控制阀选型应用

叶敏

摘 要 针对控制阀在现代工业自控系统中的重要作用，根据工艺要求正确地选择阀门类型，执行器以及控制附件，对实现安全稳定运行，提高生产效率起着重要作用。

关键词 控制阀;选型;阀型;执行器及附件

1概述

在现代工业的自动控制系统中，最常用的终端控制元件就是控制阀，其有效控制生产过程中的工艺参数，来达到对流体压力，温度，流量及液位的调节，是工业自动化控制系统中的“手脚”，被广泛应用于石油化工，电力，冶金，市政以及制药，饮料等行业。

现代企业生产过程控制效果的好坏，控制阀工作寿命的长短，主要取决于控制阀选型是否合理。合理的选型才能保证控制回路中工艺参数不超出要求的工作范围，保证终端产品的质量。另外合理选型不但可以优化控制，提高生产效率，还可延长阀门的使用周期，降低维护费用及生产成本。

控制阀主要由阀门，驱动执行机构，以及各种控制附件组成。在选型中，既要选择适合工况和流量特性要求的阀门类型，同时要选择保证阀门安全稳定运行的执行机构以及控制附件。

2阀型的选择

控制阀类型主要有直行程和角行程类型，不能笼统断定哪一种类型控制阀是最好的，其实制造商一直都在生产不同类型的控制阀，以对应不同的工况。

直行程阀通过上下行程推力实现阀门开闭及流量范围的控制。直行程控制阀是各种控制阀类型中相当成熟的一种，它能提供最大范围的应用;同时在阀门的紧固性、密封性和阀座密封规则上有很大优势。典型类型有单座阀，双座阀，笼式阀，三通阀，隔膜阀。单座阀是最常见的阀体类型，能够处理大部分工况要求。其结简单，通常被应用于要求严密关闭的场合。可选用金属对金属阀座表面，或者金属对PTFE或复核材料组成的软阀座。单座阀可适用于高温高压的工况，小规格可应用于高压差工况，其配备多系列阀芯，CV值和固有流量特性可通过更换不同的阀芯得到改变，不同阀芯形状具有不同流量特性。可在不增加管道变径的需求下，满足流量调节要求。单座阀其流体介质通常把负载加在阀座的整个区域，选择执行器时需要考虑不平衡力，所以需配推力较大的执行机构，通常以小口径为主。双座阀采用两个阀芯和两个阀座，因为流体趋向于打开一个阀座，并同时关闭另一个阀座，阀芯上的动作力趋于平衡，相比单座阀，其所需的执行器更小，而且流通能力更大，口径更大。笼式阀由阀芯和阀笼组成阀内件，可减少不平衡力，稳定性好，可降低噪音和抵抗气蚀影响。但价格比单座阀，双座阀贵，泄漏量大，不适合有颗粒或者较脏污的工况[1]。

在遇到具有腐蚀介质调节时，还可以选择衬塑类型隔膜阀，但其流量特性近似快开，调节品质较差。所以针对腐蚀介质，可选择特材的单座阀，既可以抗腐蚀，又满足调节性能需求。

大多数直通阀采用顶装式，这样就可以在线更换阀门内件，不用拆卸管道法兰。直行程控制阀是最通用的类型，但是价格也较贵，特别是大口径的。在相同口径下，角行程控制阀相比直行程控制阀具有更大流通能力，在众多产业的公用工程水单元大量使用。角行程控制阀通过阀芯0-90度旋转力运动，实现阀门开闭及流量控制，如球阀，蝶阀，偏心旋转阀。

球阀根据球形特点，主要分为O形球和V形球。O形球为通道无阻力，常用于大流量场合。V形球具有近似等百分比流量特性，且可调比大。“V”形球芯与阀座的相对旋转运动，可产生剪切作用，所以更适用于冲蚀性、高黏度、悬浮流、含纤维介质的调节和切断。球阀具有直流通道，其流通能力约为同口径直行程阀的两倍。但球阀通常没有多种阀内件可选择，也不可能通过更换球芯来改变固有流量特性。

蝶阀是用于流体控制中最普通的旋转调节阀，适用于低压、中压，及大流量的场合。其体积小、重量轻，比相同口径的球阀轻几倍，价格也更便宜，所以特别适用于大口径的场合。一般当 DN>300mm时，会更多考虑用蝶阀来完成。蝶阀根据结构特点可分为中线和偏心蝶阀，中线蝶阀更多采用软密封形式，使用用工况一般的场合，温度及压力范围有限。偏心蝶阀开启时，阀板偏心结构会把阀板更快拉离密封，从而把密封磨损减少到最小，适用于开关频率较高场合。另外偏心蝶阀其阀座密封采用先进的金属密封结构，可适用的介质温度及压力范围更宽。如三偏心蝶阀，使用金属硬阀座夹带石墨和弹簧组合，在增加强度的同时可以最大限度增加自适应调节密封的特点。

偏心旋转阀综合了球阀和蝶阀的长处，流路简单，调节性能好，适用于有结晶，颗粒，脏污介质场合。阀体体積小，重量轻，阀座密封可靠。开启时摩擦小，延长阀座寿命。在流开、流闭和高压差下都能稳定运行[2]。

3执行器及附件的选择

驱动控制阀动作的执行器，主要有气动，电动，或者电液装置。在有供气站条件下，可选择气动驱动，更清洁环保，如果没有供气条件，选择电动执行器更便利。

气动操作的控制阀执行器是使用普遍的一种执行器，尤其适用于口径规格不大的阀门。气动执行器具有结构简单，维修方便，价格低廉，清洁环保等特点。薄膜式执行器有单弹簧和多弹簧结构，可适用于直行程和角行程阀门。气动活塞式之器，分为单作用带弹簧结构和双作用不带弹簧结构。气动执行器的输出力与可提供的供气压力有关。气动控制阀配置定位器，阀位变送器，空气过滤减压阀，手动操纵器，电磁阀，保位阀，气动放大器以及限位开关等附件，实现调节需求。

定位器是气动调节阀的核心部件，对阀门起定位作用。它将阀杆位移信号作为反馈测量信号，以DCS或控制器输出作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，定位器输出控制信号到执行机构，驱使执行机构动作，建立阀杆位移与控制器输出信号之间的一一对应关系。因此，阀门定位器是以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。定位器按其结构形式和工作原理可以分成气定位器、电-气阀门定位器和智能式阀门定位器。随着技术的发展，更新换代，目前应用最广泛的为智能式定位器。智能型电气阀门定位器与常规定位器相比，具有控制精度高、能耗低、调整方便、适用范围广、能任意选择调节阀的流量特性等优点，可以配置HART和总线通信技术。可使用诊断以维持回路性能水平，通过DSC，PC软件工具，或者手操器，用户能够在线诊断阀门的健康状况。

电动执行器对于无法提供气源压力的场合，是个便利的选择。电动执行器是采用电动机和减速装置来移动调节阀门的执行机构。在大型精确控制项目中的，由于电动执行器具有动作迅速、响应快、所用电源取用方便、便于进行远距离的信号传递，所以电动执行器被广泛应用。由于电动执行器由电机、减速齿轮箱、控制单元等组成，当实现大推力时，其体积太庞大，封闭的结构又会产生热，增加防火性和防爆性的安全隐患。整体来说电动执行器比相同性能的气动执行器更昂贵。电动执行器是一个技术快速发展的领域，未来可能会有更多的使用电动执行器的转变。

电液执行机构结合了电子技术和液压技术两个方面的优势，主要用于需要大推力、大力矩、快速响应等场合。只需给电机提供电源，和由控制器提供一个电气输入信号。执行器正常地通过很小的调整即可更换作用方向，电液执行机构在大项目中使用更为广泛。

另外在控制阀选型设计中，需要多方面考虑，既要满足技术需求，安全应用，同时也要从成本考虑性价比。在化工等工业自动化生产线中，压力、温度既是生产工艺的技术指标，又是安全监控的重要指标。因此，在选型时我们必须把控制阀的温度、压力和材质三个条件放在首位，严把安全关。设计时同时要考虑工艺流体气蚀的影响，气蚀带来高噪音，强烈振动很快会导致阀门损坏，维修成本增加。选择控制阀时必须考虑购买费用，安装和维护成本，更换备件成本等。

4结束语

控制阀的正确选型是过程控制系统稳定运行的关键一步，选型好坏直接影响到流体控制效果，进而影响系统控制品质，所以选型工作需要在实际运用中不断探索和总结，才能真正发挥其在工业过程自动化控制中的“手脚”作用。

参考文献

[1] 张毅，张宝芬，曹丽，等.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京：化学工业出版社，2004：79.

[2] 费希尔控制设备国际有限公司.控制阀手册[M].美国：费希尔控制设备国际有限公司，2005：219.