用现代工具确定控制阀和执行器的大小

来源:荣格

发布时间:2019年3月2日下午 12:03:22

用于确定阀门和执行器尺寸的工具已经今非昔比,这为确保控制阀和执行器的正确应用提供了更好的保障。
阀门尺寸的确定和控制阀的正确应用总是相辅相成。随着时间的推移,阀门用户可资利用的工具已今非昔比。过去,阀门尺寸的计算需要依靠专门设计的滑尺进行。其中一些滑尺至今仍然在用,其历史可追溯到在流量系数Cv概念引入之前的20世纪30年代末。随着时间的推移,新技术逐渐在工业中得到了应用。
 
用现代工具确定控制阀和执行器的大小
早期控制阀尺寸制定软件
1978年左右,一些阀门制造商为HP97可编程计算器提供程序,其中的许多程序包括噪声计算。此后,惠普公司的个人电脑(PC)出现,几家阀门制造商开始为PC提供尺寸制定程序。
 
起初,这些程序很简单,要求用户输入特定的阀门参数,如FL和xT。一旦计算出一个Cv,用户需要在制造商提供的表格中查找Cv值,以便确定哪个尺寸的阀门可以在可接受的阀门行程水平下运行。
 
一旦确定了这一点,通常需要手动调整FL或xT值。此外,由于异径管的作用,经常会遗漏或错误地修正Cv和FL或xT。由于修正异径管的影响而需要修正Cv和FL或xT的公式中含有需要求解的Cv值,因此有必要进行迭代计算。对于原始的、速度较慢的计算机来说,这是一个耗时的过程。
 
日益成熟的控制阀尺寸制定软件
如今,大多数制造商的控制阀软件已经相当成熟,这意味着这类程序包含所有必要的阀门参数,并将最终用户确定尺寸的过程缩减至一到两个步骤。一些阀门尺寸软件甚至可以建议它认为的最优选阀门尺寸。在软件中拥有所有参数的缺点是,尽管一些制造商提供的软件包括最常见型号的通用阀门数据,大多数制造商只能有效地调整自己的阀门尺寸。
 
也许控制阀尺寸软件包中所含的最新、最强大的工具可以绘制出安装流量特性和系统中安装了特定阀门后的收益。程序在已安装的特性图上绘制两条垂直线,以表示特定最小和最大流量(本例中为80 gpm和550 gpm)在阀门特性图上的位置。图1显示的是,拟议中包含大量管道和离心泵的系统中所用的两种尺寸分段球阀的安装流量和增益。这意味着,随着阀门行程和流量的变化,整个控制阀的压降也会发生变化。
 
3英寸和6英寸阀门比较
对于6英寸的阀门,除了最大流量550gpm外,还有很多代价高昂而不必要的被浪费的流量输送能力。在流量的低端段上,安全系数不高。3英寸阀门占用了总行程的大部分范围,最小和最大规定流量对称地分布于阀门安装流量特性曲线上。使用3英寸阀门时,指定控制范围两端的安全系数相同。
用现代工具确定控制阀和执行器的大小
图1显示的是拟议中包含大量管道和离心泵的系统中所用的两种尺寸的分段球阀的安装流量和增益。这意味着,随着阀门行程和流量的变化,整个控制阀的压降也会发生变化。
 
可以在安装增益图中查看阀门如何控制这一过程的真实情况。“x”轴的比例以q/qm为单位,“q”为实际流量,“qm”为最大指定流量。在80至550gpm的规定流量范围内(两条垂直线之间),6英寸阀门的增益变化很大。
 
增益变化越大,越难找到一组好的控制器调整参数,在整个流量范围内确保严格的控制和稳定的运行。
 
在最大规定流量的70%左右,安装增益达到峰值,约为3.5。1%的位置误差将导致3.5%的流量误差,因此,理想情况下,增益应尽可能接近1.0,以降低流量对位置误差的敏感度。
 
3英寸阀门的安装增益比6英寸阀门的安装增益更稳定,更接近理想的1.0。这使得在
指定的流量范围内对循环进行快速但稳定的控制变得更加容易。峰值2意味着1%的位置误差将产生2%的流量误差,而6英寸阀门的误差为3.5%。
 
不同类型线性运动转换机构
为旋转控制阀执行器选择恰当的尺寸对于确保精确控制至关重要,并且在需要时,可以紧密关闭阀门。执行器尺寸过大,成本可能超出必要范围,给控制阀总成增加不必要的重量,且不能像尺寸恰当的执行器那样快速响应控制信号的变化。执行器尺寸过小,最好的情况是不能精确控制阀门、在高工艺负荷下不能移动阀门,或者在阀门关闭时不能切断流程。
 
将线性运动转换为旋转运动的四种最常见的机构是图2所示的齿轮齿条式曲柄、销轴式曲柄、曲柄移动导杆机构和铰链式曲柄。虽然弹簧式复位执行器是最受欢迎的调节控制装置,从双动作式执行器开始,更容易了解各自的相对优势,以及它们的转换机制是如何工作的。弹簧复位型执行器具有相似的扭矩-位置特性,但其扭矩-位置特性会因弹簧的存在而发生偏差。
 
齿轮齿条式执行器的运动转换机构是指连接在转动齿轮(小齿轮)活塞上的齿轮齿。齿条和小齿轮中心之间的力臂距离在任何时候都保持不变,因此输出力矩在所有开口度下都保持不变(见图2中的橙色线)。
在销轴式曲柄机构中,活塞用销钉连接,可以自由转动。这意味着在旋转的开始和结束时,力矩比行程的中间位置短,因此扭矩输出曲线在旋转的开始和结束时是最低的,峰值在行程的中心处(见图2中的蓝色/绿色线)。
 
对于曲柄移动导杆机构,与活塞相连的连杆被限制成直线运动,这意味着在行程的开始和结束时,力臂最长;而在活塞向下运动、且与曲柄臂相连的机构向朝着旋转轴方向的槽中滑动的行程中间位置时最短(参见图2中的粉色线)。相比而言,铰链式曲柄的几何结构较为复杂,并产生复杂的扭矩输出曲线(见图2中的蓝色线)。
 
运动转换机构典型的扭矩输出特性
图2针对每种转换机构,都在图上扭矩系数1.0处绘制出额定或名义扭矩的扭矩曲线。当阀盘进/出阀座时,对常规高性能蝶阀的扭矩要求最大。阀盘离开阀座后,需要的扭矩显著下降。
 
流体与圆盘相互作用产生的动态扭矩峰值约为80度。最大扭矩要求是在90%的额定执行机构扭矩下随意绘制的,因为执行机构通常被选择具有至少10%的安全系数。额定执行机构扭矩和阀门扭矩要求通常偏于保守。尤其是进出阀座是主要考虑的启-闭类阀,只需要小的安全系数。球阀的扭矩要求与蝶阀相似。
 
当阀门进入和离开阀座时,球阀有几度 “死角”。这是球体转动但球体中的水道被阀座完全覆盖的地方,此处没有流体流动,因此全部关闭压力会将球体推入阀座。同样重要的是,要注意到球阀的扭矩不会像蝶阀那样降低,因为球体一直是与阀座接触的。
用现代工具确定控制阀和执行器的大小
图2:常见气动旋转执行器运动转换机构及其典型的扭矩输出特性;球阀、蝶阀的常见扭矩要求
 
将四个运动转换机构的扭矩曲线与示例中两个常见旋转阀扭矩要求进行比较,表明了在选择和调整合适的执行机构时需要认识到的事项。齿轮齿条的尺寸应确保其恒定扭矩的安全系数(通常为10%)高于让阀门进入或离开阀座的要求。为了顺利和准确地控制阀门,成功的经验法则是:确保执行器不会使用高于节流范围内40%至60%的可用扭矩。这给了固定曲柄一个优势,因为只要它能具有恰当的扭矩,使阀进出阀座,在节流范围内就会有大量备用的扭矩,使它得到良好的控制。
 
尽管曲柄移动导杆机构的扭矩曲线符合示例中两只阀门的要求,如果其尺寸是基于进出阀座通常所需的小的安全系数,则为实现最佳控制所需的备用扭矩最小。铰链式曲柄很有意思,因为进出阀座涉及到许多安全因素,并准确地遵循中间位置的要求。
 
大多数弹簧和隔膜旋转执行器使用销式曲柄机构,因此,它们的扭矩曲线会在中间行
的某个地方达到峰值,如图3所示。由于施加了弹簧作用力,弹簧复位执行器的扭矩曲线变得更加复杂。空气产生扭矩,但需要抵消弹簧反作用力(弹簧的反作用力随着执行器的旋转而增大)的气动行程,与由弹簧作用力产生扭矩但作用力逐渐减小的弹簧行程的曲线是不同的。
 
当需要选择执行器,以便其具有足够的扭矩使阀门进出阀座时,必须根据行程末端较低的扭矩来做决定。例如,如果阀门是由弹簧控制关闭的,将根据弹簧行程末端的扭矩选择执行器,以确保执行器能够可靠地关闭阀门。对于由弹簧控制开启的阀门,可按照气动行程末端的扭矩选择执行器。
用现代工具确定控制阀和执行器的大小
图3:带销轴曲柄运动转换机构的弹簧复位执行器的典型扭矩曲线
 
多年来,阀门制造商发布了阀门尺寸、工艺压差和执行器尺寸表,以帮助用户为特定应用选择合适的执行机构。一般来说,这些表通常会让选择的执行器性能令人满意,但最近阀门制造商一直在开发执行器尺寸选择软件。该软件包括执行器的几何结构、阀门几何结构和作用于阀门的动态过程的力的数学分析,以准确地为特定阀门和工艺推荐最佳的执行器。
用现代工具确定控制阀和执行器的大小
图4:分析阀门和执行器几何尺寸和施加到阀门上的过程作用力的计算机程序
 
图4显示了阀门尺寸参数、执行器几何结构和作用于阀门的过程中的动力学计算机分析结果。根据工艺条件、阀门类型和尺寸,程序计算每个给定流量条件下阀门行程百分比,或者在本例中,阀门行程范围为21.4%至74.1%(见图4中编号为1、2和3的框)。
 
根据工艺条件和阀门结构(框4),程序计算出所需的阀座和脱座扭矩(框6),还计算出了每个给定工艺条件点进行小幅开闭节流调整所需的扭矩(框7)。利用为所选执行器计算的扭矩输出曲线,程序计算进出阀座的载荷系数及节流载荷系数。
载荷系数的定义是:执行器有效扭矩占移动阀门实际所需行程之比的百分比。
 
结论
随着工业流程的不断发展,维护和控制这些流程的工具也会相应不断变化。效率和盈利能力取决于控制阀和执行器等工艺元件的尺寸规格和安装适当。当然,用于确保尺寸适当的工具将会继续与系统的其余部分一起发展。
 
作者 Jon Monsen || Valin Corporation
 

Tell A Friend

评论

Image CAPTCHA