选择阀门执行器的考量因素

阀门执行器是控制阀的一种类型，包含许多可用选项，以满足整个工厂和独立线路实现自动化的要求。虽然概念上很简单，由一个带有输入、输出和操作阀门的装置组成，但实际上，要选择正确的阀门执行器需要考虑很多因素。由于阀门执行器在控制回路中对阀门的整体性能起着更重要的作用，所以工程师们不应对这一决定掉以轻心。

本指南将讨论两种主要类型的阀门操作、不同类型的阀门执行器、重要的阀门执行器功能、确定阀门尺寸的信息，以及选择正确阀门执行器的关键考虑因素。

·         阀门执行器类型

·         重要的阀门执行器功能

·         选择阀门执行器时的考虑因素

阀门运行的类型

控制阀有几十种类型。但从阀门执行器的角度来看，阀门运行类型主要分为两种。了解阀门的工作原理是选择适当执行器的第一步。

·         旋转（角行程）运行：包括旋塞阀、球阀和蝶阀。角行程阻尼器也属于这一类。因为运行相对简单，这类阀门通常更容易与适当的执行器配合，要求在适当扭矩下旋转90度。

·         多回转运行：这类阀门包括上升式非旋转阀杆或非上升式旋转阀杆，需要多次转动才能将阀门关闭元件从打开位置移动到关闭位置。这类阀门包括截止阀、刀形闸门、闸阀、水闸等。

阀门执行器类型

正如有许多种阀门一样，阀门执行器也有许多种。但根据其应用的动力类型和所需的移动类型，大多可分为几个常见的类别：

·           气动和液压执行器（流体动力） - 角行程式：这类执行器用途广泛，可用于供电困难或优先看重简单性、可靠性的场合。这类执行器还具有广泛的功能，从仅需提供几英寸磅扭矩的较小执行器，到可提供一百万英寸磅或大扭矩的大型执行器。大多数气动和液压执行器使用一只气缸及其它一些可将气缸中产生的直行程转换为阀门运行所需的角行程装置。增加一只反向弹簧可以在紧急情况下实现正向关闭。

·           气动和液压执行器（流体动力） - 多回转 - 当操作线性阀（如闸阀或截止阀）需要多转输出时，流体动力执行器是一种常见的解决方案。虽然这类阀门通常采用电动执行器，但气动和液压执行器在供电困难的应用中是可行的选择。

·         电动执行器 - 多回转式 ：这类阀门最常见、最可靠。能够快速操作一些最大的阀门。由一只单相或三相电机提供动力，驱动伞齿轮和直齿轮组合，再驱动一只阀杆螺母，使其作用于阀门的阀杆以打开或关闭阀门。通常包括一只分离器、一只手轮，以便在断电时进行手动操作。

·         电动执行器 - 角行程式：与多回转电动执行器的设计类似，主要区别在于，最终元件位于一个象限内，可旋转90度。这类执行器结构紧凑，通常用于较小的阀门，由于它们对电源的要求较低，因此可以配置应急电源（如电池）进行故障安全操作。

·         手动执行器 - 手动执行器使用杠杆、轮子和（或）齿轮来促进运动。手动执行器不同于自动执行器，因为自动执行器有一个外部电源以提供自动或远程操作阀门所需的力和运动。对于许多阀门，无法选择手动操作，原因可能是应用中包括远程管道中的阀门，或由于操作所需绝对力值的大小。此外，对于处于有毒或恶劣环境中的阀门，手动执行器并非实用的解决方案，在需要安全预防措施（可立即关闭）的应用中，手动执行器也不是很有用。

图1：基本型电动执行器部件

（Gears 齿轮；Motor 电机；Hand wheel      手轮；Switches    转换器）

图片：Valve-World.net

气动和液压执行器通常放在一起予以描述，运行方式类似。但两者气缸的移动方式略有不同。液压执行器通过泵中不可压缩液体来移动气缸，而气动执行器则通过压缩空气来移动气缸。由于压缩空气的消耗，对于需要大口径气缸的大型设备，气动执行器并不实用。

另一方面，与气动和电动执行器相比，液压执行器的单位成本更高，也容易发生液体泄漏，需要各种配套组件，包括电机、泵、泄放阀、储液罐、热交换器和降噪设备。

阀门执行器还可分为隔膜执行器、直接作用和反向作用执行器、直接作用隔膜执行器、现场可逆多弹簧执行器和活塞执行器，另外还有其它类型的执行器。

阀门执行器的重要功能

所有阀门执行器都必须执行多种功能，包括：

·         将阀门截流件移动到适当位置。截流件通常为塞子、阀瓣或阀球，即使在困难或不理想的条件下，执行器也必须提供足够的力进行移动。此外，还必须配备必要的控制装置进行引导。

·         将阀门截流件固定在位。一旦处于所需位置，阀门执行器必须能够将其固定在位。在一些应用中（如节流应用），这需要强大的弹簧或流体动力或机械刚度，以保持截流件安全在位。

·         以足够的扭矩使阀门就位以符合所应满足的关闭规范。某些类型的阀门可能需要特殊附件来调整执行器尺寸，以维持足够的扭矩从而保持关闭位置。

·         具有故障模式。发生系统故障时，需要具备故障模式。根据应用的不同，故障模式可以是保持原样、完全关闭或完全开启。

·         具有适当的旋转角度。有些阀门需要一定的旋转量，通常是90度或180度。多端口阀门通常需要90度以上的旋转，而电动执行器通常优先用于需要180度以上旋转的应用，这是由于它们不受机械旋转的限制。

·           提供正确的运行速度。执行器的循环速度可通过控制回路元件进行调节，但对于小于典型执行器循环时间一半的循环速度则需仔细选择阀门。特别设计的气动执行器可能需要支持高循环速度，而不会损坏阀门部件。

选择阀门执行器的注意事项

上述介绍了阀门和阀门执行器的基本类型，以及阀门执行器必须具有的主要功能，在根据具体应用选择合适的执行器时，一些重要的考虑因素需要加以权衡，包括使用因素、尺寸、供应压力要求、安全性和可靠性、成本考虑等。

使用因素

在选择合适的阀门执行器时，使用因素是一个重要的考虑项目。这些因素包括：

·         相容性：有何可用动力？如上所述，电动执行器本质上需要有电才能工作。如果没有现成的电源，气动或液压阀门执行器则是更合理的选择。气动执行器需要40至120 psi的气源。可能很难达到较高压力，而如果压力较低，则需要一个直径较大的膜片或活塞，以达到所需扭矩。电动执行器需要110V的AC电源，但阀门执行器可与其它尺寸的直流和交流电机一起采购。

·         温度范围：气动执行器可在-4℉至150℉（-20℃至70℃）的范围内工作，或在某些情况下介于-40℉至250℉（-40℃至121℃）之间，前提是配备了适当的密封件、润滑脂和轴承。电动执行器可以在-40℉至150℉（-40℃至65℃）的范围内工作。

·         危险区域 - 由于其防爆特性，在危险或有毒环境中通常首选气动执行器，但如果缺少压缩空气或气动执行器无法满足其它操作规范，则可以使用电动执行器。用于危险环境的电动执行器必须有NEMA VII外壳，以防止爆炸。

NEMA指南

美国电气制造商协会（NEMA）制定了危险区域电动阀门执行器的施工和安装指南。该指南规定：

VII危险场所I类（爆炸性气体或蒸汽）。

符合美国电气规范的应用要求；符合美国保险商实验室公司有关含汽油、己烷、石脑油、苯、丁烷、丙烷、丙酮、苯、油漆溶剂蒸汽、天然气的大气的规范。

大多数电动阀门执行器制造商均提供符合NEMA VII标准的产品型号，以满足危险应用的要求。在某些情况下，更具成本效益的选择是使用配备气动阀门执行器的电气控制装置。然而，在可行的情况下，气动执行器通常是更安全、更实用的选择。

尺寸确定和作用力

作用力是指阀门的扭矩要求，即将阀门从开启位置移动到关闭位置所需的力。在滑杆式阀门中，所需的力是线性推拉力；多回转或部分回转阀门则需要旋转力。确定所需的力的大小取决于多种因素，例如：

·         执行器类型

·         故障模式

·         阀门扭矩

阀门的尺寸与设计以及通过阀门的压差也是需要考虑的因素，另外还包括阀杆填料摩擦、介质温度以及阀门和阀杆的机械特性。请注意，对于角行程阀门，无法准确计算出阀的扭矩需求。取而代之的，是需要在各种压差条件下对每个阀门的尺寸进行物理测量。

图片来源：阀门执行器的尺寸确定与选择，SlideShare

Actuator torque curve matched with rotary valve curve

执行器扭矩曲线与旋转阀曲线匹配

Actuator sizing procedure

执行器尺寸确定流程

Torque          Valve opening(0~90)

扭矩              阀门开度（0～90）

Diaphragm – spring return        Start              End

膜片 - 弹簧复位                       起                  止

Diaphragm –Scotch Yoke

隔膜-止转轭

Design Torque

设计扭矩

Valve Torque                     Breakaway Torque             Seating Torque

阀门扭矩                               扭矩                                   扭矩

由于正确确定阀门执行器尺寸十分复杂，必须由经过技术培训的专家来进行。简单地选择一个超大的驱动器也并非万无一失；过大的阀门执行器可能会损坏阀门的阀杆（除非使用诸如安全阀之类的附加部件），而且会浪费开支。尺寸过小的执行器则根本无法按需操作阀门，这对于紧急关闭阀（ESDV）尤为重要。

最小和最大供应压力是确定尺寸时应考虑的最重要的因素。通常提供的标准压力决不能用于确定执行器的尺寸。执行器必须能够产生足够的扭矩，以便在最小供应压力下操作阀门，确保即使供应压力处于其最低点时也能正常工作。此外还必须考虑最大压力，因为执行器必须能够安全地处理可能的最大压力。调节器和安全阀可用于执行器尺寸过大或无法安全处理最大供应压力的场合。

速度

所需的运行速度决定了执行器的功率要求。例如，要在更短时间内完成一项操作，如完全打开或关闭阀门，就需要更大的功率。

气动执行器的优势在于它更容易控制速度。在气动执行器中实现速度控制的最简单方法，是在空气先导排气口处安装一个针阀或可变节流孔。电动执行器有齿轮电机，因此不进行齿轮调整就很难（实际上不可能）控制这些执行器的速度。在某些情况下，可以添加脉冲电路，以实现较慢的操作。

图片来源：Wikipedia

对于电动执行器，所需的运行速度决定所需的电机功率。对于流体动力执行器（气动和液压执行器），除了方向控制阀的尺寸外，所需的运行速度还决定了供应和排放管线的必要尺寸。

移动频率

运行频率（或负载）影响机械驱动的耐久性和控制器的稳健性。显然，不经常操作的阀门（如隔离阀或调节阀）意味着机械部件和控制装置的磨损更少。但其它阀门，如工艺调节阀，则在近似恒定或连续的基础上运行，需要更耐用的阀门和执行器组件。

执行器容量通常按每小时特定的启动次数来定义。根据ISA关于电动阀门执行器规范的指南，“作为标准，换向接触器的额定值应至少为每小时60次电机启动。可选固态换向接触器应实现电气联锁，并可用于高速调节服务，额定值至少为每小时1200次启动。”

图片来源：Indelac Controls, Inc.

另一个一般的经验法则是基于占空比：

·         隔离–阀门每天只运行几次

·         调节–每小时启动30至60次

·         调制–每小时启动600至1800次

安全

在某些应用如危险环境中，NEMA VII等指南旨在通过对不同类型的执行器规定某些预防措施以提高安全性。在选择阀门执行器时，应始终考虑安全性，并且在可能的情况下，应使用基于应用规范的最安全、最可靠的选项。如，如果发生火灾，执行器应能够保持故障安全位置。

然而，在某些情况下，为缓解情况，无法使用理想的执行器。当必须使用不同类型的执行器而非最理想解决方案时，通常可以添加额外的组件以提高安全性并满足监管规范。

图片来源：Wikimedia Commons

例如，安装气动执行器无需受到限制，不会出现问题，但电动执行器会由于电机中产生过多电流而无法避免电机损坏的风险。为了保护设备，可以使用扭矩开关或热量和电流传感器。

弹簧复位，或故障安全选项则是另一种安全组件，通常特别应用于过程工业。在电源或信号故障的情况下，弹簧复位将阀门驱动到预先确定的安全位置。对于气动执行器，这是一个既实用又便宜的选择。在无法使用弹簧复位时，则可以安装蓄能器箱来存储空气压力（这是大型或重型执行器有时会遇到的情况）。

大多数电动执行器不提供弹簧复位选项，但备用电池通常是可行的故障安全选项。或者，可以使用电动-液压执行器来实现弹簧复位功能，只需有电源即可。这可通过给液压泵通电实现，液压泵对弹簧复位油缸加压，在断电的情况下驱动执行器到达原始位置。

成本

以上讨论的所有因素都会影响阀门执行器的成本。一般而言，所需扭矩越大，运行所需的功率就越高，执行器就越大，成本也就越高。为应用选择合适的阀门执行器，包括安全和理想运行所需的任何附加组件，可能意味着前期成本增加，最终配置将因可靠性和耐久性增强而受益。写清并明确技术规范，勤于质量控制，并确保足够的供应商资格，是采购合适驱动器的关键步骤。

错误的执行器不仅不能充分操作阀门，还可能导致阀杆和阀门本身损坏，并带来不必要的安全风险。选择正确的阀门执行器意味着更少的意外停机和更低的执行器和阀门更换频率，最终能降低长期成本。

www.mpofcinci.com/blog/how-to-select-a-valve-actuator/

作者：Shelly Stazzone