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控制阀技术

控制阀技术

来源:emersonprocess Renewed interest in the performance of control valves is emerging, partly as a result of numerous plant audits that indicate roughly one-third of installed control valves are operating at substandard levels. Even though properly operating control valves are essential to overall plant efficiency and product quality, maintenance personnel frequently don’t recognize the signs of poor performance. The basics of control valve design and operation must be well understood for end-users to reap the benefits of improved valve operation. 重新兴起的关于控制阀性能的关注正在不断涌现,造成这种状况的部分原因是在于大量的平台检查显示,在已安装的控制阀中,大约有三分之一正工作在低于标准的水平。即使知道恰当的操作控制阀对于整个平台系统和产品质量具有根本性的意义,控制阀的维护人员也经常无法识别出那些能标志控制阀的性能较差的信号。终端用户一定要理解关于控制阀设计和操作的基本知识,以从控制阀操作的改进中获得益处。 除非是控制阀恰当地运转,否则先进的控制计划将无法产生最优的结果。仪器仪表技术人员必须通晓如控制阀等这些控制元件及其诊断软件,以确保控制阀在平台中能如系统设计师本意那样运行。 控制阀的基本类别 最常用和通用的控制阀类型是滑杆球(sliding-stem globe)阀和角阀(angle valve)(如图1所示)。这两者的流行得自于它们的凸凹不平的结构和很多可用的选项使得其适用于多种多样的过程应用,包括条件苛刻的服务状况。例如,滑杆阀提供的典型选项可以满足一系列的ANSI (American National standard Institute, 美国国家标准协会) 级别的要求,如压力-温度额定值,关闭能力,尺寸,温度相容性,以及流动特性。
图1图1 滑杆球和角控制阀(Sliding-stem globe and angle control valves)
滑杆球阀和角阀之间的第一点区别在于阀是否是后引导式的(Post-guided)或者笼式引导的(Cage-guided)。在后引导式阀中(如图2所示),阀杆或者是部分阀芯作为轴套,截流件被轴套所环绕。在笼式引导阀(如图3所示)中,一个津贴的圆柱形的笼子引导阀芯。笼式引导提供了一个相对大的导轨面,这将有助于把振动最小化,改善阀芯稳定性,并增加压力降的额定值。
图2图2 后引导阀(Post-guided valve)
图3图3 笼式引导阀(Cage-guided valve)
旋转轴控制阀(Rotary-shaft control valve)有几种不同的类型可供选择,每一个都以截流件(盘,球,球缺,或者塞子)的几何外形为特点。与滑杆阀相比,旋转轴控制阀一般对压力降的额定值有所限制,但价格要便宜一些,具有很大的幅度调节变化范围,并能针对给定的阀的尺寸而提供大的流动能力。典型的,旋转轴控制阀常被选择来用于具有特殊需求的情况,比如,高能力(全孔球阀, full-bore ball valve),封闭作用的剪切(球缺阀, ball segment valve),低成本(标准节气门, standard butterfly),以及对腐蚀损伤的抵抗能力(偏心旋转塞,如图4所示)。一般而言,旋转轴控制阀提供了为数不多的针对苛刻服务的选项(平衡的选项),如衰减控制阀噪声,消除气穴现象,以及提供其他的期望的特征。
图4图4 偏心滚转柱塞阀(Eccentric rotary plug valve)
选择与定型 基于将要处理的过程流体以及若干性能目标,对控制阀进行选择。其中,需要的尺寸参数包括:比重,阀的进口和出口处的压力,整个阀的压力降,阀进口处的流体温度,流速,以及蒸汽压力。其它必需的信息包括期望的响应时间,过程增益特征,以及气穴或闪蒸的潜能。 在很多应用场合中,让控制阀达到彻底的关闭显得十分重要。关闭阀门可以防止渗漏,避免污染处理中的流体或者导致产品的损失。此外,当某一高速渗漏流体穿过设备表面时,紧闭控制阀还可以防止腐蚀损伤。 由于不准确的信息并出于安全裕度的考虑,参于定型过程中的每一位设计人员或小组都可能增加阀的尺寸,这样最终所得的控制阀就有些尺寸过大了。可是,阀的尺寸过大并不好,理由有三。 首先,控制阀的操作可能变得失稳了,原因就在于它不可能从远远超过完全封闭位置的情况下打开。当控制阀正挨着底座处于节流状态时,过程增益往往较高。在低承载时,控制阀与过程增益混在一起,很可能过高而不足以维持稳定的操作。其次,在截流件和底座面之间的高速流体可能会导致过度的底座磨损。第三,设计的流动特征很可能无法达到,从而引起控制器调节问题。 控制阀制造商和销售商常会求助于一些流体热动力学专家。针对一些不同于常规的定型状况,这些专家能为系统设计师提供最新的解决方案。 执行机构 只有当阀门自身的塞子、盘、球或者球缺恰当地响应控制信号时,经过适当选择并定型的控制阀才能传递最佳性能。截流件的定位与执行机构的性能以及为执行机构提供加载压力的仪表装置有关系。具体来说,有三个相关的因素需要考虑: 闭合位置的力:对球和角阀,执行机构必须提供足够的力(或推力)以达到指定的ANSI级别的关闭程度。对滚轴阀来说,执行机构则必须提供足够的扭矩来把截流件移出和移入底座。 执行机构刚度:为维持阀芯的稳定性,执行机构必须通过利用机械弹簧或空气减振器提供足够的阻力来对付流体抖振产生的力。 失效模式:针对失去了压缩空气供应的情况,失效模式定义了截流件的移动方向。 人们对于活塞式和弹簧-薄膜式两种执行机构的优缺点以及局限性素有争论。实际上,这两种设备都是很有用的,并且在过程控制领域各有所长。 弹簧-薄膜式执行机构简单且可靠,可被用于绝大部分的控制应用方面。这种执行机构的一个主要的优点就在于其内置的弹簧失效动作(称为固有的失效模式),即使在完全失去压力供应的情况下,亦可提供足够的关闭力量。 定位器(Positioners) 控制阀的定位器能确保实际的阀杆位置与控制信号欲达到的位置相匹配。没有高性能的定位器,即使是最先进的控制亦无法达到性能的峰值。在充满竞争的生产环境中,定位器已经成为了带有根本性意义的自动化仪表装置。 定位器常被用来克服高的阀门摩擦并降低随之产生的死区与滞后,这将有助于获得更高精度的控制效果。定位器必须要和双动作的活塞式执行机构(有无弹簧均可)相搭配,以提供节流控制的功能。 定位器的典型应用是在行程停止位增加执行机构的力。由于固有的密封摩擦,上述外力对于旋转控制阀尤其有用。 在过去的几年里,研究人员把相当多的兴趣都投在了研发灵巧的现场安装仪器仪表,和允许在仪器仪表间、控制系统主机以及控制网络中的其他设备间进行通信的协议。灵巧的现场安装仪器仪表带来了许多有用的特点,使得技术人员有能力对控制阀和仪器进行远程配置,校准,并且查找故障。先进的诊断功能允许使用者通过自动扫描大量的设备并识别通常最需要维护服务的设备,进而实现预测式维护过程。支持灵巧设备的系统将会在以下诸多方面取得进展,包括:资产管理,工作指令的生成,控制系统的告警和警报;以及在不久的将来,控制阀的告警和失效的即时通信,以维护各部门的寻呼机和行动电话。 技术概要 过程控制工程师们一直瞧不起控制阀,将其视为简单地遵守使用说明书的低技术含量的一块“铁”。然而,控制阀事实上已经跻身于最复杂现场设备的行列,用于重复性地执行严格的任务,并且常常工作在极其苛刻的服务环境中。如果没有恰当地选择、安装和维护,控制阀将可能导致生产效率的急剧下降。 在真正花了工夫去了解这些最终的控制元件后,生身能力和获益能力的增加是显然的。需要记住以下的要点,包括: 恰当地选择、安装并维护控制阀,过程的可变性将会下降; 确保控制阀对控制信号的快速而准确的响应,可以降低过程的可变性; 最小化过程的可变性能够改善平台的性能。 您如何才能利用上述的这些益处呢?答案就是教育。只有真正通晓控制阀(包括控制阀和仪器仪表技术的最新进展)的过程工程师和仪器仪表技术人员才能够正确地安装并校准新的或者改造的阀门,才能更有效地查找故障问题,并在不把控制阀移离运转位置的情况下做出有益的调整。受过良好培训的技术人员可以通过仔细地检测平台中的每一个控制阀的工作状态,选择那些明显具有过早失效或性能损失的可能性的控制阀,立即进行修复或替换。这样就能够实现高效率而低成本的维护计划,且能使意外停机的概率最小化。 关于作者: Steve Hagen是位于爱荷华州马歇尔敦(Marshalltown, Iowa)的Emerson Learning Solutions公司的高级讲师(Senior Instructor)。 网址:http://www.emersonprocess.com/education, 电话 641-754-3771.
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