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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：1003．3932(2002)(05)-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
断提高。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*
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*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、高压阀、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优点更
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。套筒阀具
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好考虑，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，对数阀取高值)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*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生产**。
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，在高速旋转的汽轮机中
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 =f(L)
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
d(Q／Q )= k(Q／Q )d(L／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d(Q／Q )= k(Q／Q 。 )一d(L／L )
积分后得到：
Q／Q = I／R[1+(R 一1)L／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d(Q／Q )= (Q／Q 。 ) d(L／L )
积分后得到：
Q／Q 。 = 1／R[1+(R 一1)L／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，高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，首先
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
并无直接关系，如图2所示。
图2 液位控制系统
5 动态特性
动态特性表示动态平衡时信号压力与阀杆位
移的关系。从调节器到执行机构膜头间的引压管
线，可以当成膜头的一部分，引压管线可以近似认
为是单容环节，而膜头空间也是一个气容，将两个
气容合并考虑，根据流量平衡关系，列出方程式：
Qi—Q。= c·dp2／dt
式中：C— — 包括膜头及引压管在内的容量系
数；Q — — 气体的输入流量；Q。—— 气体的输
出流量；P — — 膜头内的气体压力。
Q；与压力的关系可近似表示：
Q．= (Pl—p2)／R
式中：P。—— 调节器来的气压信号；R— — 从调
节器到执行机构间导管的阻力系数。
由于膜头是封闭的，所以Q ：o。
将Q：带入方程：
RC ·dAp2／dt+Ap2= Apl或
T ·dAp2／dt + Ap2 = Apl
式中： — — 时间常数，： R·C。
上式是调节器来的气压信号与膜头内压力之
间的微分方程式。
再看薄膜的运动，假设惯性力及摩擦力都可
忽略，则作用于薄膜上的力与弹簧反作用力在平
衡状态时有：
Ap2·A = C ·△ ，J
式中：A — — 薄膜有效面积；C —— 弹簧的钢
度；AL— — 弹簧的位移(即阀杆的位移)。
将所得两个方程式合并整理，得到气压信号
与阀杆位移的微分方程式化简：
AL／Apl= A ／(TS+ 1)·C
由此可知，气动执行机构的动态特性为一阶
滞后环节。时间常数因膜头大小及引压管长
短粗细而异，为数秒到数十秒。为了得到较好的
特性，下列几种做法值得借鉴。
第5期杜旭峰等仪表设计中执行器的选用 · 89 ·
(1)选择合适的管径。管径加大，能使尺下
降，但同时也使c上升，期间需合适选择。
(2)选择合适的管长度。
(3)加装传输滞后补偿器，它实际上是一个气
动微分器，可补偿大的时间常数的影响。
6 阀门定位器的选用
常用的阀门定位器有气动阀门定位器与电一
气阀门定位器。
阀门定位器可以实现下列功能：
(1)在干摩擦较大的场合能减小回差。
(2)在高压差的情况下补偿不平衡力的效应，
使阀杆位置不受不平衡力的影响。
(3)在阀杆移动时具有较大阻力的场合
(4)利用不同形状的凸轮，改变阀的流量特
性、气开或气关型式。
(5)改变气压作用范围，包括分程控制。
(6)改善气动管线与阀的动态特性。
通过设计经验的积累，阀门定位器的选用可
总结为以下内容：
(1)直径大于或等于150 into的直通双座调节
阀和直径大于50 mln的双座调节阀。
(2)压降大于13 kg／cm2的直通双座调节阀和
压降大于5 kg／cm2的直通单座调节阀。
(3)操作压力大于20 kg／cm2的调节阀。
(4)散热片型和长颈型调节阀。
(5)用于调节有闪蒸或气化、含悬浮颗粒、高
粘度和胶状介质的调节阀。
(6)角形、蝶形、三通和隔膜等调节阀。
(7)滞后大的调节系统(温度调节)或气动调
节器输出引线大于lOO m的场合。
7 总结
综上所述，可以看出执行器的选用是比较复
杂的，要从以下几个方面考虑：
(1)根据工艺条件，选择合适的结构类型。
(2)根据工艺对象的特点，选择合适的流量特
性。
(3)根据工艺参数，计算选择阀门口径，并考
虑5值。 ’
(4)根据阀杆受力大小，选择执行机构。
(5)根据工艺过程，选择合适的辅助装置。

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