 b 文章编号：1003．3932200205-0086．04
1 引言
我公司是炼油化工行业的老厂，近几年来随
着改革开放的进行，不断壮大、更新，自控水平不
断提。在仪表工程设计中执行器在控制系统中
起着极其重要的作用，控制品质与执行器的正确
选用与使用有着十分密切的关系，不能因其简单
而有任何疏忽。下面从执行器的类型、流量特性
s值的选取、动态特性、阀门定位器的应用等方面
进行论述。
2 执行器的类型
执行器由执行机构与调节机构两部分构成。
执行机构把调节器输出信号转换成直线或角位
移，有气动、电动、液动三类。气动的在我公司z
常用；电动的与电动调节器连接方便，但有的场合
须考虑防爆问题；液动的推力z大，如催化车间的
电液滑阀，但较笨重。调节机构把直线位移或角
位移转换成流通截面积的变化，从而改变操纵变
量q的数值。调节机构的类型很多，包括直通阀
单座、双座、角阀、三通阀、球形阀、隔膜阀、蝶
阀、压阀、偏心旋转阀、套筒阀等。其中直通阀
较为常用。在直通阀中，双座阀介质流通时阀前
后不平衡力小，在口径或压差较大时这一点更
为突出，但在泄漏量方面却往往大于单座阀。蝶
阀适用于大流量、低压差的气体介质。套筒阀
有低噪声的特点，是低噪声阀中常见的一种。
调节机构的口径须很考虑，在正常工况下，
阀门开度应在15％～85％之间。在设计中常用
的节流公式为：
q ： c ap ，f
式中：q—— 流量；ap—— 阀两端压差；r— —
流体重度；c — — 比例系数。
在阀门全开条件下，此时的c 称为流通能力
c。显然，c 取决于流通截面积，与口径及开度
都有关系，c仅与口径有关系。按正常工况下的
操作数据计算c 和预先规定阀门全开时的流量
计算c值．是确定阀门口径的两条途径。如按前
一方法，应把c 值乘上一定倍数2～5，线性阀取
低值，对数阀取值作为流通能力c，按产品规
格去确定口径。如按后一方法阀门全开时的流量
应比z大实际流量再大些。
气动调节阀有气开与气关两种类型。气开与
气关的选择主要考虑失气时仍能保证供应安全。
例如，装于液体或气体燃料火嘴前的调节阀很多
是气开型的，这样在一旦失气时便切断燃料。又
如，中小型锅炉的进水阀不少是气关型的，这样即
使气源中断，也不会使气包烧干，但在蒸气用于汽
轮机的大型锅炉，进水阀却宁可用气开型，因为如
果蒸气中带有大量水滴，在速旋转的汽轮机中
将会损坏叶片，危险更为严重。
在执行器选型时，除了要规定以上内容外，还
须规定流量特性的类型。
3 流量特性的意义和类型
调节阀的流量特性指的是流量q 与阀杆行
程间的函数关系：
q =fl
依据函数关系的不同，流量特性可分为线性
第5期杜旭峰等．仪表设计中执行器的选用 · 87 ·
型、对数型、快开型和抛物线型等。
1线性型。指调节阀的相对流量与相对位
移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变
化是常数，数学表达式为：
dq = 或d = kd
积分后得到：
=
已知：
l = l 时，q = q
l =0时，q = q i =
式中：尺— — 可调比，一般为30。
由此可知：
c0 = 1／r ，k = 1— 1／r
流量与阀杆的关系式是：
q／q = 1／rl l+ r 一1·l／l j
2对数型等百分比。指单位相对位移变
化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正
比关系。数学表达式为：
dq = kqd z或
dq／q = kq／q dl／l
积分岳得到：
q／q ： r‘ 儿一一
对数阀的kv随着q 的增加而迅速上升。因
为q的对数值与间成线性关系，所以称为对数
型。又因为增加相同的间隔时q增长相同的
百分比，所以亦称等百分比特性。
3快开型。指单位相对位移变化所引起的
相对流量变化与此点的相对流量的倒数成正比关
系。数学表达式为：
dq = q～ d z
或dq／q = kq／q 。一dl／l
积分后得到：
q／q = i／r[1+r 一1l／l ]
快开阀的kv随着q的增加而下降。正因为
如此，从。开始的一般q上升得很快，所以称
为快开型。
4抛物线型。指单位相对位移变化所引起
的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正
比。数学表达式为：
dq ：幻 d z
或dq／q = q／q 。 dl／l
积分后得到：
q／q 。 = 1／r[1+r 一1l／l ]
抛物线型阀的kv随着q的增加而上升，但
不象对数型那样厉害。总的来说，其特性介于线
性阀与对数阀之间。见图1。
图1
在流量特性问题上，必须区别两种情况：① 阀
两端压降固定不变条件下的流量特性称为理想特
性。阀门制造厂提供的就是这种特性，通常有线
性型、对数型、快开型三种；② 在实际工作时，阀两
端的压降是随流量而变化的，这时的流量特性称
为工作特性。设提供给管路系统的总压差为p
由液体提升产生的压差为p ，阀两端的压降为
p ，管路其它部分的压降为p ，则：
pt= ph+ p + pl= ph + pf
式中：pf= p +pl，为阻力引起的总压降。
虽然p 为恒值，然而p。是随着流量q而变
化的，因此，即使p．保持不变，p 也总是随着流
量的增加而减小的。由于p 不是恒值，流量特性
线将发生变化，工作特性曲线将上凸。理想特性
为线性的将向快开型靠近，对数型的将向线性型
靠近。把阀门全开时的压降p 与管路总压降p
之比定为s，则在s值愈小时，特性曲线的畸变
越是厉害。在工程设计中，要解决理想特性的选
型问题，也要考虑s值的选取问题。
当s值大于o．6，即接近1时，可以认为理想
特性与工作特性的曲线形状相近，此时工作特性
选什么特性，理想特性也将选什么特性。当s值
小于o．6时，理想特性有一定畸变。当选择的工
作特性为线性时，理想特性应采用对数特性；当选
择的工作特性为对数型时，理想特性仍为对数特
性。通过总结经验，我们可以直接依据被控变量
与有关情况选择调节阀的理想特性，见表1。
4 s值的选取
从控制特性上看，．s值接近于1，至少是取比
· 88 · 化工自动化及仪表第29卷
较大的数值，肯定可以减少流量特性的畸变，因此
是有益的。然而，我们必须考虑其它因素。
表1 调节阀理想特性选用表
被控变量有关情况理想特性
p 恒定线性型
液位 p q⋯ < 0．2p q⋯ 对数型
p q > 2p q⋯ 快开型
快过程对数型
压力慢过程线性型
慢过程p q <0．2p q⋯ 对数型
流量设定值变化线性型
变送器输出
与q 成正比负荷变化对数型
流量串接，设定值变化线性型
变送器输串接
出与q 成，负荷变化对数型
正比旁路连接对数型
温度对数型
1有时由于流体输送机械的能力有限，能够
留给调节阀的压降值很小，阀必须在低s值下运
行。
2由于结构上的原因，阀两端的压降不能超
过一定的限值，压差的减压阀很易磨损，这时往
往允许加限流孔板，适当进行分压，使p 不超过
预定的限值，s值也必须降低。
3近几年来，节能问题极受重视，不少情况
下阀门造成的摩擦损失耗用了可贵的能量，减少
s值可以节约能耗。
在过去，人们一般认为s值应不低于0．3，s
的常取范围为0．3～0，6。现在这条界线已被打
破了。但低s值会使阀的流量特性产生严重的
畸变，通常可考虑以下两条途径来解决：
1改变阀芯的型面，使其理想特性曲线凹得
更甚，这样在低s值下仍能有合适的工作特性。
而在采用阀门定位时可利用凸轮形状来进一步改
善其理想特性。
2采用串级控制系统，用一个流量调节的副
回路代替单一的调节阀，这时只要将这个副回路
整定得可以工作就行，阀的流量特性对主被控变
量的过渡过程不再起显著影响。
但在s值的选取上还应注意一些问题，先
s值指的是阀全开时的压降与管路总压降之比，
在有些情况下，尽管p 取得很小，s值不一定低；
其次在设备流程已定的情况下，s值与节能有时

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