氣動薄膜式調節閥選型原則

   目前，隨著我國有色金屬行業的迅猛發展，氣動薄膜調節閥由于其操作方便、結構簡單、使用可靠、防火防爆等特點，被廣泛應用于氧化鋁的生產過程。而作為自動調節系統的重要一環，它的工作狀態的好壞將直接影響自動控制過程，本文以自己的工作實踐為基礎，詳細敘述氣動薄膜調節閥的工作原理、選型過程、安裝及維修。隨著工業自動化程度的不斷提高，調節閥作為自動調節系統的最終執行機構，得到越來越廣泛的應用，調節閥應用的好壞直接關系著生產的質量與安全。

一、氣動薄膜式調節閥選型原則 的選型
1、根據使用要求選擇氣動薄膜調節閥
氣動薄膜調節閥由閥芯和閥體（包括閥座）兩部分組成，按不同的使用要求有不同的結構形式，目前使用的氣動薄膜調節閥主要有直通單座調節閥、雙座調節閥和高壓角式調節閥。直通單座閥泄漏量小，流體對單座閥芯的推力所形成的不平衡力很大，因此直通單座閥適用于要求泄漏量小、管徑小和閥前后壓差較低的場合。直通雙座調節閥閥體內有上下兩個閥芯，由于流體作用于上下閥芯的推力方向相反而大致抵消；所以雙座閥的不平衡力很小，允許閥前后有較大的壓差。但由于閥體內流路復雜，用于高壓差時對閥體的沖蝕損傷較嚴重，不宜用于高粘度、含懸浮顆粒或含纖維的介質。此外由于受加工條件的限制，雙座閥上下兩個閥芯不易同時關嚴，所以關閉時泄漏量大，尤其是在高溫或低溫的場合下使用時，因材料的熱膨脹系數不同，更易引起嚴重的泄漏。角式高壓調節閥閥體為直角式，流路簡單、阻力小，受高速流體的沖蝕也小，特別適用于高壓差、高粘度和含懸浮物顆粒狀物質的流體，也可用于處理汽液混相，易閃蒸汽蝕的場合。這種閥體可以避免結焦、粘結和堵塞，便于清潔和自凈。
2、根據安全性選擇氣動薄膜調節閥
氣動薄膜調節閥有氣開閥和氣閉閥兩種形式。根據不同生產工藝上的安全和使用要求考慮，當信號壓力中斷時調節閥處于打開或關閉位置，對工藝生產造成的危害性大小而定。如果調節閥處于關閉位置時危害小，則選用氣開閥，信號壓力中斷時，使調節閥處于關閉位置，反之，則選用氣閉閥。
3、流量特性選擇氣動薄膜調節閥
在自控系統的設計過程中選擇氣動薄膜調節閥應著重考慮流量特性。典型的理想特性有直線流量特性、等百分比流量特性（對數流量特性）、快開流量特性和拋物線流量特性四種。直線流量特性在相對開度變化相同的情況下，流量小時流量相對變化值大；流量大時，流量相對變化值小。因此，直線流量調節閥在小開度（小負荷）情況下調節性能不好，不易控制，往往會產生振蕩，故直線流量特性調節閥不宜用于小開度的情況，也不宜用于負荷變化較大的調節系統，而適用于負荷比較平穩，變化不大的調節系統。百分比流量特性的調節閥在小負荷時調節作用弱，大負荷調節作用強，它在接近關閉時調節作用弱，工作和緩平穩，而接近全開時調節作用強，工作靈敏有效，在一定程度上，可以改善調節品質，因此它適用于負荷變化較大的場合，無論在全負荷生產和半負荷生產都較好的起調節作用。
4、氣動薄膜調節閥口徑的選擇
應根據已知的流體計算出所要求的流量系數CV，再根據產品技術參數表選取合適的調節閥口徑。在計算CV時要注意液體、氣體、水蒸氣和其它蒸氣的區別。

一、氣動薄膜式調節閥選型原則主要結構和工作原理
   氣動執行器由執行機構和調節機構組成。氣動執行機構包括：氣動薄膜、氣動活塞、氣動長行程三種執行機構；調節機構為：閥、閘板、調節閥等，有直、角行程2種。
    工作原理：當0.2~1kg/cm2的信號壓力輸人薄膜氣室中，產生推力使推桿部件移動、彈簧被壓縮產生的反作用力與信號壓力在薄膜上產生的推力相平衡。推桿的移動即是氣動薄膜執行機構的行程。正作用式：當薄膜氣室的信號壓力為零時，推桿部件位于下方，當薄膜氣室內輸人信號壓力時，使推桿部件向下移動；反作用式：當薄膜氣室的信號壓力為零時，推桿部件位于上方，當薄膜氣室內輸人信號壓力時，使推桿部件向上移動。

氣動薄膜式調節閥選型原則的功能

1 、調節功能

1) 流量特性

流量特性是反映氣動薄膜調節閥的開度與流量的變化關系，以適應不同的系統特性要求，如對流量調節系統反應速度快需對數特性；對溫度調節系統反應速度慢，需直線流量特性。流量特性反映了氣動薄膜調節閥的調節品質。

2) 可調范圍R

可調范圍反映氣動薄膜調節閥可控制的流量范圍，用R＝Qmax：Qmin之比表示。R越大，調節流量的范圍越寬，性能指標就越好。通常閥的R＝30，好的閥，如V型球閥、全功能超輕型氣動薄膜調節閥，R可達100～200。

3) 小開度工作性能

有些閥受到結構的限制，小開度工作性能差，產生啟跳、振蕩，R變得很小 (即Qmin很大)，如雙座閥、襯膠蝶閥。好的閥小開度應有微調功能，即可滿足很小流量的調節，且工作又要求十分平衡，這類閥如V型球閥、偏心旋轉閥、全功能超輕型氣動薄膜調節閥。

4) 流量系數Cv或Kv

流量系數表示通過流量的能力，同口徑Kv值越大越好，尤其是球閥、蝶閥，它們的Cv/Kv值是單座閥、雙座閥、套筒閥的2～3倍。

5) 調節速度

滿足系統對閥動作的速度要求。

2 、切斷功能

切斷功能由閥的泄漏量指標來表示，切斷通常指泄漏量小于0.001％，它反映閥的內在的質量。在閥的使用中，對國產閥泄漏量大的呼聲反映很大。

3 、克服壓差功能

它通常用閥關閉時的允許壓差來表示，允許壓差越大，此功能也就越好。如果考慮不周到，閥芯就會被壓差頂開，造成閥關不到位，泄漏量超標。因此，保證閥切斷就必須克服閥關閉時的工作壓差。

4、 防堵功能

對不干凈介質的調節或者即使是干凈介質，管道中的焊渣等雜物都可能造成閥堵塞或被卡住，因此要求閥應有較好的防堵功能，使之正常調節。防堵性是流路的單座角閥和旋轉類閥，如球閥、蝶閥、偏心閥；流路復雜的閥、上下襯套導向的閥，迷宮式多級降壓閥易造成堵卡。

5、 耐蝕功能

抵抗介質的腐蝕和沖蝕和氣蝕，以提高閥的使用壽命。閥的腐蝕是由介質的化學性能引起的材質腐蝕問題，通常選用耐腐蝕的材料來解決；沖蝕是由高速流動的介質、含顆粒的 介質所致。解決的途徑是選用耐磨的材料，如堆焊斯泰萊合金或碳化鎢。氣蝕則要在機構結構上采用反汽蝕措施，對高壓閥、大壓差工作的氣動薄膜調節閥 要采用多級降壓的形式。

6 、耐壓功能

它反映閥的強度和安全指標，即介質不能通過密封處和閥體缺陷處向外滲漏。出廠時通常用1.5倍公稱壓力作試驗來檢驗。對高壓介質最好是采用鍛件結構；鑄鐵閥的耐壓強度是的，通常應選鑄鋼閥。

7 、耐溫功能

滿足不同溫度條件下閥的強度和性能，溫度的較大變化會使閥體材質的強度降低，因此閥必須滿足介質的溫度變化范圍的要求，使閥在工作溫度下有較好的強度和安全保證。

8 、外觀和重量

反映閥的外觀質量且要求儀表化、輕型化、小型化。其重量應越輕越好，以方便使用，如起吊、安裝、維護等。

二、氣動薄膜式調節閥選型原則流量特性和選型原則
     流量特性是指閥位開度和流量大小的關系，直接影響調節質量和系統的穩定性，與被調參數和設備對象，工藝流程有關。
      2.1 理想流f特性
     調節閥兩端壓差不變時相對流量與相對開度（行程）的關系。
      Q/Qmax =f * l/L
      式中：
      Q為某一開度時，調節閥的流量及閥桿行程
      f 為閥芯系數
      Qmax，L 為調節閥全開時的最大流量及閥桿全行程。
     理想流量特性取決于閥芯的尺寸，不同的閥芯曲面得到不同的理想流量特性。
     2.2 工作流f特性分析
     調節閥前后端壓差變化情況下得到的流量特性。分為直線特性、對數特點、拋物線特性等。拋物線特性介于直線和對數之間。
     經計算、分析，直線特性調節閥工作在小開度時調節性強，相對流量變化率過于激烈，不易控制，小干擾大，克服容易過頭，引起系統振蕩，而在大開度時，相對變化率小，調節性能弱，太遲鈍，大的干擾不能很服；對數特性是指單位開度變化所引起的相對流量變化值與此點相對流量成正比，經計算、分析，對數閥在小開度時放大倍數小，緩和平衡，利于操作控制，而在大開度時放大倍數大，工作能靈敏有效，是的調節閥。

      2.3 流量特性選擇規則
     工業生產中常用的調節閥如直線、對數、快開特性，一般選取直線、對數特性即可滿足工藝調節要求，快開特性適應于二位調節，對于比較難控制和要求較嚴的對象，從以下幾個方面考慮：
      (1)用調節閥的非線性去補償過程的非線性，使系統總的增益變化較小，穩定；
      (2)工藝管道情況，考慮工藝管道阻力情況；
      (3)適應系統的負荷波動；
      (4)考慮調節閥的工作條件和使用壽命；
      (5)調節閥工作特性改善。

三、流通能力C值的計算方法和調節閥口徑的確定
     C值的定義：我國規定在調節閥前后壓差為1kPa、液體重度為1kPa3的情況下，以每小時通過調節的流體m3數值，表示流通能力C值的大小（以氧化鋁料漿為例）。
     調節閥壓差：
     S=△P/（∑△PF+△P）
      式中：
      △P為調節閥差壓；
     ∑△PF 為最大流量時管路阻力降。
      C =Q（r/△P）1/2 = G/（（△P* r）1/2
     式中：
      Q、G為工藝所提供的體積或重量流量；
      △P為閥門前后壓差；
       r為重度。
     C值的選取和公稱通徑Dg及閥座直徑dg的確定，由工藝提供的最大流量和對應的最小壓差。計算出Cmax，便可選取合適的閥門。

氣動薄膜式調節閥選型原則主要技術參數

1、閥體

2、氣動薄膜式調節閥選型原則閥內件

3、氣動薄膜式調節閥選型原則執行機構及附件、作用形式

三、氣動薄膜式調節閥選型原則主要性能指標

四、氣動高溫調節閥 額定流量系數Kv、允許壓差

四、氣動薄膜式調節閥選型原則應用實例

高壓溶出的料漿通過洗滌、沉降槽的作用下，將赤泥沉淀、分離出來。在料漿輸送過程中，需要大量的氣動調節閥來調節流量。根據現場的工藝環境或計算，氣動閥采用了美國FISHER-ROSEMOUNT公司生產的氣動調節閥，由閥門定位器和調節閥組成。閥門定位器采用了位移式氣動閥門定位器，其負反饋閉環系統。
     圖中A為波紋管的有效面積；C為測量組件的剛度；K為三級功率放大器的放大倍數；KL為輸人信號傳動杠桿比；KF為反饋信號傳動杠桿比；Kv/（Tvs+1）是氣動調節閥的傳遞函數，是一個一階周期環節，Kv為調節的放大系數，與執行機構的薄膜有效面積和彈簧剛度及調節的結構等因素有關；Tv為調節閥的時間常數，也與氣室大小等因素有關。
    上述負反饋系統中，閥桿輸出位移Y與輸人的調節器壓力信號P之間的傳遞函數：
      W(s) =Y/P≈AEKL/CKF
     AE、KL、C、KF一定時，Y與P之間成一一對應的比例關系。也就是說，通過電—氣閥門定位器的電氣轉換，定位器接受來自調節器或控制系統的電流信號（4~20mA），這個信號改變執行機構氣室的壓力P，使閥門的位置達到給定值Y，從而達到調節的目的。
    4.1 調節閥反向動作和流量特性
    在應用過程中，由于生產需要將一臺氣關式調節閥改成氣開式調節器，在以前就需將閥芯反裝，或采用反作用式執行機構。在現場改裝比較麻煩，而且需有一定的備品才行。采用閥門定位器后，正作用定位器的輸人信號從20~100kPa變化時，它的輸出信號從20~100kPa變為100~20kPa即可。具體結構中，用到一個凸輪和兩個噴嘴。左噴嘴用以實現正作用，右噴嘴實現反作用。左、右噴嘴與放大器的氣路用背壓切換板來溝通。調節閥的流量特性可以通過改變反饋凸輪的幾何形狀來改變。改變反饋凸輪的幾何形狀能夠改變調節閥的反饋量，使定位器的輸出特性發生變化，從而修正了流量特性。
   4.2 手動機構的配置
     當氣源信號或電信號出現故障時，或者當執行機構的主要元件（膜片、彈簧等）損壞時，就需把自動操作改為手動操作，需轉動手輪維持調節閥的調節功能；另一方面，這種機構也可作為調節閥行程的限位器，當信號壓力為零時，調節閥不是全開就是全關，如果工藝過程要求調節閥有少量的流量，可利用手輪來達到目的。手輪機構有頂裝式和側裝式，頂裝式只能為單方向限制行程，如果在選型或安裝時，選用側裝式可以根據工藝的要求安在左或右側實現限位。總之，手動機構可提高調節閥運行的可靠性，特別是調節閥增設旁路，使用口徑較大的調節閥時，使用手輪機構從投資費用或占地面積都很合算。所以自動操作完成正常和執行機構時，由于不使用手動機構，為此經常要加油防銹。

五、氣動薄膜式調節閥選型原則安裝調節閥須注意的幾個問題
   (1)氣動調節閥應安裝在便于維護、修理的地方。
   (2)當選定調節閥的公稱通徑與工藝管徑不同時應加裝異接頭進行連接。
   (3) 安裝在有振源的場合，應增加防振措施。
   (4) 安裝時，必須使閥體上或法蘭上的箭頭方向指向介質方向。
   (5)安裝前，需要認真清洗管道內焊渣和其它雜物，在安裝后，應將閥芯處于最大開度，并對管道和閥再一次清洗，以防雜物卡住和損傷節流件。

六、氣動薄膜式調節閥選型原則結論
      氣動薄膜調節閥的正確選型、安裝、使用、維修，不僅能夠提高過程控制的可靠性，而且能夠快速解決閥的故障，增加閥門的使用壽命對企業的節能降耗有著可觀的經濟效益。調節閥安裝是否合理，不僅關系到調節閥的安裝、拆卸和維修方便與否，也決定了調節閥能否在自動調節系統中起到良好的調節作用，安裝調節閥時應注意以下幾點：
①調節閥應垂直安裝在水平管道上，如在特殊情況下需要水平和傾斜安裝時，一般要加支撐。
②為了防止調節閥膜片老化，延長使用壽命，安裝時應盡量遠離高溫、振動和腐蝕嚴重的環境。
③為了便于維護檢修，調節閥應安裝在靠近地面或樓板的地方，為了檢修拆卸方便，應注意調節閥距離地面（或樓板）留有適當的高度，對于正作用氣開式調節閥，因閥芯拆卸時需從閥體下面取出，調節器閥距地面（或樓板）更應有足夠的距離。
④為了調節閥和調節系統出現故障時不致影響生產和發生安全事故，一般都需要安裝旁路和旁路閥。但旁路閥不能安裝在調節閥的正上方，以免旁路閥內腐蝕性介質泄漏到調節閥上。調節閥前、后安裝截止閥，對于高溫、高壓、高壓、易凍、易粘稠介質，還要安裝排泄閥。

氣動薄膜式調節閥選型原則檢修
①閥體內壁。對使用于高壓差及有腐蝕性介質場合的閥體內壁易受介質沖擊和腐蝕，必須重點檢查耐壓、耐腐蝕的情況。
②閥座。檢查閥座的磨損清況以及固定閥座用的螺紋內表面，是否因受腐蝕而使閥座松馳。
③閥芯。閥芯是調節閥工作時的可動部件，受介質沖蝕最嚴重，特別是在高壓情況下工作，閥芯因汽蝕現象磨損更為嚴重檢修時需認真檢查。
④膜片及“0"形密封圈。檢查是否有老化和裂損等情況。
⑤填料。檢查填料配合情況，填料是否老化。

氣動薄膜式調節閥選型原則的常見故障
1、氣動薄膜調節閥不動作
原因：沒有信號壓力或雖有信號壓力但膜片裂損、膜片漏氣，膜片推力減小；閥芯與閥座或襯套卡死，閥桿彎曲等原因使調節閥不能動作。
2、氣動薄膜調節閥動作正常，但不起調節作用
原因：閥芯脫落，此時，雖然閥桿動作正常，但閥芯不動，因此無調節作用。另外管道堵塞，也會出現調節閥不起調節作用的現象。
3、氣動薄膜調節閥不穩定或產生振蕩
調節閥徑選擇過大。經常在小開度下工作或單座閥介質在閥內流動方向與關閉方向相同。在閥芯與補套嚴重磨損，也可使調節閥在任何開度都發生振蕩。
4、氣動薄膜調節閥泄漏量大
閥芯與閥座腐蝕、磨損而造成，有時也可能因閥體內有異物、閥芯被墊住關不嚴，造成泄漏量大。另外，閥門定位器和電器轉換期是調節閥的輔助裝置，它們接受調節器的輸人信號，然后以它自己輸出信號去控制調節閥，特別是閥門定位器，與氣動閥配套使用構成一閉環控制回路，用以提高調節閥控制精度。克服填料函與閥桿的摩擦力，提高閥門動作速度，可實現分段控制（段幅信號）改變調節閥的流量特性。因此，要想取得理想的調節效果，必須使調節閥與定位器配合好，應用閥門定位器以提高調節閥的定位精度及工作可靠性，確保調節質量。
5、氣動薄膜調節閥動作遲鈍或跳動
由于密封填料老化或干枯，使閥桿與填料的摩擦增大會造成動作遲鈍或跳動；或因閥體內含有粘性大的污物以及堵塞、結焦等情況而引起調節閥動作遲鈍。膜片及“0"形密封圈等處泄漏也會引起單方向動作遲鈍。