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控制阀在工业生产过程控制中的作用


1.控制系统的基本组成

  工业生产过程的控制系统有各种不同类型,例如简单控制系统、复杂控制系统等,图l是两个简单控制系统的示例。图中,每个控制系统都包括被控变量、操纵变量和相应的控制规律。被控变量是需要控制的过程变量,例如,换热器出口温度、泵出口压力等。要使被控变量与期望的设定值保持一致,需要一种控制手段,例如,图中的蒸汽流量、泵的旁路流量等。被控变量偏离设定的原因是生产过程中存在干扰,例如,蒸汽压力的波动、泵转速的变化等。通常,把用于调节的变量称为操纵变量。


图l简单控制系统示例
(a)温度控制系统
(b)压力控制系统

  一个简单控制系统由检测元件和变送器、控制器、执行器和被控对象组成。检测元件和变送器(sensorandtransmitter)用于检测被控变量,将检测信号转换为标准信号。例如,热电阻将温度变化转换为电阻变化,温度变送器将电阻信号转换为标准的气
压或电流、电压信号等。
  控制器(controller)将检测变送环节输出的标准信号与设定值信号进行比较,获得偏差信号,按一定控制规律对偏差信号(errorsignal)进行运算,运算输出送执行器。控制器可用模拟仪表实现,也可用微处理器组成的数字控制器实现,例如DCS和FCS中采用的PID控制功能模块等。
  执行器(actuator)处于控制环路的最终位置,因此也称为最终元件(final element)。执行器用于接收控制器的输出信号,并控制操纵变量变化。在大多数工业生产过程控制的应用中,执行器采用控制阀。近年来,随着变频调速技术的应用,一些控制系统已采用变频器和相应的电动机(泵)等设备组成执行器。本页介绍控制阀的有关内容,不讨论变频器和其他执行器。
  生产过程的负荷变化或操作条件改变时,通过检测元件和变送器的检测和变送,将过程的被控变量送控制器,经控制规律运算后的输出送执行器,改变过程中相应的流体流量,使被控变量与设定值保持一致。可见,检测元件和变送器的作用类似于人的眼睛,控制器的作用类似于人的大脑,执行器的作用类似于人的手脚。一个控制系统的质量受到组成控制系统各组成部件的影响,主要取决于控制系统组成部件中最薄弱环节的影响。


2.控制阀的重要性

控制阀(controlvalve)用于调节操纵变量的流量,因此,以前亦称调节阀。从控制系统整体看,一个控制系统控制得好不好,都要通过控制阀来实现。由于下列原因,控制阀变得十分重要。
  ①控制阀是节流装置,属于动部件,与检测元件和变送器、控制器比较,在控制过程中,控制阀需要不断改变节流件的流通面积,使操纵变量变化,以适应负荷变化或操作条件的改变。因此,对控制阀阀组件的密封、耐压、腐蚀等提出更高要求。例如,密封会使控制阀摩擦力增加,控制阀死区加大,造成控制系统控制品质变差等。
  ②控制阀的活动部件是造成“跑”、“冒”、“滴”、“漏”的主要原因,它不仅造成资源或物料的浪费,也污染环境,引发事故。
  ③控制阀的阀内件与过程介质直接接触,和检测元件与过程介质接触的不同之处如下
  a.控制阀阀组件的接触介质可能与检测元件的接触介质不同,对控制阀的耐腐蚀性、强度、刚度、材料等有更高要求。
  b.检测元件可采用隔离液等方法与过程介质隔离,但控制阀通常与过程介质直接接触,很难采用隔离的方法与过程介质隔离。
  ④控制阀的节流使能量在阀内件内部被消耗,因此,降低能耗,降低控制阀的压力损失,和保证较好的控制品质之间要合理选择和兼顾。
  ⑤控制阀对流体进行节流的同时也造成噪声。例如,当阀出口压力低于液体的蒸汽压力时,造成闪蒸;当阀下游压力高于液体蒸汽压力时,造成汽蚀。控制阀造成的噪声和控制阀流路的设计、操作压力、被控介质特性等有关,因此,降低噪声,降低压力损失等对控制阀提出更高要求。
  ⑥控制阀的适应性强。它被安装在各种不同的生产过程,生产过程的低温、高温、高压、大流量、微小流量等操作条件需要控制阀具有各种不同的功能,控制阀应能够适应不同应用的要求。
  ⑦检测元件和变送器、控制器等发展快,投入的人力和物力多。相对来看,通常认为
控制阀结构简单,因此,对控制阀投入研究和开发的人力和物力相对不足
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