控制阀知识
发布时间：2009-09-22 来源：扬子工具集团 浏览次数:31926一、控制阀的发展历史 1．控制阀的发展历史 控制阀的发展与工业生产过程的发展密切相关。远古时期，人们为了调节河流或小溪的水流量，采用大石块或树干来阻止水的流动或改变水的流动方向。埃及和希腊文明发明了几种原始的阀门类型，用于农作物灌溉等。但是，普遍公认是古罗马人为了农作物灌溉而开发了相当复杂的水系统，采用旋塞阀和柱塞阀，并使用止逆阀防止水的逆流。文艺复兴时期，在艺术家和发明家达.芬奇(LeonardodaVinc)设计的沟渠、灌溉项目和其他大型水力系统项目中使用了阀门，他的许多技术方案现在仍实际存在。阀门工业的现代历史与工业革命并行，随着工业革命的深入，1705年，纽康曼(ThomasNewcomen)发明第一台工业蒸汽发动机，对蒸汽发动机的运行提出了控制要求，瓦特(JamesWatt)发明了第一台调节转速的控制器，其后，对流体流量的控制越来越被人们重视。最早的控制阀是1880年由WilliamFisher制造的泵调节器，这是一种带重锤的自力式控制阀，当阀后压力增大时，在重锤作用下，使控制阀开度减小，从而达到稳定压力的控制效果。 在20世纪20～30年代，控制阀以阀体形状为球形的球形阀(ball valve)为主，其后，以V形缺口 (V-notch)的单座(single—port)和双座(double-ported)控制阀(globevalve)问世。40年代相继出现适用于高压介质的角形控制阀(anglevalve)、用于腐蚀性介质的隔膜控制阀(barrierdiaphragmvalve)和用于大流量应用的蝶阀(butterflyvalve)等，并研制了阀门定位器(valve positioner)等产品o 1949年在德国Leverkusen成立了化学和石化工业的第一个专业协会——测量与控制标准协会NAMUR(NormenArbeitsgemein—schaftMeb-UndRegeltechnik)，并开展标准的制定工作。50~60年代出现了三通控制阀(three-wayvalve)，用于配比控制和旁路控制，也进一步展开对球阀的研究，出现了适用于大压差和降低噪声的套筒控制阀(cagevalve)。70年代套筒控制阀被广泛应用于工业生产过程的控制，研制的偏心旋转阀(eccentricplugvalve)成为角行程控制阀的佼佼者。偏心旋转阀具有良好的密封性、大的流通能力，可应用于较大压差场合。80年代开始，各种精小型控制阀诞生，它对控制阀执行机构进行的改革使控制阀的重量和高度下降，流通能力提高。90年代开始，随着计算机控制装置的广泛应用，对智能控制阀的要求也越来越强烈，相继诞生各种智能电气阀门定位器和带智能阀门定位器的现场总线控制阀。 2l世纪初，现场总线控制阀得到应用，随着控制功能的下移，对控制阀的要求也越来越高。 控制阀与工业生产过程控制的发展同步进行。为提高控制系统的控制品质，对组成控制
系统各组成环节提出了更高要求。例如，对检测元件和变送器要求有更高的检测和变送精确度，要有更快的响应和更高的数据稳定性；对控制阀等执行器要求有更小的死区和摩擦，有更好的复现性和更短的响应时间，并能够提供补偿对象非线性的流量特性等。同时，由于工业生产过程的大型化和精细化，对控制阀等也提出了更高要求。 2．我国控制阀的现状我国控制阀工业生产的起步较晚。在20世纪60年代开始研制单座阀、双座阀等产品，主要是仿制前苏联的产品。由于机械工业落后，机械加工精度低，因此，产品泄漏量较大，但尚能满足当时工业生产过程的一般控制要求。70年代开始，随着工业生产规模的扩大，工业过程控制要求的提高，一些控制阀产品已不能适应生产过程控制的要求，例如对高压力、高压降、低温、高温和腐蚀等介质的控制要求。为此，一些大型石油化工企业在引进设备的同时，也引进了一些控制阀，例如带平衡阀芯的套筒阀、偏心旋转阀等，为国内的控制阀制造厂商指明了开发方向。因此，70年代后期，一些制造厂已开始仿制偏心旋转阀等产品o 80年代开始，随着我国改革开放政策的贯彻和落实，一些控制阀制造厂引进了国外著名控制阀厂商的技术和产品，使我国控制阀产品的品种和质量得到明显提高。例如，生产出各种类型的套筒阀、偏心旋转阀，并开始研制精小型控制阀。随着大型电站等工业项目，的进行，也研制了各种电液执行机构、长行程执行机构等执行机构，以适应大推力和大推力矩、长行程等控制要求。90年代开始，我国的控制阀工业也在引进和消化国外的先进技术后开始飞速发展，一些合资和外资的控制阀生产厂相继生产有特色的产品，填补了一些特殊工业控制的空白，使我国控制阀工业的水平大大提高，缩短了与国外的差距。随着现场总线技术的应用，在2l世纪初，采用现场总线技术的控制阀产品问世，国外一些现场总线的控制阀和相关的产品，例如智能阀门定位器等，开始在国内一些新建工程中应用，国内一些厂商也开始研制有关产品。 3．控制阀发展的特点 回顾控制阀发展历史，控制阀发展特点如下。 ①控制阀的发展与工业生产过程控制的发展密切相关。例如，：单座阀的不平衡力大，不能适应工业生产过程高压差的控制要求，为此，研制了带平衡阀芯的套筒阀；当控制阀噪声已成重要环境污染时，不少具有降噪功能的控制阀和降噪的阀内件应运而生；当工业生产过程对高温、低温和泄漏等有一定要求时，诞生了适应高温和低温的伸长型阀盖和用波纹管密封的阀盖等。 ②控制阀的发展与提高产品质量，降低原材料消耗等紧密结合，使控制阀产品的品种更
新和增加，功能扩展，适应面越来越广。例如，控制阀的品种有单座阀、双座阀、三通阀、角形阀、套筒阀、阀体分离阀、隔膜阀、高压阀、偏心旋转阀、偏心阀板阀、蝶阀、闸阀等；执行机构有气动薄膜执行机构、气动活塞执行机构、气动精小型薄膜执行机构、气动长行程执行机构、电动执行机构、电液执行机构、齿轮执行机构等；阀门定位器有气动阀门定位器、电气阀门定位器、智能电气阀门定位器等。 ③控制阀的发展使工业应用更方便、灵活、可靠。控制阀设计计算采用更适合的计算公式；控制阀的安装和维护变得更方便；控制阀阀内件设计，例如流路设计、材质选用、降噪设计等，使工业应用面更广泛，使用更可靠。 二、控制阀的发展方向 1．控制阀应用中存在的问题①控制阀的品种多，规格多，参数多。控制阀为适应不同工业生产过程的控制要求，例如温度、压力、介质特性等，有近千种不同规格、不同类型的产品，使控制阀的选型不方便、安装应用不方便、维护不方便、管理不方便。 ②控制阀的可靠性差。控制阀在出厂时的特性与运行一段时间后的特性有很大差异，例如，泄漏量增加、噪声增大、阀门复现性变差等，给长期稳定运行带来困难。 ③控制阀笨重，给控制阀的运输、安装、．维护带来不便。通常，控制阀重量比一般的仪表重量要重几倍到上百倍，例如，一台DN200的控制阀重达700kg，运输、安装和维护都需要动用一些机械设备才能完成，给控制阀的应用带来不便。 ④控制阀的流量特性与工业过程被控对象特性不匹配，造成控制系统品质变差。控制阀的理想流量特性已在产品出厂时确定，但工业过程被控对象特性各不相同，力口上压降比变化，使控制阀工作流量特性不能与被控对象特性匹配，并使控制系统控制品质变差。 ⑤控制阀噪声过大。工业应用中，控制阀噪声已成为工业设备的主要噪声源，因此，降低控制阀噪声成为当前重要的研究课题，并得到各国政府的重视。 ⑥控制阀是耗能设备，在能源越来越紧缺的当前，更应采用节能技术，降低控制阀的能耗，提高能源的利用率。 2．控制阀的发展方向 控制阀的发展方向主要为智能化、标准化、精小化、旋转化和安全化。 (1)智能化和标准化.控制阀的智能化和标准化已经提到议事日程。智能化主要采用智能阀门定位器。智能化化表现在下列方面。
①控制阀的自诊断，运行状态的远程通信等智能功能，使控制阀的管理方便，故障诊断变得容易，也降低了对维护人员的技能要求。 ②减少产品类型，简化生产流程。采用智能阀门定位器不仅可方便地改变控制阀的流量特性，也可提高控制系统的控制品质。因此，对控制阀流量特性的要求可简化及标准化(例如，仅生产线性特性控制阀)o用智能化功能模块实现与被控对象特性的匹配，使控制阀产品的类型和品种大大减少，使控制阀的制造过程得到简化，并在生产和市场中经受考验和认可。 ③数字通信。数字通信将在控制阀中获得广泛应用，以HART通信协议为基础，一些控制阀的阀门定位器将输入信号和阀位信号在同一传输线实现；以现场总线技术为基础，控制阀与阀门定位器、PID控制功能模块结合，使控制功能在现场级实现，使危险分散，使控制更及时、更迅速。 ④智能阀门定位器。智能阀门定位器具有阀门定位器的所有功能，同时能够改善控制阀的动态和静态特性，提高控制阀的控制精度，因此，智能阀门定位器将在今后一段时间内 成为重要的控制阀辅助设备被广泛应用。 控制阀的标准化表现在下列方面。 ①为了实现互换性，使同样尺寸和规格的不同厂商生产的控制阀能够互换，使用户不必为选择制造商而花费大量时间。 ②为了实现互操作性，不同制造商生产的控制阀应能够与其他制造商的产品协同工作，不会发生信号的不匹配或阻抗的不匹配等现象。 ③标准化的诊断软件和其他辅助软件，使不同制造商的控制阀可进行运行状态的诊断，运行数据的分析等。 ④标准化的选型程序。控制阀选型仍是自控设计人员十分关心的问题，采用标准化的计算程序，根据工艺所提供数据，能够正确计算所需控制阀的流量系数，确定配管及选用合适的阀体、阀芯及阀内件材质等，使设计过程标准化，提高设计质量。 (2)精小化.为降低控制阀的重量，便于运输、安装和维护，控制阀的精小化采用了下列措施。 ①采用精小型执行机构。采用轻质材料，采用多组弹簧替代一组弹簧，降低执行机构高度，通常，精小型气动薄膜执行机构组成的控制阀比同类型气动薄膜执行机构组成的控制阀高度要降低约30％，重量降低约30％，而流通能力可提高约30％。 ②改变流路结构。例如，将阀芯的移动改变为阀座的移动，将直线位移改变为角位移
等，使控制阀体积缩小，重量减轻。 ③采用电动执行机构。不仅可减少采用气动执行机构所需的气源装置和辅助设备，也可减少执行机构的重量。例如，Fisher公司的9000系列电动执行机构，其20型的高度小于330mm，使整个控制阀(带数字控制器和执行机构)质量降低到20～32kg。 (3)旋转化 由于旋转类控制阀，例如球阀等，有相对体积较小、流路阻力较小、可调比较大、密封性较好、防堵性能较好、流通能力较大等优点，因此，在控制阀新品种中，旋转阀的比重增大。特别是大口径管道中，普遍采用球阀、蝶阀等类型控制阀，从国外近年的产品看，旋转阀应用的比例正逐年增长。 (4)安全化 仪表控制系统的安全性已经得到各方面的重视，安全仪表系统(SIS)对控制阀的要求也越来越高，表现在以下几方面。 ①对控制阀故障信息诊断和处理要求提高，不仅要对控制阀进行故障发生后的被动性维护，而且要进行故障发生前的预防性维护和预见性维护。因此，对组成控制阀的有关组件进行统计和分析，及时提出维护建议等变得更重要。 ②对用于紧急停车系统或安全联锁系统的控制阀，提出及时、可靠、安全动作的要求。确保这些控制阀能够反应灵敏、准确。 ③对用于危险场所的控制阀，应简化认证程序。例如，对本安应用的现场总线仪表，可简化为采用FISCO现场总线本质安全概念，使对本安产品的认证过程简化。 ④与其他现场仪表的安全性类似，对控制阀的安全性，可采用隔爆技术＼防火技术、增安技术、本安技术、无火花技术等；对现场总线仪表，还可采用实体概念、本安概念、FISCO概念和非易燃(FINCO)概念等。 (5)节能 降低能源消耗，提高能源利用率是控制阀的一个发展方向。主要有下列几个发展方向。 ①采用低压降比的控制阀。使控制阀在整个系统压降中占的比例减少，从而降低能耗，因此，设计低压降比的控制阀是发展方向之一；另一个发展方向是采用低阻抗控制阀，例如采用蝶阀、偏心旋转阀等。 ②采用自力式控制阀。例如，直接采用阀后介质的压力组成自力式控制系统，用被控介质的能量实现阀后压力控制。 ③采用电动执行机构的控制阀。气动执行机构在整个控制阀运行过程中都需要有一定的气压，虽然可采用消耗量小的放大器等，但日积月累，耗气量仍是巨大的。采用电动执行机构，在改变控制阀开度时，需要供电，在达到所需开度时就可不再供电，因此，从节能看，
电动执行机构比气动执行机构有明显节能优点。 ④采用压电控制阀。在智能电气阀门定位器中采用压电控制阀，只有当输出信号增加时才耗用气源。 ⑤采用带平衡结构的阀芯，降低执行机构推力或推力矩，缩小膜头气室，降低能源需要。 ⑥采用变频调速技术代替控制阀。对高压降比的应用场合，如果能量消耗很大，可采 用变频调速技术，采用变频器改变有关运转设备的转速，降低能源消耗。 (6)保护环境 环境污染已经成为公害，控制阀对环境的污染主要有控制阀噪声和控制阀的泄漏。其中，控制阀噪声对环境的污染更是十分严重。 ①降低控制阀噪声。研制各种降低控制阀噪声的方法，包括从控制阀流路设计到控制阀阀内件的设计，从噪声源的分析到降低噪声的措施等。主要有设计降噪控制阀和降噪控制阀阀内件；合理分配压降，使用外部降噪措施，例如，增加隔离、采用消声器等。 ②降低控制阀的大气污染。控制阀的大气污染指控制阀的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”，这些泄漏物不仅造成物料或产品的浪费，而且对大气环境造成污染，有时，还会造成人员的伤亡或设备爆炸等事故。因此，研制控制阀填料结构和填料类型、研制控制阀的密封等将是控制阀今后一个重要的研究课题。 计算机科学、控制理论和自动化仪表等高新科学技术的发展推动了控制阀的发展，例如，现场总线控制阀和智能阀门定位器的研制、数字通信在控制阀的实现等。控制阀的发展也推动了其他科学技术的发展，例如，对防腐蚀材料的研究、对削弱和降低噪声方法的研究、对流体动力学的研究等。随着现场总线技术的发展，控制阀也将开放、智能和更可靠，它将与其他工业自动化仪表和计算机控制装置一起，使工业生产过程控制的功能更完善，控制的精度更高，控制的效果更明显，并为我国现代化建设发挥更重要的作用。 三、过程控制阀术语 附件：一个安装在执行机构上补充执行机构的功能并使其成为一个完整的操作单元的装置。例子包括定位器、供气压力调节器、电磁阀和限位开关。 执行机构：一个提供力或运动去打开或关闭阀门的气动、液动或电动装置。 执行机构组件：一个包括所有相关附件使之成为一个完整的操作单元的执行机构。 空程：提供给一种死区的通用名词。这种死区是当一个装置的输入改变方向时由于装置输与输出之间的暂时中断引起的。一个机械连接的松弛或松动是空程的一个典型例子。 (阀门)流通能力：在规定条件下通过一个阀门的流量。
闭环回路(控制回路)：一种过程元件的相互连接方式：有关过程变量的信息被连续不断地反馈给控制器的设定点，以连续地、自动地纠正过程变量。 控制器：一种通过使用某些既定的运算来调节控制变量的自动操作的装置。控制器的输入接受关于过程变量状态的信息，然后提供一个相应的输出信号给终端控制元件。 控制范围：控制阀能够把实际阀门增益保持在标准值0，5和2，0之间的阀门行程范围。 控制阀组件：包括通常安装在阀门上的所有部件：阀体组件、执行机构、定位器、调压器、转换器、限位开关等。死区：输入信号改变方向但不致于引起输出信号的可以观察到的变化时，输入信号的可变化范围。死区是用来描述一种适用于任何装置的通用现象的名词。对于阀门组件，控制器的输出(C0)是阀门组件的输入，而过程变量(PV)是输出，如图1所示。使用术语“死区”时，有必要把输入和输出区分开来，并确保测量死区的任何测试在全部负载条件下进行。死区典型地表示为百分比的输入量程。 图1 过程死区 时滞时间：从一个小的阶跃输入(通常0.25％—5％)起，系统没有响应被检测到的时间长短(Td)o它从阶跃输入开始的时间起测量，一直到被测试系统产生第一个能检测到的响应的时间为止。时滞时间可用于阀门组件或整个工艺过程。 阀板：带线性或旋转运动的、用来调节流量的阀内件元件，也可指阀芯或截流元件。 终端控制元件：执行由控制器的输出决定的控制策略的装置。终端控制元件可以是一个减振器、一个变速驱动泵或一个开关式切换装置，但是过程控制工业里最常见的终端控制元件是控制阀组件。控制阀调节流动的流体，如气体、蒸汽、水或化学混合物，以补偿扰动并使得被控制的过程变量尽可能地靠近需要的设定点。 增益：通用术语，可用于许多情况。在它最常用的含义里，增益是一个给定系统或装置的输出改变量相对于引起该输出改变量的输入改变量的比例。增益有两种：静态增益和动态增益。静态增益是输入与输出之间的增益关系，是系统或装置处于稳定状态时，输入能够引起输出改变的程度的指标。
敏感性有时候用来说明静态增益。动态增益是时当系统处于运动或流动状态时的输入与输出之间的增益关系。动态增益是输入改变频率或比率的函数。 滞后： 在一个校验循环里，相对于任何单个输入值的输出值的最大差值，不包括由于死区引起的误差 固有特性（流量特性）：在经过阀门的压力降恒定时，随着截流元件(阀板)从关闭位置运动到额定行程的过程中流量系数与截流元件(阀板)行程之间的关系。典型地，这些特性可以绘制在曲线图上，其水平轴用百分比行程表示，而垂直轴用百分比流量(或Cv值)表示。由于阀门流量是阀门行
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