控制閥選型應用

葉敏

摘 要 針對控制閥在現代工業自控系統中的重要作用，根據工藝要求正確地選擇閥門類型，執行器以及控制附件，對實現安全穩定運行，提高生產效率起著重要作用。

關鍵詞 控制閥;選型;閥型;執行器及附件

1概述

在現代工業的自動控制系統中，最常用的終端控制元件就是控制閥，其有效控制生產過程中的工藝參數，來達到對流體壓力，溫度，流量及液位的調節，是工業自動化控制系統中的“手腳”，被廣泛應用于石油化工，電力，冶金，市政以及制藥，飲料等行業。

現代企業生產過程控制效果的好壞，控制閥工作壽命的長短，主要取決于控制閥選型是否合理。合理的選型才能保證控制回路中工藝參數不超出要求的工作范圍，保證終端產品的質量。另外合理選型不但可以優化控制，提高生產效率，還可延長閥門的使用周期，降低維護費用及生產成本。

控制閥主要由閥門，驅動執行機構，以及各種控制附件組成。在選型中，既要選擇適合工況和流量特性要求的閥門類型，同時要選擇保證閥門安全穩定運行的執行機構以及控制附件。

2閥型的選擇

控制閥類型主要有直行程和角行程類型，不能籠統斷定哪一種類型控制閥是最好的，其實制造商一直都在生產不同類型的控制閥，以對應不同的工況。

直行程閥通過上下行程推力實現閥門開閉及流量范圍的控制。直行程控制閥是各種控制閥類型中相當成熟的一種，它能提供最大范圍的應用;同時在閥門的緊固性、密封性和閥座密封規則上有很大優勢。典型類型有單座閥，雙座閥，籠式閥，三通閥，隔膜閥。單座閥是最常見的閥體類型，能夠處理大部分工況要求。其結簡單，通常被應用于要求嚴密關閉的場合。可選用金屬對金屬閥座表面，或者金屬對PTFE或復核材料組成的軟閥座。單座閥可適用于高溫高壓的工況，小規格可應用于高壓差工況，其配備多系列閥芯，CV值和固有流量特性可通過更換不同的閥芯得到改變，不同閥芯形狀具有不同流量特性。可在不增加管道變徑的需求下，滿足流量調節要求。單座閥其流體介質通常把負載加在閥座的整個區域，選擇執行器時需要考慮不平衡力，所以需配推力較大的執行機構，通常以小口徑為主。雙座閥采用兩個閥芯和兩個閥座，因為流體趨向于打開一個閥座，并同時關閉另一個閥座，閥芯上的動作力趨于平衡，相比單座閥，其所需的執行器更小，而且流通能力更大，口徑更大。籠式閥由閥芯和閥籠組成閥內件，可減少不平衡力，穩定性好，可降低噪音和抵抗氣蝕影響。但價格比單座閥，雙座閥貴，泄漏量大，不適合有顆粒或者較臟污的工況[1]。

在遇到具有腐蝕介質調節時，還可以選擇襯塑類型隔膜閥，但其流量特性近似快開，調節品質較差。所以針對腐蝕介質，可選擇特材的單座閥，既可以抗腐蝕，又滿足調節性能需求。

大多數直通閥采用頂裝式，這樣就可以在線更換閥門內件，不用拆卸管道法蘭。直行程控制閥是最通用的類型，但是價格也較貴，特別是大口徑的。在相同口徑下，角行程控制閥相比直行程控制閥具有更大流通能力，在眾多產業的公用工程水單元大量使用。角行程控制閥通過閥芯0-90度旋轉力運動，實現閥門開閉及流量控制，如球閥，蝶閥，偏心旋轉閥。

球閥根據球形特點，主要分為O形球和V形球。O形球為通道無阻力，常用于大流量場合。V形球具有近似等百分比流量特性，且可調比大。“V”形球芯與閥座的相對旋轉運動，可產生剪切作用，所以更適用于沖蝕性、高黏度、懸浮流、含纖維介質的調節和切斷。球閥具有直流通道，其流通能力約為同口徑直行程閥的兩倍。但球閥通常沒有多種閥內件可選擇，也不可能通過更換球芯來改變固有流量特性。

蝶閥是用于流體控制中最普通的旋轉調節閥，適用于低壓、中壓，及大流量的場合。其體積小、重量輕，比相同口徑的球閥輕幾倍，價格也更便宜，所以特別適用于大口徑的場合。一般當 DN>300mm時，會更多考慮用蝶閥來完成。蝶閥根據結構特點可分為中線和偏心蝶閥，中線蝶閥更多采用軟密封形式，使用用工況一般的場合，溫度及壓力范圍有限。偏心蝶閥開啟時，閥板偏心結構會把閥板更快拉離密封，從而把密封磨損減少到最小，適用于開關頻率較高場合。另外偏心蝶閥其閥座密封采用先進的金屬密封結構，可適用的介質溫度及壓力范圍更寬。如三偏心蝶閥，使用金屬硬閥座夾帶石墨和彈簧組合，在增加強度的同時可以最大限度增加自適應調節密封的特點。

偏心旋轉閥綜合了球閥和蝶閥的長處，流路簡單，調節性能好，適用于有結晶，顆粒，臟污介質場合。閥體體積小，重量輕，閥座密封可靠。開啟時摩擦小，延長閥座壽命。在流開、流閉和高壓差下都能穩定運行[2]。

3執行器及附件的選擇

驅動控制閥動作的執行器，主要有氣動，電動，或者電液裝置。在有供氣站條件下，可選擇氣動驅動，更清潔環保，如果沒有供氣條件，選擇電動執行器更便利。

氣動操作的控制閥執行器是使用普遍的一種執行器，尤其適用于口徑規格不大的閥門。氣動執行器具有結構簡單，維修方便，價格低廉，清潔環保等特點。薄膜式執行器有單彈簧和多彈簧結構，可適用于直行程和角行程閥門。氣動活塞式之器，分為單作用帶彈簧結構和雙作用不帶彈簧結構。氣動執行器的輸出力與可提供的供氣壓力有關。氣動控制閥配置定位器，閥位變送器，空氣過濾減壓閥，手動操縱器，電磁閥，保位閥，氣動放大器以及限位開關等附件，實現調節需求。

定位器是氣動調節閥的核心部件，對閥門起定位作用。它將閥桿位移信號作為反饋測量信號，以DCS或控制器輸出作為設定信號，進行比較，當兩者有偏差時，定位器輸出控制信號到執行機構，驅使執行機構動作，建立閥桿位移與控制器輸出信號之間的一一對應關系。因此，閥門定位器是以閥桿位移為測量信號，以控制器輸出為設定信號的反饋控制系統。定位器按其結構形式和工作原理可以分成氣定位器、電-氣閥門定位器和智能式閥門定位器。隨著技術的發展，更新換代，目前應用最廣泛的為智能式定位器。智能型電氣閥門定位器與常規定位器相比，具有控制精度高、能耗低、調整方便、適用范圍廣、能任意選擇調節閥的流量特性等優點，可以配置HART和總線通信技術。可使用診斷以維持回路性能水平，通過DSC，PC軟件工具，或者手操器，用戶能夠在線診斷閥門的健康狀況。

電動執行器對于無法提供氣源壓力的場合，是個便利的選擇。電動執行器是采用電動機和減速裝置來移動調節閥門的執行機構。在大型精確控制項目中的，由于電動執行器具有動作迅速、響應快、所用電源取用方便、便于進行遠距離的信號傳遞，所以電動執行器被廣泛應用。由于電動執行器由電機、減速齒輪箱、控制單元等組成，當實現大推力時，其體積太龐大，封閉的結構又會產生熱，增加防火性和防爆性的安全隱患。整體來說電動執行器比相同性能的氣動執行器更昂貴。電動執行器是一個技術快速發展的領域，未來可能會有更多的使用電動執行器的轉變。

電液執行機構結合了電子技術和液壓技術兩個方面的優勢，主要用于需要大推力、大力矩、快速響應等場合。只需給電機提供電源，和由控制器提供一個電氣輸入信號。執行器正常地通過很小的調整即可更換作用方向，電液執行機構在大項目中使用更為廣泛。

另外在控制閥選型設計中，需要多方面考慮，既要滿足技術需求，安全應用，同時也要從成本考慮性價比。在化工等工業自動化生產線中，壓力、溫度既是生產工藝的技術指標，又是安全監控的重要指標。因此，在選型時我們必須把控制閥的溫度、壓力和材質三個條件放在首位，嚴把安全關。設計時同時要考慮工藝流體氣蝕的影響，氣蝕帶來高噪音，強烈振動很快會導致閥門損壞，維修成本增加。選擇控制閥時必須考慮購買費用，安裝和維護成本，更換備件成本等。

4結束語

控制閥的正確選型是過程控制系統穩定運行的關鍵一步，選型好壞直接影響到流體控制效果，進而影響系統控制品質，所以選型工作需要在實際運用中不斷探索和總結，才能真正發揮其在工業過程自動化控制中的“手腳”作用。

參考文獻

[1] 張毅，張寶芬，曹麗，等.自動檢測技術及儀表控制系統[M].北京：化學工業出版社，2004：79.

[2] 費希爾控制設備國際有限公司.控制閥手冊[M].美國：費希爾控制設備國際有限公司，2005：219.