过程控制 第四章 调节阀
调节阀的工作原理
调节阀的工作原理调节阀是一种用来调节流体流量、压力和温度的装置，广泛应用于工业生产和流程控制系统中。
它能够根据需要自动调整流体的流量或压力，以保持系统的稳定运行。
本文将详细介绍调节阀的工作原理，包括常见的调节阀类型、工作原理及其应用。
一、调节阀的类型根据调节阀的工作原理和结构特点，常见的调节阀可以分为以下几种类型：1. 堵塞式调节阀：堵塞式调节阀是最常见的一种调节阀，它通过改变流体流通的截面积来调节流量。
当阀芯向下移动时，流通截面积减小，流量减小；当阀芯向上移动时，流通截面积增大，流量增加。
这种调节阀适用于液体和气体的调节。
2. 调节球阀：调节球阀是一种通过旋转球体来调节流量的阀门。
当球体旋转时，流体可以通过球体的孔隙，流量大小取决于球体孔隙的大小。
调节球阀具有结构简单、密封性能好等优点，广泛应用于液体和气体的调节。
3. 调节蝶阀：调节蝶阀是一种通过旋转蝶板来调节流量的阀门。
蝶板可以围绕阀轴旋转，改变流体流动的通道大小，从而实现流量的调节。
调节蝶阀结构简单、体积小、重量轻，适用于中小口径的流量调节。
4. 调节节流阀：调节节流阀是一种通过改变流体流通的截面积来调节流量的阀门。
它主要由节流装置和阀体组成，通过改变节流装置的开度来调节流量。
调节节流阀适用于高压、高温和腐蚀介质的调节。
二、调节阀的工作原理基于流体力学和控制理论，其主要包括以下几个方面：1. 流体力学原理：调节阀通过改变流体流通的截面积来调节流量。
当阀芯或阀板向下移动时，流通截面积减小，流速增加，流量减小；当阀芯或阀板向上移动时，流通截面积增大，流速减小，流量增加。
2. 控制理论：调节阀通常与传感器、控制器和执行器等设备配合使用，形成闭环控制系统。
传感器可以感知流体的压力、温度和流量等参数，将这些参数转化为电信号传送给控制器。
控制器根据设定值和传感器反馈的实际值进行比较，并通过执行器控制阀门的开度，使流体达到设定值。
3. 动力平衡原理：调节阀在工作过程中需要克服流体的压力差，阀芯或阀板上的压力平衡装置能够减小阀芯或阀板所受的压力差，降低阀门的开启力矩，提高调节阀的灵敏度和控制精度。
过程控制-第四章
> 分类
气动调节阀 按使用能源分 电动调节阀 液动调节阀 直行程 角行程 P→l→Q I→l(θ)→Q
气动调节阀（广泛应用） 优点：以压缩气体为能源，结构简单、动作可靠稳定、输出力 大、安装维修方便、价格便宜、防火防爆 缺点：响应时间大、信号不适于远传 电动调节阀 优点：动作较快、特别适于远距离的信号传送、能源获取方便 缺点：价格较贵、一般只适用于防爆要求不高的场合
根据流体通过调节阀时对阀芯的作用方向，分为流开阀和流闭阀。 根据流体通过调节阀时对阀芯的作用方向，分为流开阀和流闭阀。 流开阀 流开阀稳定性好，有利于控制，一般情况下多采用流开阀。 流开阀稳定性好，有利于控制，一般情况下多采用流开阀。 阀芯有正装和反装两种形式。阀芯下移时， 阀芯有正装和反装两种形式。阀芯下移时，阀芯与阀座间的流通截 面积减小的称为正装阀；反之为反装阀。 面积减小的称为正装阀；反之为反装阀。
1.
定义
不同单位制下流量系数的定义不同。采用国际单位制时，流 量系数定义为：
在调节阀全开，阀前后压差为100kPa，流体密度为1g / cm3 (5 ~ 40o C的水) 时，每小时通过阀门的流量数（m3）。
例：若调节阀全开时，阀前后压差为400KPa，每小时通过的清水 400 KPa 流量为100m3 ,问阀的流量系数KV 为多少？ Q 100 解：KV = = = 50 ∆P 4 1 ρ
（4-7）
式中，Qmax ——总管最大流量； Q1min ——调节阀最小流量； Q2 ——旁路流量。
>并联管道时的实际可调比
Rr = Qmax Q1min + Q2 （4-7）
令x为调节阀全开时的流量与总管最大流量 之比，即： Q x = 1max Qmax
调节阀讲义PPT课件
工作压力
根据管道系统的工作压力选择 调节阀的额定压力，确保阀门 安全可靠。
控制精度
根据工艺要求选择调节阀的控 制精度，确保满足生产需求。
安装前准备工作和步骤
检查调节阀
在安装前对调节阀进行外观检查，确 保无损坏、无缺陷。
准备安装工具和材料
准备好安装所需的工具（如扳手、螺 丝刀等）和密封材料（如垫片、密封 胶等）。
建立完善的故障诊断和维修体 系，提高维修效率和质量。
06
发展趋势及新技术应用前 景
当前存在问题和挑战
精度和稳定性问题
现有调节阀在精度和稳定性方面仍有待提高，特别是 在高压、高温等极端工况下。
智能化程度不足
传统调节阀缺乏智能化功能，无法实现远程监控和自 动调节。
节能环保要求
随着环保意识的提高，对调节阀的节能环保性能要求 也越来越高。
适用范围
适用于流体管道中需要直角转弯的场合。
04
选型、安装与调试注意事 项
选型依据和建议
公称通径
根据管道系统的公称通径选择 合适的调节阀通径，确保流体 顺畅通过。
温度范围
考虑介质的工作温度范围，选 择能够适应相应温度的调节阀。
介质类型
根据介质的不同（如气体、液 体、蒸汽等），选择适合的调 节阀类型和材质。
02
调节阀性能指标与评价
流量特性曲线分析
流量特性曲线概念
描述调节阀相对开度与相对流量之间关系的曲线。
流量特性曲线类型
线性、等百分比、快开等。
流量特性曲线选择
根据工艺要求、系统特性及调节阀本身特性进行 选择。
泄漏量与密封性能评估
泄漏量定义
影响密封性能的因素
在规定的压差和温度下，调节阀处于 关闭状态时，流经阀门的流体量。
A3000过程控制实验指导 第四章
第四章串级控制系统实验第一节串级控制系统的连接实践一、串接控制系统的组成图4-1是串级控制系统的方框图。
该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的设定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
图4-1 串级控制系统的方框图R-主参数的给定值 C1-被控的主参数 C2-副参数f1(t)-作用在主对象上的扰动 f2(t)-作用在副对象上的扰动二、串级控制系统的特点1.改善了过程的动态特性由负反馈原理可知，副回路不仅能改变副对象的结构，而且还能使副对象的放大系数减小，频带变宽，从而使系统的响应速度变快，动态性能得到改善。
2.能与时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力串级控制系统由于比单回路控制系统多了一个副回路，当二次扰动进入副回路，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当扰动还没有影响到主控参数时，副调节器就开始动作，与时减小或消除扰动对主参数的影响。
基于这个特点，在设计串级控制系统时尽可能把可能产生的扰动都纳入到副回路中，以确保主参数的控制质量。
至于作用在主对象上的一次扰动对主参数的影响，一般通过主回路的控制来消除。
3.提高了系统的鲁棒性由于副回路的存在，它对副对象（包括执行机构）特性变化的灵敏度降低，即系统的鲁棒性得到了提高。
具有一定的自适应能力串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动系统。
主调节器能按照负荷和操作条件的变化，不断地自动改变副调节器的给定值，使副调节器的给定值能适应负荷和操作条件的变化。
三、串级控制系统的设计原则1.主、副回路的设计1)副回路不仅要包括生产过程中的主要扰动，而且应该尽可能包括更多的扰动信号。
2)主、副对象的时间常数要合理匹配，一般要求主、副对象时间常数的匹配能使主、副回路的工作频率之比大于3。
为此，要求主、副回路的时间常数之比应该在3～10之间。
调节阀的工作：原理与工作机制
调节阀的工作：原理与工作机制调节阀作为工业自动化控制的关键组件，广泛应用于石油、化工、电力、冶金、环保等多个领域。
它们的主要作用是根据控制系统的信号，自动调节流体的流量，以维持工艺过程的稳定性和精确性。
请跟随北高科阀门一起深入探讨调节阀的工作原理和工作机制，为工程师和技术人员提供专业的技术参考。
一、调节阀的基本组成调节阀主要由阀体、阀盖、阀芯、阀座、执行机构等部分组成。
阀体和阀盖构成阀门的外壳，阀芯和阀座则负责控制流体的流通，执行机构则提供动力，驱动阀芯移动。
二、调节阀的工作原理1. 输入信号：控制系统根据工艺要求，输出一个信号给调节阀的执行机构。
2. 信号转换：执行机构将输入信号转换为机械位移，如气动执行机构将气压信号转换为活塞的直线运动。
3. 阀芯移动：执行机构的机械位移带动阀芯在阀座内上下移动，改变流体通道的截面积。
4. 流量调节：随着阀芯位置的改变，流体的流量相应变化，从而达到调节工艺参数的目的。
三、调节阀的类型1. 直通单座调节阀：结构简单，适用于一般介质的流量控制。
2. 直通双座调节阀：具有较好的密封性能和平衡性，适用于压差较大的场合。
3. 角式调节阀：流体流动方向发生改变，适用于安装空间受限的场合。
4. 蝶阀：结构紧凑，适用于大流量、低压差的控制。
四、调节阀的流量特性1. 线性特性：阀芯移动与流量变化成线性关系，适用于控制精度要求不高的场合。
2. 等百分比特性：阀芯移动与流量变化的平方根成线性关系，适用于控制压力变化的场合。
3. 抛物线特性：阀芯移动与流量变化的平方成正比，适用于控制粘度变化的场合。
五、执行机构的类型1. 气动执行机构：利用压缩空气作为动力源，结构简单，反应速度快。
2. 电动执行机构：利用电力作为动力源，控制精度高，适用于智能控制系统。
3. 液动执行机构：利用液压油作为动力源，输出力大，适用于大型阀门。
六、调节阀的控制方式1. 开关控制：阀门只有全开和全关两种状态，适用于简单的启停控制。
过程控制第四章 阀门讲解
气体的阻塞流
液体的阻塞流
液体 不阻塞 p FL2 ( p1 FF pv )
C QL L /( p1 p2 )
阻塞 p FL2 ( p1 FF pv )
气体 不阻塞 x FK xT
阻塞
x FK xT
蒸汽 不阻塞 x FK xT
C QL L / FL2 ( p1 FF p2 )
变
送
安全栅
器
调节器
执
安全栅
行 器
电源单元 工业交流电
• 电阻式 • 中继放大式 • 齐纳式 • 光电式 • 变压器式
齐纳式安全栅
危
R
险
场
所
Ii
Fu
安
全
Vi
场
所
• 限流电阻（通过信号正常时，阻值为0；电 流一旦超出安全范围，阻值骤）
• 电路没有进入保护状态时，接地不起作用 （避免信号通过大地短接或者形成干扰）
p
在调节阀前后差压固定时，有
p1
p2
q Q C f Q100 的结构特性
2）工作流量特性
（1） 串联管系调节阀工作流量特性
全开阀阻比：
S100
p100 p
p100 p100 pe
ΣΔp Σ Δ pe
△p
流量特性： q f 1/[( 1 1) f 2 1]
第四章 调节阀
§4-1 气动调节阀结构 §4-2 调节阀的流量系数 §4-3 调节阀结构特性和流量特性 §4-4 气动调节阀选型
§4-1 气动调节阀结构 执行机构 阀门定位器
阀 气动薄膜调节阀实物图
自动调节阀
自动调节阀
执行机构
过程控制课件--调节阀共71页文档
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
过程控制课件--调节阀
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
过程控制系统课件第四章调节单元
u = KC e
即调节作用是以偏向存在为前提条件，不可能
做到无静差调节。
在实际的比例控制器中，习惯上使用比例度δ来表 示比例控制作用的强弱。
所谓比例度就是指控制器输入偏向的相对变化 值与相应的输出相对变化值之比，用百分数表示。
( e / u )100%
em axem in um axum in
式中e为输入偏向；u为控制器输出的变化量； 〔emax - emin〕为输入的最大变化量,及输入量程； 〔umax –umin〕为输出的最大变化量，即控制器 的输出量程。
DDZ-Ⅲ型基型调节器 模拟式控制器用模拟电路实现控制功能。其开展 经历了Ⅰ型〔用电子管〕、Ⅱ型〔用晶体管〕和Ⅲ 型〔用集成电路〕。
1 DDZ-Ⅲ型仪表的特点4～20mA.DC； 内给定信号：1～5V.DC； 测量与给定信号的指示精度：±1％； 输入阻抗影响：≤满刻度的0.1％； 输出保持特性：－0.1％〔每小时〕； 输出信号：4～20mA.DC； 调节精度：±0.5％； 负载电阻：250～750Ω。
1 比例调节规律 比例控制数学表达式 ：
u(t)Kce(t)
u(t)为调节器输出的增量值， e(t) 为被控参数与给定值之差。
纯比例调节器的阶跃响应特性
❖ 比例控制的特点
❖ 控制及时、适当。只要有偏向，输出立即成比 例地变化，偏向越大，输出的控制作用越强。
控制结果存在静差。因为，假如被调量偏向为 零，调节器的输出也就为零
比例度:
( e / u )100%
em axem in um axum in
假如控制器输入、输出量程相等，那么:
u
e100% 1 100%
umax
u
KC
比例度除了表
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调节阀是一个局部阻力可变的节流元件．对于不可压缩的流体，由能量 守恒(伯努利方程)可知，调节阀上的压力损失为：
h
p1 p 2
g
v
2
(4-1)
2g
式中，ξv为调节阀阻力系数；g为重力加速度；ρ为流体密度；p1, p2为 调节阀前后压力；ω为流体平均速度． 因为
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补充知识: 伯努利方程
p
1 2
v gh const
2
1)伯努利方程表述的是理想 流体作定常流动时，流体 中压强和流速的规律。 2)在流动的流体中，流速大 的地方压强小；流速小的 地方压强大。 3)伯努利方程阐明的位能、 动能、静压能相互转换的 原理.
过程控制
9
二 阀
阀(或称阀体组件)是一个局部阻力可变的节流元件．普通阀包括阀芯, 阀座和阀杆等． 根据流体通过调节阀时对阀芯作用方 向分为流开阀和流闭阀． 流开：介质的流动方向有推动阀门打 开的趋势，称流开 ． 流闭：介质的流动方向有推动阀门关 闭的趋势，则称流闭. 流开阀稳定性好,有利于调节,一般多 采用流开阀 阀的作用: 阀杆位移L---调节流量Q
L 过程控制 (国际单位制(SI)) p
过程控制
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阀的结构形式及选择
(1)直通单座控制阀。阀体内只有一个阀芯和阀座， 如图所示。其特点是结构简单，泄漏量小，易于保 证关闭甚至完全切断。但是在压差较大的时候，流 体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡推力 会影响阀芯的移动。因此直通单座控制阀一般应用 在小口径、低压差的场合。
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图
直通单座控制阀
图
直通双座控制阀
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(3)角型控制阀. 角型控制阀的两个接管呈直角形, 其他结构与单座阀相类似。角型阀的流向一般为底 进侧出，此时其稳定性较好；在高压差场合，为了 延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向，但容易 发生振荡。角型控制阀流路简单，阻力较小，不易 堵塞，适用于高压差、高黏度、含有悬浮物和颗粒 物质流体的控制。 (4)隔膜控制阀. 隔膜控制阀采用耐腐蚀衬里的阀体 和耐腐蚀隔膜代替阀芯阀座组件,由隔膜位移起控制 作用, 如图所示. 隔膜控制阀结构简单, 流路阻力小, 流量系数较同口径的其他阀大. 由于介质用隔膜与外 界隔离, 故无填料, 介质也不会泄漏,所以隔膜控制阀 无泄漏量. 隔膜控制阀耐腐蚀性强, 适用于强酸, 强 碱, 强腐蚀性介质的控制, 也适用于高黏度及悬浮颗 粒状介质的控制。
ⅰ) 产生阻塞流的原理
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过程控制
23
产生的条件： p p 1 p 2 F L 2 ( p 1 F F p v )
p1---调节阀进入端压强, FF---液体临界压力比系数 pc---介质临界压力
F F 0 .9 6 0 .2 8
p cr p vcr
一 气动执行机构
气动执行机构有薄膜式和活塞式两种．常 见的气动执行机构均为薄膜式，它结构简 单，价廉，输出行程小． 气动薄膜式执行机构作用型式： 正作用: 信号压力增加时，推杆向下移动 (ZMA)
反作用: 信号压力增大时，推杆向上移动 (ZMB)
执行机构作用：将气压p--->阀杆位移L 2012-11-3 过程控制
的规律. 右图中,
当压降大于 p cr 时, 就会出现 阻塞流, 此时按4--4计算出的流量 会大大超过阻塞流Qmax, 因此在计 算C值时首先要确定调节阀是否处 于阻塞流情况．
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P1恒定时Q与
p
的关系
22
① 气体的阻塞流条件： 压差比x= △p/p1 ≥xTFk xT---空气在某一调节阀时的临界压 差比,决定于调节阀结构(表4.3) Fk---比热比系数,气体与空气的绝热 指数之比, Fk=k/kair (kair=1.4) (表4.9) ② 液体(不可压缩流体)的阻塞流 调节阀内流体压力梯度图 p1 p2
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过程控制
3
三种执行器的特点比较
比较项目 气动执行器 电动执行器 液动执行器
结构 体积 推力 配管配线 动作滞后 频率响应 维护检修 使用场合 温度影响 成本
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简单 中 中 较复杂 大 狭 简单 防火防爆 较小 低
复杂 小 小 简单 小 宽 复杂 隔爆型才防火防爆 较大 高
Q C ( p1 p 2 )
阻塞流是指, 当阀前压力p1保持恒定而逐步降低阀后压力p2时, 流经调 节阀的流量会增加到一个最大极限值, 若再继续降低p2流量也不再增加, 此极限流量称为阻塞流． 此时,调节阀的流量与阀前后压降 △p=p1-p2的关系以不再遵循公式
C Q ( p1 p 2 )
Q F
(4-2)
p1 Q
p2
Q—流体体积流量， F---调节阀流通截面积
F:阀通流截面积 ξν :阀阻力系数
ρ：流体密度 g:重力加速度
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过程控制
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由上两式可得调节阀流量方程
Q
AF
p1 p 2
v
(4-3)
A---与单位制有关的常数
v 而变化
当 ( p1 p 2 )
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阀芯的正装和反装： 正装阀：阀芯下移，阀芯与阀座间的流通截面积减小
反装阀：阀芯下移，阀芯与阀座间的流通截面积增大
阀的开关方式： 无气压时关闭
气开式：阀的开度随气压的增大而增大: p↑ f↑ 气关式：阀的开度随气压的增大而减小: p↑ f↓ 执行机构与阀门的配合 根据执行机构正、反作用型式以及阀芯的正装、反装可以实现调节阀的 气开、气关方式：
图
角型控制阀
图
隔膜控制阀
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(6)蝶阀. 蝶阀又名翻板阀, 如图所示. 蝶阀具有结构简单, 重量 轻, 价格便宜, 流阻极小的优点, 但泄漏量大, 适用于大口径,大 流量,低压差的场合,也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质 的控制。
(7)球阀. 球阀的阀芯与阀体都呈球形体, 转动阀芯使之处于不 同的相对位置时, 就具有不同的流通面积, 以达到流量控制的 目的, 如图所示。
pv---入口温度下流体介质饱和蒸汽压
pv pc
FL---压力恢复系数 F L
( p1 p 2 ) c r ( p1 p v c r )
对于一个给定的调节阀,FL为一个固定常数,它只与阀结构,流路形式有关, 与阀口径大小无关. 查表4.3可得到. 流量(液体)系数C的计算: 运算时单位: ① 判断是否产生阻塞流，判别条件按上式 QL---m3/h
2012-11-3 过程控制 2
温度控制系统示意图
调节阀按所用能源可分为气动, 电动和液动三类．
气动: 压缩空气作为能源, 结构简单, 输出推力 较大, 维修方便, 价格低廉, 防火防爆 按能源分 电动: 能源取用方便, 信号传递迅速, 但结构复 杂, 防爆性能差 液动: 液动控制阀推力最大, 但较笨重, 现已很 少使用
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“气开”与“气关”的选择原则
基本原则: 根据安全生产的要求选择控制阀的气开气关。 若无气源时, 希望阀全关, 则应选择气开阀; 若无气源时,希望 阀全开,则应选择气关阀. 实际应用：
当气源中断或电源中断时，
•进入装置的原料、热源应切断: 进料阀选气开 •切断装置向外输出产品: 出料阀选气开 •精馏塔回流应打开: 回流阀选气关
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图
蝶阀
过程控制
图
球阀
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三、阀门定位器
气动阀门定位器是一种辅助装置, 根据调节器来的气动信号控制气动调 节阀门部件, 使阀门开度处于精确位置. 其应用场合为: (1) 提高系统控制精度． (2) 系统需要改变调节阀的流量特性． (3) 组成分程控制系统 并不是任何情况下采用阀门定位器都是合理的．在如液体压力和流量 这样的快速控制过程，使用阀门定位器可能对控制质量有害．
② 如果未发生阻塞流，则△p=p1-p2
发生了阻塞流，则△p＝FL2(p1-FFpv) ③ 按公式计算 C Q L
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△p---Kgf/cm2 ρ---g/cm3 (工程单位制(MKS)) 运算时单位:
L p
QL---m3/h
△p---KPa
3 ρ---g/cm24
C 10Q L
不变时，流量Q随 F
根据C的定义，在流量方程中令p1-p2=1, ρ=1可得
C A F
v
因此, 对于其它的阀前后压降和介质密度, 则有
C Q ( p1 p 2 )
(4-4)
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注意: 流量系数C不仅与流通截面积F(或阀公称直径Dg)有关，而且 还与阻力系数ξv有关．同类结构的调节阀在相同的开度下具有相近 的阻力系数，因此口径越大流量系数也随之增大; 口径相同类型不 同的调节阀，阻力系数不同，流量系数也各不相同．
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简单 大 大 复杂 小 狭 简单 要注意火花 较大 高
4
气动薄膜调节阀 电动调节阀 执行 机构
阀门定 位器
阀体
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5
执行机构 阀门定位器 阀
公称直径Dg
阀座直径dg
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§4-1 气动调节阀的结构
气动调节阀由执行机构和阀两部分组成． 执行机构: 按照控制信号的大小产生相应的输出力, 带动阀杆移动． 阀: 直接与介质接触, 通过改变阀芯与阀座间的节流面积调节流体介质 的流量