气动薄膜式调节阀选型原则

气动薄膜式调节阀选型原则

   目前，随着我国有色金属行业的迅猛发展，气动薄膜调节阀由于其操作方便、结构简单、使用可靠、防火防爆等特点，被广泛应用于氧化铝的生产过程。而作为自动调节系统的重要一环，它的工作状态的好坏将直接影响自动控制过程，本文以自己的工作实践为基础，详细叙述气动薄膜调节阀的工作原理、选型过程、安装及维修。随着工业自动化程度的不断提高，调节阀作为自动调节系统的最终执行机构，得到越来越广泛的应用，调节阀应用的好坏直接关系着生产的质量与安全。

一、气动薄膜式调节阀选型原则 的选型
1、根据使用要求选择气动薄膜调节阀
气动薄膜调节阀由阀芯和阀体（包括阀座）两部分组成，按不同的使用要求有不同的结构形式，目前使用的气动薄膜调节阀主要有直通单座调节阀、双座调节阀和高压角式调节阀。直通单座阀泄漏量小，流体对单座阀芯的推力所形成的不平衡力很大，因此直通单座阀适用于要求泄漏量小、管径小和阀前后压差较低的场合。直通双座调节阀阀体内有上下两个阀芯，由于流体作用于上下阀芯的推力方向相反而大致抵消；所以双座阀的不平衡力很小，允许阀前后有较大的压差。但由于阀体内流路复杂，用于高压差时对阀体的冲蚀损伤较严重，不宜用于高粘度、含悬浮颗粒或含纤维的介质。此外由于受加工条件的限制，双座阀上下两个阀芯不易同时关严，所以关闭时泄漏量大，尤其是在高温或低温的场合下使用时，因材料的热膨胀系数不同，更易引起严重的泄漏。角式高压调节阀阀体为直角式，流路简单、阻力小，受高速流体的冲蚀也小，特别适用于高压差、高粘度和含悬浮物颗粒状物质的流体，也可用于处理汽液混相，易闪蒸汽蚀的场合。这种阀体可以避免结焦、粘结和堵塞，便于清洁和自净。
2、根据安全性选择气动薄膜调节阀
气动薄膜调节阀有气开阀和气闭阀两种形式。根据不同生产工艺上的安全和使用要求考虑，当信号压力中断时调节阀处于打开或关闭位置，对工艺生产造成的危害性大小而定。如果调节阀处于关闭位置时危害小，则选用气开阀，信号压力中断时，使调节阀处于关闭位置，反之，则选用气闭阀。
3、流量特性选择气动薄膜调节阀
在自控系统的设计过程中选择气动薄膜调节阀应着重考虑流量特性。典型的理想特性有直线流量特性、等百分比流量特性（对数流量特性）、快开流量特性和抛物线流量特性四种。直线流量特性在相对开度变化相同的情况下，流量小时流量相对变化值大；流量大时，流量相对变化值小。因此，直线流量调节阀在小开度（小负荷）情况下调节性能不好，不易控制，往往会产生振荡，故直线流量特性调节阀不宜用于小开度的情况，也不宜用于负荷变化较大的调节系统，而适用于负荷比较平稳，变化不大的调节系统。百分比流量特性的调节阀在小负荷时调节作用弱，大负荷调节作用强，它在接近关闭时调节作用弱，工作和缓平稳，而接近全开时调节作用强，工作灵敏有效，在一定程度上，可以改善调节品质，因此它适用于负荷变化较大的场合，无论在全负荷生产和半负荷生产都较好的起调节作用。
4、气动薄膜调节阀口径的选择
应根据已知的流体计算出所要求的流量系数CV，再根据产品技术参数表选取合适的调节阀口径。在计算CV时要注意液体、气体、水蒸气和其它蒸气的区别。

一、气动薄膜式调节阀选型原则主要结构和工作原理
   气动执行器由执行机构和调节机构组成。气动执行机构包括：气动薄膜、气动活塞、气动长行程三种执行机构；调节机构为：阀、闸板、调节阀等，有直、角行程2种。
    工作原理：当0.2~1kg/cm2的信号压力输人薄膜气室中，产生推力使推杆部件移动、弹簧被压缩产生的反作用力与信号压力在薄膜上产生的推力相平衡。推杆的移动即是气动薄膜执行机构的行程。正作用式：当薄膜气室的信号压力为零时，推杆部件位于下方，当薄膜气室内输人信号压力时，使推杆部件向下移动；反作用式：当薄膜气室的信号压力为零时，推杆部件位于上方，当薄膜气室内输人信号压力时，使推杆部件向上移动。

气动薄膜式调节阀选型原则的功能

1 、调节功能

1) 流量特性

流量特性是反映气动薄膜调节阀的开度与流量的变化关系，以适应不同的系统特性要求，如对流量调节系统反应速度快需对数特性；对温度调节系统反应速度慢，需直线流量特性。流量特性反映了气动薄膜调节阀的调节品质。

2) 可调范围R

可调范围反映气动薄膜调节阀可控制的流量范围，用R＝Qmax：Qmin之比表示。R越大，调节流量的范围越宽，性能指标就越好。通常阀的R＝30，好的阀，如V型球阀、全功能超轻型气动薄膜调节阀，R可达100～200。

3) 小开度工作性能

有些阀受到结构的限制，小开度工作性能差，产生启跳、振荡，R变得很小 (即Qmin很大)，如双座阀、衬胶蝶阀。好的阀小开度应有微调功能，即可满足很小流量的调节，且工作又要求十分平衡，这类阀如V型球阀、偏心旋转阀、全功能超轻型气动薄膜调节阀。

4) 流量系数Cv或Kv

流量系数表示通过流量的能力，同口径Kv值越大越好，尤其是球阀、蝶阀，它们的Cv/Kv值是单座阀、双座阀、套筒阀的2～3倍。

5) 调节速度

满足系统对阀动作的速度要求。

2 、切断功能

切断功能由阀的泄漏量指标来表示，切断通常指泄漏量小于0.001％，它反映阀的内在的质量。在阀的使用中，对国产阀泄漏量大的呼声反映很大。

3 、克服压差功能

它通常用阀关闭时的允许压差来表示，允许压差越大，此功能也就越好。如果考虑不周到，阀芯就会被压差顶开，造成阀关不到位，泄漏量超标。因此，保证阀切断就必须克服阀关闭时的工作压差。

4、 防堵功能

对不干净介质的调节或者即使是干净介质，管道中的焊渣等杂物都可能造成阀堵塞或被卡住，因此要求阀应有较好的防堵功能，使之正常调节。防堵性是流路的单座角阀和旋转类阀，如球阀、蝶阀、偏心阀；流路复杂的阀、上下衬套导向的阀，迷宫式多级降压阀易造成堵卡。

5、 耐蚀功能

抵抗介质的腐蚀和冲蚀和气蚀，以提高阀的使用寿命。阀的腐蚀是由介质的化学性能引起的材质腐蚀问题，通常选用耐腐蚀的材料来解决；冲蚀是由高速流动的介质、含颗粒的 介质所致。解决的途径是选用耐磨的材料，如堆焊斯泰莱合金或碳化钨。气蚀则要在机构结构上采用反汽蚀措施，对高压阀、大压差工作的气动薄膜调节阀 要采用多级降压的形式。

6 、耐压功能

它反映阀的强度和安全指标，即介质不能通过密封处和阀体缺陷处向外渗漏。出厂时通常用1.5倍公称压力作试验来检验。对高压介质最好是采用锻件结构；铸铁阀的耐压强度是的，通常应选铸钢阀。

7 、耐温功能

满足不同温度条件下阀的强度和性能，温度的较大变化会使阀体材质的强度降低，因此阀必须满足介质的温度变化范围的要求，使阀在工作温度下有较好的强度和安全保证。

8 、外观和重量

反映阀的外观质量且要求仪表化、轻型化、小型化。其重量应越轻越好，以方便使用，如起吊、安装、维护等。

二、气动薄膜式调节阀选型原则流量特性和选型原则
     流量特性是指阀位开度和流量大小的关系，直接影响调节质量和系统的稳定性，与被调参数和设备对象，工艺流程有关。
      2.1 理想流f特性
     调节阀两端压差不变时相对流量与相对开度（行程）的关系。
      Q/Qmax =f * l/L
      式中：
      Q为某一开度时，调节阀的流量及阀杆行程
      f 为阀芯系数
      Qmax，L 为调节阀全开时的最大流量及阀杆全行程。
     理想流量特性取决于阀芯的尺寸，不同的阀芯曲面得到不同的理想流量特性。
     2.2 工作流f特性分析
     调节阀前后端压差变化情况下得到的流量特性。分为直线特性、对数特点、抛物线特性等。抛物线特性介于直线和对数之间。
     经计算、分析，直线特性调节阀工作在小开度时调节性强，相对流量变化率过于激烈，不易控制，小干扰大，克服容易过头，引起系统振荡，而在大开度时，相对变化率小，调节性能弱，太迟钝，大的干扰不能很服；对数特性是指单位开度变化所引起的相对流量变化值与此点相对流量成正比，经计算、分析，对数阀在小开度时放大倍数小，缓和平衡，利于操作控制，而在大开度时放大倍数大，工作能灵敏有效，是的调节阀。

      2.3 流量特性选择规则
     工业生产中常用的调节阀如直线、对数、快开特性，一般选取直线、对数特性即可满足工艺调节要求，快开特性适应于二位调节，对于比较难控制和要求较严的对象，从以下几个方面考虑：
      (1)用调节阀的非线性去补偿过程的非线性，使系统总的增益变化较小，稳定；
      (2)工艺管道情况，考虑工艺管道阻力情况；
      (3)适应系统的负荷波动；
      (4)考虑调节阀的工作条件和使用寿命；
      (5)调节阀工作特性改善。

三、流通能力C值的计算方法和调节阀口径的确定
     C值的定义：我国规定在调节阀前后压差为1kPa、液体重度为1kPa3的情况下，以每小时通过调节的流体m3数值，表示流通能力C值的大小（以氧化铝料浆为例）。
     调节阀压差：
     S=△P/（∑△PF+△P）
      式中：
      △P为调节阀差压；
     ∑△PF 为最大流量时管路阻力降。
      C =Q（r/△P）1/2 = G/（（△P* r）1/2
     式中：
      Q、G为工艺所提供的体积或重量流量；
      △P为阀门前后压差；
       r为重度。
     C值的选取和公称通径Dg及阀座直径dg的确定，由工艺提供的最大流量和对应的最小压差。计算出Cmax，便可选取合适的阀门。

气动薄膜式调节阀选型原则主要技术参数

1、阀体

2、气动薄膜式调节阀选型原则阀内件

3、气动薄膜式调节阀选型原则执行机构及附件、作用形式

三、气动薄膜式调节阀选型原则主要性能指标

四、气动高温调节阀 额定流量系数Kv、允许压差

四、气动薄膜式调节阀选型原则应用实例

高压溶出的料浆通过洗涤、沉降槽的作用下，将赤泥沉淀、分离出来。在料浆输送过程中，需要大量的气动调节阀来调节流量。根据现场的工艺环境或计算，气动阀采用了美国FISHER-ROSEMOUNT公司生产的气动调节阀，由阀门定位器和调节阀组成。阀门定位器采用了位移式气动阀门定位器，其负反馈闭环系统。
     图中A为波纹管的有效面积；C为测量组件的刚度；K为三级功率放大器的放大倍数；KL为输人信号传动杠杆比；KF为反馈信号传动杠杆比；Kv/（Tvs+1）是气动调节阀的传递函数，是一个一阶周期环节，Kv为调节的放大系数，与执行机构的薄膜有效面积和弹簧刚度及调节的结构等因素有关；Tv为调节阀的时间常数，也与气室大小等因素有关。
    上述负反馈系统中，阀杆输出位移Y与输人的调节器压力信号P之间的传递函数：
      W(s) =Y/P≈AEKL/CKF
     AE、KL、C、KF一定时，Y与P之间成一一对应的比例关系。也就是说，通过电—气阀门定位器的电气转换，定位器接受来自调节器或控制系统的电流信号（4~20mA），这个信号改变执行机构气室的压力P，使阀门的位置达到给定值Y，从而达到调节的目的。
    4.1 调节阀反向动作和流量特性
    在应用过程中，由于生产需要将一台气关式调节阀改成气开式调节器，在以前就需将阀芯反装，或采用反作用式执行机构。在现场改装比较麻烦，而且需有一定的备品才行。采用阀门定位器后，正作用定位器的输人信号从20~100kPa变化时，它的输出信号从20~100kPa变为100~20kPa即可。具体结构中，用到一个凸轮和两个喷嘴。左喷嘴用以实现正作用，右喷嘴实现反作用。左、右喷嘴与放大器的气路用背压切换板来沟通。调节阀的流量特性可以通过改变反馈凸轮的几何形状来改变。改变反馈凸轮的几何形状能够改变调节阀的反馈量，使定位器的输出特性发生变化，从而修正了流量特性。
   4.2 手动机构的配置
     当气源信号或电信号出现故障时，或者当执行机构的主要元件（膜片、弹簧等）损坏时，就需把自动操作改为手动操作，需转动手轮维持调节阀的调节功能；另一方面，这种机构也可作为调节阀行程的限位器，当信号压力为零时，调节阀不是全开就是全关，如果工艺过程要求调节阀有少量的流量，可利用手轮来达到目的。手轮机构有顶装式和侧装式，顶装式只能为单方向限制行程，如果在选型或安装时，选用侧装式可以根据工艺的要求安在左或右侧实现限位。总之，手动机构可提高调节阀运行的可靠性，特别是调节阀增设旁路，使用口径较大的调节阀时，使用手轮机构从投资费用或占地面积都很合算。所以自动操作完成正常和执行机构时，由于不使用手动机构，为此经常要加油防锈。

五、气动薄膜式调节阀选型原则安装调节阀须注意的几个问题
   (1)气动调节阀应安装在便于维护、修理的地方。
   (2)当选定调节阀的公称通径与工艺管径不同时应加装异接头进行连接。
   (3) 安装在有振源的场合，应增加防振措施。
   (4) 安装时，必须使阀体上或法兰上的箭头方向指向介质方向。
   (5)安装前，需要认真清洗管道内焊渣和其它杂物，在安装后，应将阀芯处于最大开度，并对管道和阀再一次清洗，以防杂物卡住和损伤节流件。

六、气动薄膜式调节阀选型原则结论
      气动薄膜调节阀的正确选型、安装、使用、维修，不仅能够提高过程控制的可靠性，而且能够快速解决阀的故障，增加阀门的使用寿命对企业的节能降耗有着可观的经济效益。调节阀安装是否合理，不仅关系到调节阀的安装、拆卸和维修方便与否，也决定了调节阀能否在自动调节系统中起到良好的调节作用，安装调节阀时应注意以下几点：
①调节阀应垂直安装在水平管道上，如在特殊情况下需要水平和倾斜安装时，一般要加支撑。
②为了防止调节阀膜片老化，延长使用寿命，安装时应尽量远离高温、振动和腐蚀严重的环境。
③为了便于维护检修，调节阀应安装在靠近地面或楼板的地方，为了检修拆卸方便，应注意调节阀距离地面（或楼板）留有适当的高度，对于正作用气开式调节阀，因阀芯拆卸时需从阀体下面取出，调节器阀距地面（或楼板）更应有足够的距离。
④为了调节阀和调节系统出现故障时不致影响生产和发生安全事故，一般都需要安装旁路和旁路阀。但旁路阀不能安装在调节阀的正上方，以免旁路阀内腐蚀性介质泄漏到调节阀上。调节阀前、后安装截止阀，对于高温、高压、高压、易冻、易粘稠介质，还要安装排泄阀。

气动薄膜式调节阀选型原则检修
①阀体内壁。对使用于高压差及有腐蚀性介质场合的阀体内壁易受介质冲击和腐蚀，必须重点检查耐压、耐腐蚀的情况。
②阀座。检查阀座的磨损清况以及固定阀座用的螺纹内表面，是否因受腐蚀而使阀座松驰。
③阀芯。阀芯是调节阀工作时的可动部件，受介质冲蚀最严重，特别是在高压情况下工作，阀芯因汽蚀现象磨损更为严重检修时需认真检查。
④膜片及“0"形密封圈。检查是否有老化和裂损等情况。
⑤填料。检查填料配合情况，填料是否老化。

气动薄膜式调节阀选型原则的常见故障
1、气动薄膜调节阀不动作
原因：没有信号压力或虽有信号压力但膜片裂损、膜片漏气，膜片推力减小；阀芯与阀座或衬套卡死，阀杆弯曲等原因使调节阀不能动作。
2、气动薄膜调节阀动作正常，但不起调节作用
原因：阀芯脱落，此时，虽然阀杆动作正常，但阀芯不动，因此无调节作用。另外管道堵塞，也会出现调节阀不起调节作用的现象。
3、气动薄膜调节阀不稳定或产生振荡
调节阀径选择过大。经常在小开度下工作或单座阀介质在阀内流动方向与关闭方向相同。在阀芯与补套严重磨损，也可使调节阀在任何开度都发生振荡。
4、气动薄膜调节阀泄漏量大
阀芯与阀座腐蚀、磨损而造成，有时也可能因阀体内有异物、阀芯被垫住关不严，造成泄漏量大。另外，阀门定位器和电器转换期是调节阀的辅助装置，它们接受调节器的输人信号，然后以它自己输出信号去控制调节阀，特别是阀门定位器，与气动阀配套使用构成一闭环控制回路，用以提高调节阀控制精度。克服填料函与阀杆的摩擦力，提高阀门动作速度，可实现分段控制（段幅信号）改变调节阀的流量特性。因此，要想取得理想的调节效果，必须使调节阀与定位器配合好，应用阀门定位器以提高调节阀的定位精度及工作可靠性，确保调节质量。
5、气动薄膜调节阀动作迟钝或跳动
由于密封填料老化或干枯，使阀杆与填料的摩擦增大会造成动作迟钝或跳动；或因阀体内含有粘性大的污物以及堵塞、结焦等情况而引起调节阀动作迟钝。膜片及“0"形密封圈等处泄漏也会引起单方向动作迟钝。