阀门类
泵类
 
什么是调节阀

    过程工厂是由成百甚至上千个控制回路组成的。所有这些控制回路被连接成网络已生产可供销售的产品。每一个回路都经过设计以保证重要的过程变量如压力、流量、液位、温度等不超出要求的工作范围,这样可以确保最终厂品的质量。每一个回路都会接受并从内部产生扰动。这些干扰对过程变量产生决定性的影响。网络里其它回路之间的相互作用也会产生影响过程变量的扰动。
    为了减少这些负载扰动的影响,传感器和变送器会收集关于过程变量及其与要求的设定点之间的关系的信息。控制器然后处理这些信息并决定必须怎样做才能使得过程变量在负载扰动发生后恢复到它的正常范围。所有的测量、比较和计算工作完成后,某种类型的终端控制元件必须执行由控制器选择的控制策略。
    过程控制工业里最常见的终端控制元件就是调节阀。调节阀调节流动的流体,如气体、蒸汽、水或化学混合物,以补偿负载扰动并使得被控制的过程变量尽可能地靠近需要的设定点。
    许多人讨论调节阀或阀门,其实他们指的是调节阀组件。调节阀组件典型地由阀体、阀内件零件、提供阀门操作驱动力的执行机构、以及各种各样的阀门附件所组成。阀门附件包括定1位1器、转换器、供气压力调节器、手动操纵器、阻尼器或限位开关。本手册的其它章节会提供关于所有控制阀部件的更多细节。
    装置是否被称为阀门、控制阀或控制阀组件并不与认识到控制阀是控制回路的关键部分一样重要。说控制阀是回路的最重要部分是不准确的。把控制回路考虑成一条仪表链是非常有用的。就像其它链一样,这条完整的链的好坏取决于它的最薄弱的环节。重要的是确保控制阀不是最薄弱的链节。
    下面是有关过程控制、直行程控制阀、旋转式控制阀、以及其它控制阀的功能和特性术语的定义。

过程控制术语

附件:一个安装在执行机构上补充执行机构的功能并使其成为一个完整的操作单元的装置。例子包括定1位1器、供气压力调节器、电磁阀和限位开关。 

执行机构:一个提供力或运动去打开或开关阀门的气动、液动或电动装置。

执行机构组件:一个包括所有相关附件使之成一个完整的操作单元的执行机构。

空程:提供给一种死区的通用名词。这种死区是当一个装置的输入改变方向时由于装置输入与输出之间的暂时中断引起的。一个机械连接的松弛或松动是空程的一个典型例子。

阀门流通能力:在规定条件下他通过一个阀门的流量。

闭环回路:一种过程元件的相互连接方式:有关过程变量的信息被连续不断地反馈给控制器的设定点,以连续地、自动地纠正过程变量。

控制器:一种通过使用某些既定的运算来调节控制变量的自动操作的装置。控制器的输入接受关于过程变量的状态的信息,然后提供一个相应的输出信号给终端控制元件。

控制回路:(见“闭环回路”。)

控制范围:控制阀能够把实际阀门增益保持在标准值0.5和0.2之间的阀门行程范围。

控制阀:(见“控制阀组件”。)

控制阀组件:包括通常安装在阀门上的所有部件:阀体组件、执行机构、定1位1器、调压器、转换器、限位开关等。
死区:改变方向但不致于引起输出信号的可以观察到的变化时,输入信号的可变化范围。死区是用来描述一种适用于任何装置的通用现象的名词。使用术语“死区”时,有必要把输入和输出区分开来,并确保测量死区的任何测试在全部负载条件下进行。死区典型地表示为百分比的输入量程。
时滞时间:从一个小的阶跃输入(通常0.25%-5%)起,系统没有响应被检测到的时间长短(Td)。它从阶跃输入开始的时间起测试量,一直到被测试系统产生第一个能检测到的响应的时间为止。时滞时间可用于阀门组件或整个工艺过程。
阀板:带线性或旋转运动的、用来调节流量的阀内件元件,也可能阀芯 或截流元件。
等百分比特性:一种固有流量特性:额定行程的等量增加会理想地产生流量系数(Cv)的等百分比的改变。
终端控制元件:执行由控制器的输出决定的控制策略的装置。终端控制元件可以是一个减振器、一个变速驱动泵或一个开关式切换装置,但是过程控制工业里最常见的终端控制元件是控制阀组件。控制阀调节流动的流体,如气体、蒸汽、水或化学混合物,以补偿扰动并使得被控制的过程变量可能地靠近需要的设定点。
一阶:这个术语指的是一个装置的输入与输出之间的动态关系。一个一阶系统或装置只是一个能量储存装置。它的输入与输出之间的动态转换关系是由外部行为决定的。
摩擦力:趋向于阻止两个相互接触表面之间的相互运动的力。摩擦力是把两个表面压在一起的正压力和这两个表面的特性的函数。摩擦力有两种:静态摩擦力和动态摩擦力。静态摩擦力是在两个表面之间产生相对运动之前必须克服的力。一旦相对运动开始后,为了保持相对运动而必须克服的力就是动态摩擦力。移动或滑动摩擦,是口语,有时候用来描述动态摩擦力。粘住、滑擦、或“静摩擦”,也是口语,有时候用来描述静态摩擦力。静态摩擦力是阀门组件死区的主要原因之一。
增益:通用术语,可用于许多情况。在它最常见的含义里,增益是一个给定系统或装置的输出改变量相对于引起该输出改变量的输入改变量的比例。增益有两种:静态增益和动态增益。静态增益是输入与输出之间的增益关系,是系统或装置处于稳定状态时,输入能够一起输出改变的程度的指标。敏感性有时候用来说明静态增益。动态增益是时当系统处于运动或流动状态时的输入与输出之间的增益关系。动态增益是输入改变频率或比率的函数。
滞后:在一个校检循环里,相对于任何单个输入的输出值的最大差值,不包括由于死区引起的误差。
固有特性:在经过阀门的压力降恒定时,随着截流元件(阀门)从闭位置运动到额定行程的过程中流量系数与截流元件(阀板)行程之间的关系。
典型地,这些特殊性可以绘制在曲线图上,其水平轴用百分比行程表示,而垂直轴用百分比流量(或CV值)表示。由于阀门流量是阀门行程和通过阀门的压力降的函数,在恒定的压力降下进行流量特性测试提供了一种比较阀门特性类型的系统方法。用这种方法测得的典型的阀门特性有线性、等百分比和快开。
固有阀门增益:在恒定的压力条件下,通过阀门的流量改变量相对于阀门的行程改变量的比例。固有阀门增益是阀门结构的固有函数。它等于固有特性曲线在任意行程点上的斜率,也是阀门行程的函数。
安装特性:当通过阀门的压力降受到变化的过程条件的影响时随着截流元件(阀板)从关闭位置运动到额定行程的过程中流量与截流元件(阀板)行程之间的关系。(关系安装特殊性是如何确定的更多细节,请参阅第二章里的“阀门类型与特性化”。)
安装阀门增益:在实际过程条件下,通过阀门的流量改变量相对于阀门行程改变量的比例。安装阀门增益是当阀门安装在一个特定的系统里,且压力降允许根据总系统的指令而自然改变时产生的阀门增益关系。安装阀门增益等于安装特性曲线的斜率,也是阀门行程的函数。
I/P:电流-气压(I到P)的缩写。典型地用于输入转换器模块。
线性度:与两个变量有关的一条曲线与一条直线的接近程度。(线性度也指的是相同的直线作用于向上和向下两个方向。这样,上面所定义的死区典型地会被认为是一种非线性。)
线性特性:一种固有流量特性,可以用一条直线在流量系数(CV值)相对于额定行程的长方形图上表示出来。因此,行程的等量系数(CV)的等量增加。
回路:(见“闭环回路”。)
回路增益:所有回路元件被看作串联在回路里时的组合增益。有时候指的是开环增益,有时候必须清楚地说明指的是静态回路增益还是动态回路增益。
手动控制:(见“开环回路”。)
开环回路:这样一种情况:过程控制元件的连接被中断,这样,过程变量的信息不再反馈给控制器的设定点,所以对过程变量的纠正也不再进行。这种情况典型地是通过把控制器设置在手动操作状态来实现的。
填料:阀门组件的一个部件,用于防止阀门板或阀杆周围的泄漏。
定1位1器*:一个位置控制器(伺服机构),它在机械上被连接到终端控制元件或其执行机构的一个运动部件上,自动调整向执行机构的输出,以保持一个需要的与输入信号成比例的阀门位置。
过程:控制回路里除了控制器之外的所有组合元件。过程典型地包括控制阀组件、被控制的压力容器或交换器、以及传感器、泵和变送器。
过程增益:被控制的过程变量的改变量对于相应的控制器输出的改变量的比例。
过程偏差度:关于过程是如何被紧密地控制在设定点周围的一种精确的统计学测量。过程偏差度典型地以百分比定义为(2σ/m),式中m 是被测过程变量的设定点或平均值,σ是过程变量的标准方差。
快开特性*:一种固有流量特性:在截流元件很小的行程下可以获得很大的流量系数)。
放大器:一个作用类似于功率放大器的装置。它接受电气、气动或机械输入信号,并提供大流量的空气或液体输出给执行机构。放大器可以是定1位1器的一个内部元件或者一个单独的阀门附件。
分辨率:当输入不改变方向时用来产生一个检测到的输出变化所需要的最小可能的输入变化。分辨率典型地表示为百分比的输入量程。
响应时间:通常由一个包括时滞时间和时间常数的参数来测量。(见T63、时滞时间和时间常数。)用于控制阀时,它包括整个阀门组件。
二阶:一个术语,指的是一个装置的输入与输出之间的动态关系。一个二阶系统或装置有两个能量储存装置。它们能够在它们自己之间来回传输动态和潜在能量,这样就引入了震荡行为或超调的可能性。
传感器:一个测量过程变量值并一个相应的输出信号给变送器的装置。传感器可以是变送器的集成部件,也可以是一个单独的元件。
设定点:一个参考值,代表需要的被控制的过程变量值。
阀轴扭转:一种现象,指的是阀轴的一端扭转而另一端不扭转。这种现象典型地发生在执行机构由一根相对长的阀轴连接到阀门截流元件上的旋转式阀门上。当阀门的密封摩擦力把阀轴的一端保持在某一个位置时,执行机构一端的阀轴的旋转被阀轴的扭转所吸收,直到执行机构的输入传递出足够的力来克服这个摩擦力。
(阀门)口径计算:一种经过设计的系统方法,用来确保阀门在一系列的过程工况条件下有正确的流通能力。
时间常数:一个通常用于一阶元件的时间参数。它是从系统产生第一个相对于小阶跃输入(通常0.25%-5%)的能检测到的响应时起一直到系统输出达到63%的最终稳态值时测量得到的时间间隔。用于开放回路过程时,时间常数通常表示为ζ。用于闭和回路系统时,时间常数通常表示为λ。
变送器:一个测量过程变量值并提供一个相应的输出信号给控制器以跟设定点进行比较的装置。
行程:截流元件从关闭位置到一个中间或额定全开位置的运动。
行程指示器:一个指针和标尺,用来从外部表示截流元件的位置,典型地以行程或旋转角度的百分比为单位。
阀内件:调节被控制流体的阀门内部部件。
阀门:(见“控制阀组件”。)
流体增压器:一个独立的放大器通常称为流体增压器或简单地增压器,因为它增加或放大供应给执行机构的压缩空气量。(见“放大器”。)

控制阀的功能和特性术语
弹簧设定范围:控制阀执行机构弹簧调整范围,以平衡实际的过程力。
 
流通能力:在规定条件下通过阀门的额定流量。
 
间隙流:当截流元件没有座合时低于最小可控流量的那个流量。
 
膜片压力范围:膜片压力范围高低值之差。这可以认为是一种固有或安装特性。
 
双作用执行机构:在任意一个方向上都可以提供动力的执行机构。
 
动态补平衡力:由于过程流体压力的作用,在任何规定的开度下,在阀芯上产生的净力。
 
有效面积:在薄膜执行机构里,有效面积是有效地产生输出力的那部分膜片面积。膜片的有效面积可能会随着它的运动而改变,通常在行程的开始时为最大,而在行程的末尾时为最小。模压膜片比平板膜片有较小的有效面积改变,因此推荐使用模压膜片。
 
等百分比流量特性:(见“过程控制术语”。)
 
失气—关闭:这样一种状态:当驱动能源失去时,阀门截流元件移至关闭位置。
 
失气—打开:这样一种状态:当驱动能源失去时,阀门截流元件移至打开位置。
 
失气—安全:阀门及其执行机构的一种特性:在驱动能源供应中断时,会使得阀门截流元件移至全闭、全开、或留在上次的位置,任何一种位置都被认为是保护工艺过程必需的。失效—安全作用方式可能需要采用连接到执行机构上的辅助控制。
 
流量特性:当百分比额定行程从O变化到100%时,流经阀门的流量与百分比额定行程之间的关系。这个术语应该总是表述为固有流量特性或安装流量特性。
 
流量系数(Cv值):一个与阀门的几何结构有关的、对于一个给定行程的常数(Cv值),可用来衡量流通能力。它在每平方英寸1磅的压力将下,每分钟流过阀门的60°F水的美国加仑数。
 
高压力恢复阀门:一种阀门结构,由于流线型的内部轮廓和最小的流体紊流,它会分散相对少的流体能量。因此,在阀门缩流断面下游的压力会恢复到入口压力的一个很高的百分比值。至流通式阀门,如旋转式球阀是典型的高压力恢复阀门。
固有膜片压力范围:阀体内压力为大气压时,作用于膜片以产生额定阀芯行程的压力高和低值。这个范围通常指的是弹簧设定值范围,因为当阀门被设定在该工作范围上时,这个范围将是阀门的动作范围。
 
固有流量特性:在经过阀门的压力降恒定时,随着阀门从关闭位置运动到额定行程,流量与截流元件行程的关系。
 
安装膜片压力范围:在阀体承受规定的工况下,作用于膜片以产生额定阀芯行程的压力高和低值。由于作用在截流元件上的力,固有膜片压力范围可能会不同于安装膜片压力范围。
 
安装流量特性:当经过阀门的压力降受到变化的过程工况影响时,随着阀门从关闭位置运动到额定行程,流量与截流元件之间的关系。
 
泄漏量:(见“阀座泄漏量”。)
 
线性流量特性:(见“过程控制术语”:“线性特性”。)
 
低压力恢复阀门:一种阀门结构,由于流体通道轮廓产生的紊流,它会分散很大一部分的流体能量。其结果是,在阀门缩流断面下游的压力会恢复到比带有更多流线型通道的阀门更小的一个入口压力百分比值。尽管每个阀门结构不尽相同,但是普通的直通阀通常有低的压力恢复能力。
 
修正的抛物线流量特性:一种流量特性,它在截流元件的低位行程处提供等百分比的特性,而在截流元件的高位行程处提供线性特性。
 
常关阀:(见“失气—关闭”。)
 
常开阀:(“见失去—打开”。)
 
向下推关闭结构:一种直通式阀门结构,它的截流元件位于执行机构和阀座环之间,这样执行机构推杆的推出会将截流元件移向阀座环,最后关闭阀门(图1-3)。该术语也可用于旋转式阀门结构。在旋转式阀门结构里,执行机构推杆的线性伸出会将球或阀板移向关闭位置。(也称为正作用。)
 
向下推打开结构:一种直通式阀门结构。它的阀座环位于执行机构和截流元件之间,这样执行机构推杆的推出会将截流元件从阀座上移开,因此打开阀门。该术语也可用于旋转式阀门结构。在旋转式阀门结构里,执行机构推杆的线性伸出会将球或阀板移向打开位置。(也称为反作用)。
 
快开流量特性:(见“过程控制术语”:“快开特性”。)
 
可调比:与指定的流量特性的偏差不超过规定的限制时,最大的流量系数(Cv值)之间的比例。当流量增加到100倍最小可控制流量时,一个100:1的可调比也可表示为最大与最小可控制流量之间的比例。
 
额定流量系数(Cv值):额定行程下阀门的流量系数(Cv值)。
 
额定行程:阀门截流元件从关闭位置运动至额定全开位置的距离。额定全开位置是由制造商推荐的最大开度。
 
相对流量系数:指定行程时的流量系数(Cv值)与额定行程时的流量系数(Cv 值)之间的比例。
 
阀座泄漏量:当阀门在规定的压差和温度下处于全闭位置时,流经阀门的流体量。(ANSI泄漏等级,简述于第5章。)
 
弹簧系数:弹簧长度每单位改变时弹簧力的改变。在薄膜执行机构控制阀里,弹簧系数通常用英镑力/英寸压缩量来表示。
 
阀杆补平衡力:由于流体压力的作用,在任意位置的阀杆上产生的净力。
 
缩流断面:流速最大、流体静压力和截面积最小处的那部分流束。在一个控制阀里,缩流断面通常位于实际的物理限制的下游。
其它过程控制术语
与控制阀、仪表和附件有联系的人经常会碰到下面一些以前没有定义过的术语和名词。有些术语(用*表示)摘录自ISA标准:过程仪表术语,ISA51.1-1976。其它包括的术语也被广泛运用于整个控制阀工业。
 
ANSI美国国家标准组织的缩写。
 
API美国石油组织的缩写。
 
ASME:美国机械工程师学会的缩写。
 
ASTM美国测试和材料学会的缩写。
 
自动控制系统*一种不需要人工干预就能工作的控制系统。
 
Bode图:一幅转换函数的在对数基线上的对数幅度比例和相位角度值图。这是图形化表示频率响应数据的最常见形式。
 
校验曲线*校验结果的图形化表示。一个装置的稳态输出表示为它的稳态输入的函数。该曲线通常以百分比的输出量程对百分比的输入量程的形式来表示。
 
校验循环*在仪表的量程范围内,在上升然后下降的方向上,使用被测量变量的已知值,并记录响应的输出读数值。校验循环曲线可以通过先增加然后减小装置的输入而获得。它通常以百分比的输出量程对百分比的输入量程的行式来表示。它提供回差的一种测量。
 
间隙流量:当截流元件没有座合时,低于最小可控制流量的那个流量。
 
控制器:自动操作以调节被控变量的装置。
 
焓:一个热动态量,它是阀体的内部能量和其体积与压力之积的和:H=U+Pv。(也称为热容量)。
 
熵:在一个热动态系统里,不能转化为机械功的能量的理论量度。
 
反馈信号:测量直接的被控制变量而得到的返回信号。对于一个带定1位1器的控制阀,反馈信号通常是反馈给定1位1器的截流元件连接杆位置的机械指示。
 
FCI:流体控制组织的缩写。
 
频率响应特性:以幅度和相位表示的稳态正弦输入及其引起的基本正弦输出之间的频率依赖关系。输出的幅度和相位移动可以被看作输入测试频率的函数,并用来描述控制装置的动态行为。
 
硬度:金属抵抗塑性变形(通常以凹陷形式)的能力。塑料和橡胶的抵抗尖头刺入其表面的能力。
 
振荡:外部激励消失之后,仍然存在的一种具有明显幅度的振动。振荡有时候被称为循环或极限循环。振荡是在或接近稳定极限处工作的证据。在控制阀里,控制系统或阀门定1位1器的不稳定会引起执行机构加载压力的波动,振荡会随之而出现。
 
ISA美国仪表学会的缩写。现在称为国际测量与控制学会。
仪表压力:有一个自动控制器提供的用来使阀门工作的输出压力。
 
加载压力:用来对气动执行机构进行定位的压力。这是实际作用在执行机构膜片或活塞上的压力。如果没有使用阀门定1位1器,加载压力可以是仪表压力。
 
NACE用来代表美国腐蚀工程师协会。随着该组织的范围越来越国际化,这个名词已经改为国际NACE。NACE已经不再是一个缩写。
 
OSHA职业安全和健康法令(美国)的缩写。
 
工作介质:这是指流体,通常为空气或气体,用来为阀门定1位1器和自动控制器的工作提供动力。
 
工作极限*一个装置能够承受而不会导致工作特性永久性损害的工作条件范围。
 
范围:二个极限之间的区域,其间距可以被测量、接受、或传递,并用上下范围值来表示(如:3至15Psi;-4至212°F;-40至100°C)。
 
可重复性*在全部行程范围内,沿着相同的方向,在相同的工作条件下,对于相同的输入值,一系列连续的输出测量值的接近程度。它通常是作为不可重复性来测量的,但以百分比量程来表示。它不包括回差(图1-15)。
 
敏感性:在达到稳定状态后,输出幅度的改变与引起该改变的输入改变之间的比例。
 
信号*一个物理变量,它的一个或多个参数携带关于该信号所代表的另外一个变量的信息。
 
信号幅度排序(分程):一种动作方式,其中有二个或更多个信号产生,或者有二个或更多个终端控制元件被一个输入信号驱动,每一个终端控制元件连续地、带或不带重叠对该输入信号的幅值作出响应(图1-15)。
 
量程:上下范围值的算术差(如:范围=0至150°F,量程=150°F;范围=3至15Psig,量程=12Psig)
 
气源压力:一个装置供气口处的压力。常用的控制阀气源压力值对于3于15Psig的弹簧设定范围为20Psig,对于6至30Psig 的弹簧设定范围为35Psig.
 
零误差*当输入为低范围值时,一个装置在规定的使用条件下的误差。它通常表示为百分比的理想量程。
过程偏差度
在今天这个动态的商业环境里,制造商们正处于极端的经济压力下。市场全球化正在产生减少制造成本以与低工资和低材料成本的发展中国家竞争的巨大压力。尽管国际性公司曾经满足过不断变化的客户的需要,但是它们之间仍然存在竞争以提供最高质量的产品并用较少的资源来最大化产出。它们尽管完全遵守公众和法规政策,但是还必须面对这些市场挑战。
 
1、过程偏差度
 
为了向它们的股东提供可以接受的回报,国际工业领袖们正在认识到他们必须降低原材料和废弃成本,同时增加生产力。通过应用过程控制技术减少制造过程中的过程偏差度已经被认为是一种改善投资回报和克服全球竞争压力的有效方法。
一个公司的基本目标就是通过生产高质量的产品来赚取利润。高质量的产品满足一系列的技术规格。任何对于已经建立的技术规格的偏离就是意味着由于原料的过量使用、重新加工成本或废弃产品而损失利润。这样,通过改善过程控制就可以取得很多的经济效果。通过较好的过程控制来减少过程偏差度可以从一开始就实现过程的优化和产品的正常生产。
原材料和生产过程里的固有的不一致性是生产偏差的常见起因。它们会使得过程变量产生一个高于或低于设定点的偏差。一个处于控制状态且只有常见的偏差起因存在时的过程典型地会遵循钟形正态分布。
在这个分布上,由统计学得到的一个数值区域称为+/-2σ区。它描述了过程变量偏离设定点的程度。这个区域就是过程偏差度。它是对过程被控制得如何紧密的一种测量。过程偏差度(见第1章里的定义)是过程紧密程度的一种精确测量。它表示为设定点的一个百分比。
例如,如果一个产品必须满足某个技术规格的下限,那么设定点需要建立在这个下限之上的2σ值处。这样做将确保在这个下限右面生产的所有产品会满足质量规格。
然而,问题是在一个技术规格要求大很多的水准上生产很多百分比的产品会浪费很多金钱和资源。
最理想的解决方案是通过选用一个能产生较小的σ的阀门来减小偏差的分布程度。
减小过程偏差度是取得企业目标的一个关键。大多数公司已经认识到这一点。对它们来说,把成千上万美元花费在仪表上面,以解决过程偏差度减小的问题是一件寻常的事情。
不幸的是,由于其对动态性能的影响未被认识到,控制阀在这个方面常常被忽略了。对控制回路的广泛研究表明多达80%的回路在减小过程偏差方面做得不好。进一步,人们发现控制阀由于各种各样的原因是这个问题的主要贡献者。
为了检验阀门的性能,制造商们必须在动态的过程条件下测试它们的产品。这些测
试典型地是在流量试验室里的实际闭环回路控制下进行的。在闭环回路性能数据证明为应用工况选择一个合适的阀门可以取得过程偏差度的明显减小。
控制阀减小过程偏差度的能力取决于许多因素。必须考虑多个独立参数。控制阀工业里的研究已经发现终端控制元件包括阀门、执行机构和定1位1器的特殊的结构特点对于在动态条件下取得好的过程控制是非常重要的。更加重要的是,控制阀 组件必须作为一个元件而进行优化或制造。不是作为一个完整的组件而设计的阀门部件典型地不会产生最好的动态性能。设计时需要考虑的一些最重要的因素包括:
·死区
·执行机构/定1位1器的设计
·阀门相应时间
•阀门类型和口径计算
每一个设计因素都会在本章里考虑,以提供关于是什么组成了一个超乎寻常的阀门结构的真挚灼见。
 
死区
死区是超大过程偏差度的主要贡献者。由于各种各样的原因,如摩擦力、游移、阀轴流转放大器或滑阀的死区等,控制阀组件可以是一个仪表回路里死区的主要来源。
 
死区是一种通用现象,指的是当输入信号改变方向时不能使得被测过程变量(PV)产生变化的控制器输出(CO)值的范围或宽度。(见第1章这些术语的定义)。当一个负载扰动发生时,过程变量(PV)会偏离设定点。这个偏差会先通过控制器,后通过过程产生一个纠正性的动作。然而,控制器输出的一个初始变化可能不会产生一个相应的过程变量的纠正性的改变,只有当控制器的输出有大得足于克服死区的改变时,一个相应的过程变量的改变才会发生。
控制器输出改变方向的任何时候,在过程变量的任何纠正性改变发生前,控制器的信号必须通过死区。工艺过程里死区的存在会使得过程变量偏离设定点。控制器的输出必须增加到大得足于克服死区,只有这时一个纠正性的动作才会发生。
死区有很多原因,但是控制阀的摩擦力和游移、旋转阀阀轴的扭转以及放大器的死区是几个常见的形状。由于大部分的调节式控制的动作是由小信号改变(1%或更小)组成的,一个有超大死区的控制阀可能甚至根本不会对这么多的小信号改变作出响应,一个制造精良的阀门应该能够对1%或更小的信号作出响应以有效地减少过程偏差度。然而,并不奇怪的是有些阀门展示出5%或更大的死区。在最近的一次工厂审计里,30%的阀门有超过4%的死区。超过65%的被审计回路有大于2%的死区。
有些对控制阀性能的测试仅仅比较相对于输入信号的执行机构推杆的行程。这是一种误导,因为它忽略了阀门本身的性能。
关键的是测量流动工况下阀门的动态性能,这样,,过程变量的改变才能与阀门组件的输入信号改变相比较。如果只有阀杆对于阀门输入的改变作出响应,那么这种测试的意义不大,因为如果没有相应的控制变量的改变,也就没有对于过去过程变量的纠正。
对于阀门A,过程变量(流量)能对小到0.5%的输入信号作出很好的响应。阀门B要求输入信号的改变大于5%,才开始对每一个输入信号阶跃作出很好的响应。阀门C明显更差,要求信号改变大于10%,才开始对每一个输入信号阶跃作出很好的响应。阀门B或C的改善过程偏差度的能力非常差的。
摩擦力是控制阀死区的一个主要原因。旋转阀对于高的阀座负载引起的摩擦力非常敏感。对于有些密封型式,高的阀座负载是为了获得关闭等级所必需的。由于高的摩擦力和低的驱动应变刚度,阀轴会扭转,无法把运动传递给控制元件。结果是,一个设计很差的旋转阀可能会展示出很大的死区,这个死区明显对过程偏差度有决定性的影响。
制造商们通常会在制造过程中润滑旋转阀的密封,但是经过只有几百次的循环动作之后,润滑层就会磨损掉。另外,压力引起的负载也会导致密封磨损。结果是,对于某些阀门型式,阀门的摩擦力可能会增加400%或更多。这就说明在力矩稳定之前,通过使用标准类型的数据来评估阀门而得出的性能方面的结论是误导。阀门B或C表明这些较高的摩擦力矩因素会对一个控制阀的性能产生毁灭性的影响。
填料摩擦力是直行程控制阀的摩擦力的主要来源。在这类型的阀门里,测量得到的摩擦力可能会随着阀门形式和填料结构的不同而有很大的差别。
执行机构的类型对于控制阀组件的摩擦力也有根本性的影响。总的来说,弹簧薄膜执行机构比活塞执行机构对控制阀组件产生更小的摩擦力。弹簧薄膜执行机构的另外一个优点是它的摩擦力比较恒定,不会随着时间的变化而变化。活塞执行机构的摩擦力会随着导向面和O形圈的磨损、润滑层的损失以及弹性体的性能等级下降而显著增加。这样,为了确保连续的最佳性能,活塞执行机构比弹簧薄膜执行机构需要更加频繁的维护。如果不进行维护,过程偏差度就会显著增加,而操作人员对此一无所知。
空程(见第1章里的定义)给机械连接的空动或松动起的名词。当装置改变方向时,这种空动会引起运动的不连续性。空程通常发生在具有各种各样配置的齿轮驱动的装置里。齿条齿轮执行机构由于空程特别容易产生死区。有些阀轴的连接也展示出死区的效果。花键连接总的来说比键槽连接的阀轴或双D形结构有更小的死区。
尽管摩擦力可以通过优良的阀门设计而大大地减小,但是全部消除它却是一个空难的问题。一个设计制造精良的控制阀应该能够消除由于空程和阀轴扭转而引起的死区。
为了在减小过程偏差度方面取得最佳效果,整个阀门组件的总的死区应该等于或小于1%,理想地,应该低到0.25%。
 

 
 
执行机构—定1位1器的设计制
 
执行机构和定1位1器的设计必须一起考虑。这两个设备组合会在很大程度上影响控制阀组件的静态性能(死区)和动态响应、以及阀门这个仪表的总的空气消耗量。
今天,定1位1器用于大部分制定的控制阀应用场合。与普通的数字式控制系统一起使用时,定1位1器可以提供很高的定位精度以及对过程干扰的更加快速的响应。随着人们越来越把重点放在过程控制的经济效果,在过程优化重要的每一个阀门应用场合都应该考虑使用定1位1器。
一个好的定1位1器在降低过程偏差度方面的最重要特性是它是一个高增益装置。定1位1器的增益由两部分组成:静态增益和动态增益。
静态增益是一个装置能感测到输入信号的微小改变(0.125%或更小)的敏感性。除非这个装置对这些小信号改变敏感,否则它不可能对过程变量的干扰作出响应。定1位1器的高静态增益是通过一个前置放大器而取得的。这个放大器在功能上类似于包含在保真影响系统里的前置放大器。在很多气动定1位1器里,一个喷嘴-挡板或类似装置具有与这种高静态增益前置放大器一样的作用。
一旦过程变量的改变被高静态增益前置放大器所感测到,定1位1器必须能使得截流元件快速地运动,以提供一个对于过程变量的及时的纠正动作。这需要很大的动力来使得执行机构和阀门组件快速地运动到一个新的位置。换言之,定1位1器必须迅速提供大量的空气给给执行机构以使得它作出快速的响应。这种能力来自定1位1器的高动态增益。尽管前置放大器能够提供高静态增益,但是它典型地没有足够的能力来提供所需要的动力。这样,前置放大器的功能必须通过一个高动态增益动力放大器来进行补偿。而这个高动态增益动力放大器能够根据需要快速的提供要求的空气流量。这种动力放大器的功能一般是由一个放大器或滑阀提供的。
滑阀定1位1器由于其简单性而相对比较常用。不幸的是,很多滑阀定1位1器是通过在设计时取消高增益前置放大器而取得这种简单性的。这些定1位器的输入阶段通常是一个低静态增益转换器模块。这个装换器模块把输入信号(电气或气动)转换成滑阀的移动,但是这种装置通常对于小信号改变的敏感度很低。其结果是很大的时滞时间和很慢的控制阀组件总体响应时间。
有些制造商试图通过使用口径较大且通道重叠较少的滑阀来补偿这些装置较差的性能。这的确增加了装置的动态动力增益。如果与执行机构非常匹配,这个方法会在一定程度上改善性能,但是它大大地增加了这些高增益滑阀的空气消耗量。很多高增益滑阀定1位器比典型的高性能二级定1位器有大于5倍的静态仪表空气消耗量。
典型的二级定1位器在动力放大阶段使用气动放大器。放大器受到偏爱,因为他们能提供高动力增益。这种高动力增益用  最小的稳态空气消耗量产生最好的动态性能。另外,它们不易受到流体污染。
随着微处理器装置越来越普及,定1位器的设计正在发生巨大的变化。这些基于微处理器的定1位器提供与最好的普通二级定1位器一样的动态性能。它们也提供阀门监视和诊断能力,有助于确保最初的优良性能不会随着使用而下降。
概括的说,同时具有高静态和高动态增益的高性能定1位器能为任何一个给定的阀门组件提供降低过程偏差度方面的最佳总体性能。
 
阀门响应时间
对于许多过程的优化控制,重要的是阀门快速地到达一个制定的位置。对于小信号改变(1%或更小)作出快速的响应是在提供优化过程控制方面的其中一个最重要的因数。在自动的、调节式控制场合,从控制器接受的大量信号改变都是为了取得小的阀门改变。如果一个控制阀组件能够快速的对这些小信号改变作出响应,过程偏差度将会得到改善。
阀门响应时间是通过一个成为T63的参数来测量的。T63是从输入信号改变开始起到输出达到63%的相应改变时测量所得到的时间。它包括阀门组件的时滞时间(一个静态时间)和阀门组件的动态时间。这个动态时间是对于执行机构从一旦开始移动至到达63%的点所需要的时间的一种度量。
死区,不管是源自阀体和执行机构里的摩擦力,还是来自定1位器的,都能在很大程度上影响阀门组件的时滞时间。重要的是使得时滞时间尽可能地小。总的来说,时滞时间应该不超过阀门总体响应时间的三分之一。然而,时滞时间与过程时间常数之间的相对关系是关键的。如果阀门组件置于一个过程时间常数接近时滞时间的快速回路的性能。在这些快速回路里,关键是要选择时滞时间尽可能小的控制设备。
从回路整定的角度看,时滞时间在阀门的两个行程动作方向保持相对恒定也是很重要的。有些阀门组件结构在一个行程动作方向比另一个有3至5倍长的时滞时间。这种特性典型地是由定1位器设计的不对称特性引起的。它会严重地限制把回路整定到最佳总体性能的能力。
一但时滞时间已经过去,且阀门开始响应,阀门响应时间的剩余部分来自阀门组件的动态时间。这个动态时间主要是由定1位器和执行机构组合的动态特性决定的。这两个部件必须很好地匹配以减少阀门的总的响应时间。例如,在一个气动阀门组件里,定1位器必须有一个高动态增益以减小阀门组件的动态时间。这个动态增益主要由定1位器里的动力放大器提供。换言之,定1位器放大器或滑阀能够越快地提供大量的压缩空气给执行机构,阀门的响应时间也将越快。然而,这种高动态增益动力放大器对时滞时间有很小的影响,除非它有一些故意设计在其中的死区以减少静态耗气量。当然,执行机构的设计对动态时间有很大的影响。例如,需要充填的执行机构气室的容积越大,阀门的响应时间就越慢。
首先,可能看起来解决方案应该是把执行机构容积减至最小,并把定1位器的动态力增益提高至最大,但是事实并非如此简单。从稳定性角度看,这可能是多个因素的危险组合。要知道定1位器/执行机构组合组成了它自己的反馈回路。对于正在使用的执行机构型式,使得定1位器/执行机构回路的增益太高可能会引导阀门组件进入一个稳定的振荡状态。另外,减小执行机构容积对推力/摩擦力比例有负面影响。这会增加阀门组件的死区,从而导致时滞时间的增加。
对于一个给定的应用场合,如果没有足够的总体推力/摩擦力比例,一个选择就是通过使用下一个较大尺寸的执行机构来增加执行机构的推动力、或增加给执行机构的压力。这个较高的推力/摩擦力比例会减小死区。这有助于减小阀门组件的时滞时间。然而,这两个选择都意味着需要较大的压缩空气量供应给执行机构。作为交换的是通过增加动态时间而对阀门响应时间产生一个可能的破坏性影响。
减少执行机构气室容积的一个方法是使用活塞执行机构而非弹簧薄膜执行机构,但这不是灵丹妙药。活塞执行机构通常比弹簧薄膜执行机构有更大的推力,但是它们也有更高的摩擦力,这可能会引起与阀门响应时间有关的问题。为了获得需要的活塞执行机构的推力,通常有必要使用比薄膜执行机构更高的气源压力,因为典型地活塞有更小的受压面积。这意味着需要供应更大的空气,随之而产生的是对动态时间的负面影响。另外,活塞执行机构有更多的导向表面。它们由于配合方面的内在困难以及与O型圈的摩擦,趋向于有更高的摩擦力。这些摩擦力的问题也趋向于随着时间而增加。不管最初这些O型圈是多么好,由于磨损或其它环境条件,这些弹性材料会随时间而降低性能。类似地,导向表面的磨损会增加摩擦力,润滑程度也会降低。这些摩擦力问题会产生跟大的活塞执行机构死区。这会通过增加时滞时间而增加阀门的响应时间。
仪表供气压力也可能对阀门组件的动态性能产生很大的影响。例如,它能显著地影响定1位器的增益和总耗气量。
固定增益定1位器通常已经在某一特殊供气压力下进行了优化。然而,这个增益可能会在供气压力的很小变化范围内成两倍或更多倍地变化。例如,一个在20Psig的供气压力下进行优化的定1位器可能会被发现当供气压力增加到35Psig时,它的增益减少了一半。
供气压力也会影响供应给执行机构的空气量。空气量则决定动作速度。它也与耗气量直接相关。高增益滑阀定1位器需要消耗5倍于在动力放大阶段使用放大器的更加高效的高性能二级定1位器所需的气量。
最小化阀门组件的时滞时间需要最小化阀门组件的死区,不管这个死区是由于阀门密封结构的摩擦力引起的,还是由于填料的摩擦力、阀轴的扭转、执行机构或者定1位器的结构引起的。正如先前指出的,摩擦力是控制阀死区的主要原因。对于旋转式阀门,阀轴扭转(见第1章里的定义)也是死区的重要起因。执行机构的类型也对阀门组件的摩擦力有重要影响。总的来说,在很长一段时间内,活塞执行机构比弹簧薄膜执行机构提供更大的摩擦力给控制阀组件。如前面所他提及的,这是由于活塞O形圈、配合不佳的问题、以及润滑失效引起的不断增加的摩擦力导致的。
带高静态增益前置放大器的定1位器型式在减小死区方面可以产生很大的不同。它也会对阀门组件的分辨率(见第1章里的定义)作出显著的改善。死区和分辨率为1%或更小的阀门组件对于满足许多降低过程偏差度的需要是不够的。许多过程要求阀门组件有低至0.25%的死区和分辨率,尤其是阀门组件安装于一个快速过程回路的场合。
在对控制阀响应时间的许多研究里有一件令人称奇的事情。那就是关于弹簧薄膜执行机构对活塞执行机构的观念上的变化。过程工业里长期以来的一个误解是活塞执行机构动作起来比弹簧薄膜执行机构快。研究已经表明对于小信号改变,这是不正确的。
这个误解来自测试阀门的动作时间的多年经验。动作时间测试通常是这样进行的:让阀门组件接受一个100%阶跃改变的输入信号,然后测量阀门组件在某一方向上完成一次全行程动作所需要的时间。
尽管活塞驱动的阀门通常比大部分弹簧薄膜驱动的阀门有更快的动作时间,但是这种测试并不能说明在实际的过程控制情况下的阀门性能。在正常的过程控制应用场合里,阀门很少需要全行程的动作。典型地,阀门只要求在一个0.25%至2%的阀位变化范围内作出响应。广泛的阀门测试表明弹簧薄膜阀门组件在小信号改变方面的性能总是超过活塞驱动的阀门,而小信号改变更能代表调节式过程控制应用工况。活塞执行机构里较高的摩擦力是使得它们比弹簧薄膜执行机构对于小信号的响应更加慢的一个作用因素。
选择正确的阀门、执行机构和定1位器组合不是容易的。这并不是一件简单地找到一个在物理上匹配的组合的事情。良好的工程判断必须融入阀门组件的计数和选型实践,以取得回路的最佳动态性能。
 
阀门类型与特性化
所用的阀门类型和阀门口径计数可能会对系统里控制阀组件的性能产生很大的影响。一个阀门必须有足够大的口径以通过在所有可能的变化条件下需要的流量。然而对某一个应用场合口径太大的阀门对于过程优化是一个不利因素。
阀门的流通能力也由于阀门的固有特性而与阀门类型相关。固有特性是当经过阀门的压差恒定时阀门的流通能力与阀门行程之间的关系。
典型地,这些特性画在水平线用百分比行程表示而垂直线用百分比流量(Cv值)表示的曲线上。由于阀门流量是阀门行程和通过阀门的压差的一个函数,所以传统的办法就是在一个恒定的压力降下进行阀门的固有特殊性测试。这不是实际应用中的正常情况,但是它提供了一种比较阀门特性形式的系统方法。
在恒定的压力降这个特定的条件下,阀门流量就成为阀门形程和阀门内件固有结构的一个函数。这些特性称为阀门的固有流量特性。由此方法得出的典型的阀门特性命名为线性、等百分比和快开。
阀门流量(输出)的增量变化对于引起这个流量变化的相应的阀门行程(输入)的增量的比例被定义为阀门增益。它就是:
固有阀门增益=(流量变化/行程变化)=固有特性曲线的斜率
线性特性在阀门的全程范围内有一个恒定的固有阀门增益,而快开特性在行程范围的较低一端有一个最大的固有阀门增益。等百分比阀门的最大固有阀门增益位于阀门的最大开度处。
固有阀门特性是阀门流通通道几何尺寸的固有函数。只要压力降恒定,它是不会变化的。许多阀门类型,尤其是旋转球阀、蝶阀和偏心球塞阀都有固有特性,它们不会容易的被改变。然而,大部分的直通阀有多种阀笼或阀芯可供选择。这些阀笼或阀芯可以互换以修改固有流量特性。
了解固有阀门特性是有用的,但是要进行过程优化,更加重要的特性是整个过程包括回路里的阀门和所有其它设备的安装流量特性。安装流量特性定义为:当阀门安装在一个特定的系统里且通过阀门的压力降允许自然地改变而不是设为恒定时,流经阀门的流量与阀门组件输入之间的关系。
通过各种各样的阀门内件型式来特性化固有阀门增益的原因是为了给回路里其它增益的改变提供补偿。最终目标是维持一个在整个工作范围内合理统一的回路增益,为工艺过程保持一个相对线性的安装流量特性。由于其如上所定义的测量方法,图2-5所示安装流量特性和安装增益实际上是整个过程的安装流量特性和安装增益。
典型地,控制控制装置的增益会随着流量的变化而变化。例如,一个压力容器的增益趋向于随着输出增加而减小。在这个例子里,过程控制工程师可能会使用一个等百分比的阀门。它有一个随着流量的增加而增加的增益。理想地,这两种反向的关系应该能够取得平衡以为整个工艺过程提供一个比较线性的安装流量特性。
理论上,在某一设定点的流量条件下,一个回路已经被调整到最优性能状态。随着流量在该设定点附近变化,理想的是保持回路增益尽可能地恒定,以维持最佳性能状态。如果由于固有阀门特性而产生的回路增益变化不能精确地补偿被控制装置的变化的增益,那么,由于安装过程增益的偏差,回路增益也将产生一个偏差,结果是过程优化变得越来越困难。也有这样一个危险:回路增益可能会改变得足以引起不稳定、振荡、或其它动态问题。回路增益变化不应该超过4:1的比例,否则,回路的动态性能会受到无法接受的影响。这个特殊的比例没有什么神奇之处。只不过许多过程控制的实践者们都认同这是一个在大多数的过程控制回路里能够产生一个可以接受的增益范围的比例。
这一指导原则成为下面的EnTech增益限制指标的基础(选自“控制阀动态指标”,2.1版,1994年,EnTech控制公司,加拿大,Ontario,多伦多):
回路过程增益=1.0(变送器量程的百分比)÷(控制器输出的百分比)
正常范围:0.5-2.0(注:4:1的比例)
应注意这个回路过程的定义包括除了控制器之外的回路配置里的所有装置。换言之,诸如控制阀组件、热交换器、压力容器、或其它被控制的系统、泵、变送器等类的装置的增益总和就是过程增益。由于阀门是这里所定义的回路过程的一部分,所以重要的是选择一种阀门类型和口径,它会产生一种线性的安装流量特性,足以在系统的,工作范围内保持在指定的增益限制范围内。如果控制阀本身产生太大的增益变化,就会给控制器的调整提供较小的灵活性。把尽可能多的回路增益留给控制器是一种良好的工程实践。
尽管4:1的回路增益改变比例被广泛接受,但并非每一个人都同意这个0.5-2.0的增益。一些行业专家已经提出使用0.2-0.8的回路过程增益限制的事例,这仍然是4:1的比例。使用这种较小的增益范围的固有潜在危险是这个增益范围的下限可能会在正常工作期间使阀门产生很大的摆动。良好的工作实践是把阀门摆动控制在5%以下。但是让增益太大也有危险。如果在行程的某一点处,回路增益变得太高,回路可能会产生振荡或甚至变得不稳定。为了确保在一个宽广的工作条件范围内有良好的动态性能和回路稳定性,行业专家们推荐回路设备应该精心设计制造,所以过程增益仍处于0.5-2.0的范围内。
过程优化要求所选择的阀门类型和口径在最大可能的工作条件范围内能把过程增益控制在选定的增益限制范围内。由于减小过程偏差度是如此地依赖于维持一个统一的安装增益,在能够接受的增益指标限制范围内,一个阀门可以工作的范围被称为阀门的控制范围。
一个阀门的控制范围会随着阀门类型而有很大的变化。直通阀比蝶阀有更加宽的控制范围。其它阀门类型,如:V形切口球阀和偏心球塞阀通常位于这两个范围之间的某处。
因为蝶阀典型地有最窄的控制范围。它们通常最适合于负载固定的应用场合。另外,它们必须经过仔细计算,以便在固定负载处取得最优性能。
如果一个阀门的固有特性能够选择得可以精确地补偿随流量产生的系统增益的变化,人们就会希望安装过程增益(下面的曲线)最后是一条数值为1的直线。
不幸的是,由于在提供无限数量的固有阀门内件特性方面的物理限制,这样一种精确的增益吻合很少是可能的。另外,有些阀门类型,如蝶阀和球阀,不提供可以很容易地改变固有阀门特性的多种内件选择。
通过在定1位器的反馈机构里采用非线性凸轮来改变阀门组件的固有特性,这种情况可以得到改善。非线性反馈凸轮改变阀门输入信号与阀杆位置之间的关系,为整个控制阀组件取得一个需要的固有阀门特性,而不是仅仅依赖于阀门内件型式的改变。
虽然使用定1位器凸轮确实可以影响并修改阀门特性,并在某些时候是非常有用的,但是使用特性化凸轮的效果在大部分情况下是受到限制的。这是因为凸轮也会大大改变定1位器的回路增益,这会极大地限制定1位器的动态性能。使用凸轮来修改阀门特性,通常不如改变阀门内件特性来得有效,但是总比根本没有特性化要好。这种特性化处理通常是旋转阀的唯一其它选择。
一些电子装置试图通过在定1位器回路之前就以电子方式改变I/P定1位器的输入信号来进行阀门特性化。这种技术通过以下方式重新校准阀门输入信号:接受4-20毫安的线性控制器信号,并使用一张预先编辑好的数值表以产生取得需要的阀门特性所需的阀门输入。这种技术有时候称为前向通道或设定点的特性化。
由于这种特性化在定1位器反馈回路之外进行,这种类型的前向通道或设定点的特性化比特性化凸轮有一个优点。它避免了定1位器回路增益变化的问题。然而,这个方法也有它的动态局限性。例如,在阀门工作范围内,可能有这样的区域:1.0%的过程信号改变也许会通过这种特性化过程被减小到对阀门的只有0.1%的信号改变(那就是位于特性化曲线的平坦区域)。许多控制阀不能对这样小的信号改变作出响应。
最佳的过程性能出现在要求的流量特性是通过改变阀门内件,而不是使用凸轮或其他方法取得的时候。正确地选择一个控制阀以在系统的操作范围内产生比较线性的安全流量特性是确保最优过程性能的一个关键步骤。
 
阀门口径计数
在试图通过减小过程偏差度来优化过程性能的时候,有时会出现阀门口径选得太大的情况。这是由于使用与管线等经的阀门引起的,尤其是使用大流通能力的旋转阀、以及在过程设计的不同阶段保守地加入多个安全系数。
阀门口径选择得太大会从两个方面影响过程偏差度。第一,口径太大的阀门把太多的增益放在阀门上,而把较小的灵活性留给控制器的调整。最佳性能发生在大部分的回路增益由控制器提供的时候。
过程增益在低于约25%的阀门行程区域里变得非常高。如果阀门口径太大,会使得阀门更有可能在或接近这个区域工作。这个很高的增益需要减小以避免回路的不稳定问题。当然,这就意味着增加过程偏差度的惩罚。
口径太大的阀门影响过程偏差度的第二个方面是一个口径太大的阀门有可能频繁地在阀门的较小开度下工作。在阀门的较小开度处,密封摩擦力比较大,尤其是在旋转阀里。由于一个口径太大的阀门对于一个给定的阀门行程增量会产生一个不成比例地大的流量改变,这个现象会大大地增加由于摩擦力引起的死区有关的过程偏差度。
不考虑它的实际固有阀门特性,一个超大口径的阀门趋向于快开阀门一样地动作,这会在较小的开度区域引起很高的安装过程增益。另外,阀门口径选得太大,阀门趋向于在相对低的行程处就达到系统的流通能力,使得流量曲线在高的阀门行程处变得更加平坦。对于超过50%的阀门行程,这个阀门对于过程控制而言已经变得无效了,因为过程增益接近零,并且阀门行程的很大变化只会引起流量的微小变化。结果是在这些区域根本没有希望取得可以接受的过程偏差度。
 
 
图2-5所示的阀门被错误地用在该应用场合,因为它有这样一个窄的控制范围(约25%至45%)。这个情况是因为选择了一个与管线等径的碟阀而引起的,主要是由于它的低成本,而且没有考虑到控制阀的低劣动态性能会牺牲过程偏差度从而引起利润损失。
不幸的是,这种情况经常重复。过程控制研究表明,对于某些工业,目前在过程控制回路里的大多数阀门相对于它们的应用工况都选得太大。这可能看起来是违反直觉的。但是通常具有经济意义的是针对目前的工况选择一个控制阀,然后当工矿改变时更换这个阀门。
选择一个阀门的时候,重要的是考虑阀门的类型、固有特性、以及可以为该应用场合提供可能的最宽的控制范围的阀门口径。
经济效果
考虑本章讨论的因素会对一个过程工厂的经济效果产生很大的影响。越来越多的控制阀用户把注意力集中在动态性能参数上,如死区、响应时间和安装增益(在实际过程负载条件下),作为一种改善过程回路性能的方法。尽管在开环回路情况下测量大部分的这些动态性能参数是可能的,但是只有当测量闭环回路的性能时,这些参数产生的影响才会变得清楚。图2-7所示的闭环回路测试结果表明在不同的整定条件下三个不同的阀门的减小过程偏差度的能力。
这个图以百分比设定点变量对闭环回路时间常数一回路整定的一种测量绘出过程偏差度。标有“手动”的水平线表示不试图控制它(开环回路)时回路里存在多大的偏差度。向左边倾斜标有“最小偏差度”的线代表计算得出的一个理想阀门组件(没有非线性度)的动态性能,所以实际阀门组件应该正常地位于这两种情况之间。
不是所有的阀门提供相同的动态性能,尽管他们理论上满足静态性能购买指标,并且被认为是差不多的阀门(图2-7)。图2-7中的阀门A在一个很宽的控制器整定范围内很好地跟随最小偏差度线。这个阀门表现出非常好的动态性能,有最小的偏差度。形成对比的是,阀门B和C表现较差,而且随着系统整定得更快以减小闭环回路时间常数,其偏差度会增加。
 
 
所有三种阀门类型都能够控制过程并减小偏差度,但是其中的两种表现较差。如果表现较差的阀门B被表现最好的阀门A替换,且系统被调整到2.0秒的闭环回路时间常数,考虑会发生什么。
 
测试数据表明这会引起1.4%的过程偏差的改善。这可能看起来不是很大,但是长时间的结果是令人印象深刻的。一个每一天每一秒都能提供这样的改善的阀门在仅仅一年之内就能节约大量的金钱。
维持更加靠近设定的分布度,就有可能通过把设定点移到离规格下限更近的地方来取得原材料的节约。在这个例子中1.4%的改善可以转化成每天12096美国加仑的原材料节约。假设原材料成本每加仑0.25美元,这个最好的阀门会每天直接贡献额外的3024美元给利润。这加起来可以达到令人印象深刻的每年1103760美元的节约。
这个例子中较好的阀门的优良性能提供了很强的证据表明一个超乎寻常的控制阀组件能够产生非常显著的经济效果。这个例子仅仅是阀门通过更加严格的控制能够增加利润的一个方面。减少能源成本、增加产出、减少超标产品的重新加工成本等则是一个好的控制阀通过更加严格的控制能够增加经济效果的全部。对于最好的控制阀,最初的成本也许比较高,但是花费在制造精良的控制阀上的少量的额外成本能够大大增加投资回报。通常,阀门的最初的额外成本可以在几天的时间内得到补偿。
这些研究的结果是过程工业已经越来越意识到控制阀组件对于回路/装置/工厂的性能扮演着重要的角色。它们也已经认识到传统的指定一个阀门组件的方法,再也不足以确保取得过程优化的好处。象流通能力、泄漏量、材料适应性和标准性能数据这样的静态性能指标,尽管重要,但是不足以处理过程控制回路的动态特性。
概括
      控制阀组件在取得控制回路的肯能的最佳性能方面扮演着极其重要的角色。过程优化意味着优化整个过程,而不仅仅是用于控制室里的设备的控制算法。阀门被称为终端控制元件,因为控制阀组件是过程控制被执行的地方。毫无意义的是,建立一个复杂的过程控制策略,并安装能够取得0.5%或更好的过程控制的硬件仪表系统,却用一个5%或更差的控制阀来执行那个控制策略。对几千个过程回路进行的审计已经提供了很强的证据,表明终端控制元件在取得真正的过程优化方面扮演着非常重要的角色。当一个控制阀是为其应用场合而精心设计制造时,工厂的盈利能力会增加。
控制阀是复杂的高科技产品,不应该被当作一般商品处理。尽管传统的阀门技术规格起着重要的作用,但是如果要取得真正的过程优化,阀门技术规格必须也能够解决真正的动态性能特性问题。重要的是这些技术规格应该包括诸如:死区、时滞时间、响应时间等之类的参数。
最后,过程优化随着整个回路的优化而开始和结束。回路里的元件不能被单独地处理已取得协调的回路性能。类似地,回路里的任何单个元件的性能也不能被孤立地评估。在没有负载的标准条件下进行孤立测试不会提供在实际过程条件下测试硬件所得到的性能信息。
阀门的分类
执行器的分类


执行机构
气动操作的控制阀执行机构是使用最普遍的一种执行机构,但是电动、液动和手动执行机构也被广泛应用。弹簧薄膜气动执行机构由于其结构的可靠性和简单性而被最普遍地指定使用。气动操作的活塞执行机构为要求的工况条件提供很高的阀杆输出力。弹簧薄膜和气动活塞执行机构的改进型可以直接安装在旋转式控制阀上。
电动和电液执行机构比气动执行机构更加复杂、更加昂贵。在没有供气源可提供、很低的环境温度可能会冻结气源供应管道里的冷凝水、或者通常需要特别大的阀杆力的场合,它们具有优越性。简要概括之后是讨论常用的执行机构的型式和特性。
 
薄膜执行机构
   气动操作的薄膜执行机构使用由控制器、定1位器或其它来源提供的气源。
   • 各种各样的类型包括:正作用(增加气源压力把膜片向下推并使执行机构推杆伸出,图3-31);作用(增加气源压力把膜片向下推并使执行机构推杆缩回,图3-31);可更换作用方向(可以组装成正作用或者反作用或者反作用的执行机构,图3-32);旋转阀的正作用执行机构(增加气源压力把膜片向下推,可能打开或关闭阀门,取决于阀轴上的执行机构杠杆的定位,图3-33)。
   • 净输出力是膜片与弹簧反作用力之间的差值。
   • 膜压的膜片提供线性的特性和较大的行程。
   • 要求的输出力和可提供的供气压力决定了执行机构的尺寸。
   • 薄膜执行机构简单、可靠且经济。
 
活塞执行机构
   •活塞执行机构是气动操作的,使用高达150psig的高压气源,通常不需要气源压力调节器。
   • 活塞执行机构提供最大的输出力和很快的驱动速度。
   • 活塞执行机构可以是双作用的,以在2个方向上都提供最大的力;或者是弹簧复位的,以提供失气—打开或失气—关闭的工作方式。

 

   •可以安装各种各样的附件以便在供气压力切断时定位双作用的活塞。这些附件包括气动保位阀和锁定系统。
• 也可以提供液压缓冲器、手轮和不带支架的执行机构。它们可以用来操作蝶阀、风门、以及类似的工业设备。
• 用于旋转式控制阀的其它类型的活塞执行机构在气缸的下端有一个滑动式密封。这使得执行机构推杆可以周向旋转以及上下移动,而不会产生气缸压力的泄漏。这个特点使得执行机构杆可以直接安装到固定在旋转式阀轴上的执行机构杠杆上,因此不需要连接件,也消除了运动损失的起源。
 
电液执行机构
   • 电液执行机构只需要供应给马达的电源和由控制器提供的一个电气输入信号

   • 电液执行机构对于无法提供气源压力但又需要精确地控制阀芯位置的偏远区域是非常理想的。
   • 执行机构正常地通过很小的调整即可更换作用方向,而且可以是自给自足的,包括在一个防气候或防爆壳体里的有马达、泵和双作液压操作的活塞。
 
手动执行机构
   • 手动执行机构在不需要自动控制的场合是有用的,然而,简便的操作和良好的控制仍然是必需的(图3-36)。在自动控制系统的维护或停车期间,他们常常用来驱动控制阀周围的三通阀旁路里的回路里的旁路阀以进行手动过程控制。
   • 手动执行机构有各种各样的尺寸,既可用于直通式阀,也可用于旋转阀。
   • 刻度指示装置可以提供给某些型号,以实现阀芯或阀板的精确的重新定位。
   • 手动执行机构比自动执行机构要便宜得多。
 
齿条和齿轮执行机构
齿条和齿轮型执行机构为旋转阀提供了一种小型且经济的解决发案。由于空程,它们典型地用在开关场合或过程偏差不是一个考虑因素的地方。
 
 
电动执行机构
传统的电动执行机构的设计使用了一个电动马达和某些形式的减速齿轮以移动阀门。这些机构经过改进已经被用于连续控制,并取得了不同程度的成功。到目前为止,电动执行机构对于相同的性能水平仍然比气动执行机构要昂贵得多。这是一个技术快速发展的领域,将来的设计可能会引起一个向更多地使用电动执行机构的转变。
调节阀附件
定1位器
气动操作的阀门依靠定1位器来接受由过程控制器提供的一个输入信号并把它转换成阀门行程。这些仪表可提供三种配置:
1.      气动式—一个气动信号(通常3—15psig) 被供应给定1位器。这个定1位器把它转化成一个要求的阀门位置,并提供给阀门执行机构达到这个位置所需要的气源压力以把阀门移到正确的位置。
2.      模拟式I/P—这种定1位器具有与上面的定1位器相同的功能,但是它使用电流(通常4—20毫安)而不是气源作为输入信号。
3.      数字式—尽管这种定1位器在功能与上面介绍的模拟式I/P定1位器非常类似,但是不同点在于电气信号的转换是数字式的而非模拟式的。数字式产品包括三种类型:
   • 数字式不通信—一个电信号(4—20毫安)供应给定1位器。它驱动电子模块并控制输出。
   • HART—这与数字式不通信定1位器是一样的,但是它能够在与用于模拟信号相同的导线上进行双向数字通信。
   • 现场总线—这种定1位器接受基于数字的信号并使用数字式电子线路配合机械部件来定位阀门。全数字控制信号取代模拟控制信号。另外,在相同的导线上进行双向数字通信也是可能的。这种现场通信技术向现场总线技术的转移通过改善控制结构、增加生产能力和减少接线而使最终用户受益。
向使用模拟式的I/P定1位器一种仪表,而不是气动定1位器和转换器和两种仪表的组合转移已经发生了许多年。这种转移是由单个仪表方式的较低的安装成本和用于阀门的电子仪表的渐渐接受引起的。这一趋势与另外一种向HART和现场总线产品转移的趋势相混合,使仪表类型组合从转换器和气动定1位器向模拟式I/P定1位器和数字式阀门控制器过渡。
把软件命令植入装置的记忆模块的能力代表着数字式与模拟式I/P定1位器层次之间的真正区别。这种能力可以实现阀门的自动组态和设置。最重要的是它可以实现双向通信以进行过程、阀门和仪表的诊断。
由于越来越多地使用DCS系统以及客户更加注重阀门精度,一个总的趋势是向在阀门上使用更高档的定1位器转移。用户由于好几个原因购买数字式阀门控制器:
   • 减少回路调试成本,包括安装和校验。
   • 使用诊断以维持回路性能水平。
   • 通过减小过程偏差度来改变过程控制。
   • 抵消仪表技术人员正在下降的机械技能基础。
数字式阀门控制器有两个方面使得他们特别具有吸引力:
   • 自动校验和组态。跟传统的零位和量程调校相比,可以取得明显的时间节约。
   • 阀门诊断。通过集散式控制系统(DCS)、PC软件工具、或手操通讯器,用户能够当阀门在线时诊断阀门的健康状况。
FIELDVUE®仪表具有新的可以远程利用的诊断能力。随着这项技术应用于控制阀,这个特点驱动使我们看一下该技术的潜在影响力。
过去,现场人员在FlowScanner系统的帮助下,可以通过一系列的离线测试来诊断一个阀门的健康状况。客户们过去有规律地更换阀门,现在能够在拆卸阀门前就检测到阀门实际情况。
数字仪表能够延伸这种服务,具有额外的增强功能:
• 现在能够远程地诊断阀门的健康状况。
• 在线诊断使得预见性维护成为可能。
这两个额外的特点对于用户极其重要。这种远程能力可以实现阀门监视并向用户报告他们的设备情况。那些以制造、供应和服务阀门为主业的人们,现在帮助客户在一个以前从未可能的水准上诊断阀门的情况。预见性维护为客户取得额外的节约。当阀门工作时看见它的性能现在已经成为可能。观察阀门性能随时间而下降使得用户能够预见什么时候更换是必需的。它甚至能够提示需要一种不同的产品,如用一台直行程阀门替换一台蝶阀。
 
其它控制阀附件
 
限位开关
限位开关向集散式控制系统,或驱动信号灯、小型电磁阀、继电器或报警器提供离散型输入。凸轮操作型限位开关(图4-7)典型地与两至四个单独的由阀杆运动操作的开关一起使用。安装在执行机构旁边的组件包含这些开关。每一个开关可以单独地调整,可以提供信号给交流或直流系统。其它类型的安装在阀门上的限位开关也可提供。
 
电磁阀组
执行机构的类型和需要的失效安全工作模式决定了电磁阀的正确选择(图4-8)。电磁阀可以用在双作用活塞或单作用薄膜执行机构上。
 
供气压力调节表
供气压力调节表,通过称为空气组件,减小供应给阀门定1位器和其它控制设备的现场气源压力。常用的经过减压的气源压力有20、35和60psig。调压器可以集成式地安装在定1位器上、或用螺纹接管套或用螺栓安装在执行机构上。
 
气动锁定系统
气动锁定系统与控制阀一起使用,在失去供气压力时锁定执行机构当前的负载压力。这些装置可以与储气罐一起使用,在失去气源压力时把阀门移至全开或全闭位置。在供气压力恢复后,正常操作会自动地继续。在功能上类似的结构也可以提供给使用薄膜执行机构的控制阀。
 
活塞执行机构的实效安全系统
在这些失效安全系统里,当供气压力低于预先确定的值时,执行机构的活塞会移至气缸的顶部或底部。充满供气压力的储气罐在供气压力失去时给执行机构提供负载压力,这样可以把活塞移至需要的位置。当供气压力恢复正常时,自动操作将继续,而且储气罐会被重新充气。
 
电—气转换器
转换器接受一个直流输入信号,并使用一个力矩马达、喷嘴挡板和气动放大器把这个电气信号转换成一个成比例的气动输出信号。喷嘴压力操纵放大器,并与力矩马达的反馈波纹管相连接以进行输入信号与喷嘴压力之间的比较。如图所示,电—气转换器可以直接安装在阀门上,并且不需要另外的气量增大器或定1位器就可以使阀门工作。

 
电—气阀门定1位器
电—气定1位器用在电气控制回路里操作气动薄膜控制阀执行机构。该定1位器接受一个4-20毫安的直流输入信号,并使用一个I/P转换器、喷嘴挡板和气动放大器把这个输入信号转换成一个气动输出信号。这个输出信号直接作用于执行机构膜片,产生一个与输入信号成比例的阀芯位置。阀芯位置通过机械装置反馈给阀芯位置与输入信号的力矩比较过程。分程操作能力可以在部分输入信号范围内提供执行机构的全行程动作。
 
PC诊断软件
PC诊断软件为工厂里的每一台现场仪表提供一个一致的、易于使用的界面。历史上第一次可以使用单个资源来通信和分析现场电子“智能”装置,如压力便送器、流量便送器等,而不是气动定1位器和气量增大器。
用户可以从减少培训需要和降低软件费用中获得好处。一次购买就能为所有产品提供组态环境。单个应用软件过去不可能提供的产品和服务现在可以提供了。这个集成式套装产品使得高层次的应用和服务成为可能。
等级代号和PN号码
有两种系统代表阀门的压力—温度额定值。美国和世界上的一些其它国家使用等级代号系统。(见第9章)。公称压力(PN)代号系统在欧洲和世界上的大部分其它国家使用。在这二种情况下,数字式代号为参考起见提供了一个方便的圆整数字。然而,对于PN代号系统,数字式代号通常是以bar为单位的冷工作压力。在国际标准组织(ISO)的标准7005-1:1992(金属法兰—第1部分:钢法兰)里,ANSI等级代号已经被转换成公称压力代号。等效的PN代号如下:
ANSI 150:PN 20   
ANS I300:PN 50 
ANSI 600:PN 110
ANSI 900:PN 150   
ANSI 1500:PN 260    
ANSI 2500:PN 420
有些标准(例如:ISA  S75.15-1993)表明PN 100等效于ANSI 600,PN 250等效于ANSI 1500;然而,这些标准的将来版本会相应地使用PN 110和PN 260。
控制阀的流量特性
控制阀的流量特性是随着行程从O到100%变化时通过阀门的流量与阀门行程之间的关系。固有流量特性指经过阀门的压力降恒定时观察到的流量特性。安装流量特性是指在压力降随着流量和系统中其它变化而变化的工况下获得的流量特性。
阀门的流量特性化是为了在系统运行条件的预期范围内提供一个相对均匀一致的控制回路稳定性。要建立与系统相匹配的流量特性,需要对控制回路作动态分析。由于对一些比较普通的工艺过程已经做过分析,所有可以建立一些对于选择合适的流量特性有用的指导原则。在简单了解一下今天正在使用的流量特性之后,会讨论这些指导原则。
 
流量特性
快开流量特性在较小的阀门行程处,提供近似线性关系的最大流量改变。继续增加阀门行程,则流量的变化锐减;当阀芯接近全开位置时,流量的变化趋近于零。在控制阀中,快开阀芯主要用于开/关工况;但它亦适用于许多通常制定使用线性阀芯的场合。
线性流量特性曲线表明流量与阀门行程成正比关系。这种比例关系提供一种具有恒定斜率的特性,所以在恒定的压力降下,阀门增益在所有流量处都是相同的。(阀门增益是是阀芯位置增量的比例。增益是阀门口径和配置、系统运行条件以及阀芯特性的函数。)线性阀芯通常指定用于液位控制和一些需要恒定增益的流量控制场合。
对于等百分比的流量特性,阀门行程的等量增加产生相同的流量变化。流量的变化始终与阀芯、碟板或球的位置变化前的流量成比例。当阀芯、碟板或球靠近阀座时,流量很小;当流量很大时,流量的变化也会很大。具有等百分比流量特性的阀门一般用于压力控制场合、以及大部分压力降通常被系统本身所吸收而只有小部分为控制阀所吸收的其它场合。在预期有变化很大的压力降的情况下也可考虑使用具有等百分比特性的阀门。
 
流量特性的选择
一些指导原则能有助于选择合适的流量特性。然而,应该记住大部分这些指导原则有偶尔的例外情况,正确的建议只有经过全面的动态分析才能获得。在推荐线性特性时,一个快开阀芯也可以使用,而控制器将不得不在较宽的比例带宽上操作,这样才可以得到同样的控制精度。下表为选择阀门特性提供了有用的指导原则。
阀门口径计算
控制阀口径计算的标准化工作可追塑到20世纪60年代的早期,当时一个贸易协会—流体控制组织提出了同时用于可压缩和不可压缩流体的口径计算公式。这些公式所能精确涵盖的工况条件的范围非常有限,该标准未被广泛地接受。在1967年,ISA成立了一个委员会来研究和发表标准公式。该委员会的努力最终建立了一个阀门口径计算的步骤,获得了美国国家标准资格。后来一个IEO委员会把这一ISA的成果用作制定控制阀口径计算的国际标准的基础(在这本介绍材料里的某些内容摘自ANSI/ISA S75.01标准,得到出版者ISA的许可)。除了命名方法和步骤稍有不同外,ISA和IEC标准是一致的。ANSI/ISA标准号S75.01和IEC标准号534-2-1及534-2-2是一致的(IEC出版号534-2第一和第二节分别针对不可压缩和可压缩流体)。
在以下的章节中,将解释命名方法和步骤,并通过解答例题来说明其用途。
气蚀和闪蒸
阻塞流引起闪蒸和气蚀
 
IEC液体工况口径计算标准一个最大允许计算压力降ΔPmax。如果阀门上的压差(P1-P2)大于ΔPmax,那么就会产生闪蒸或气蚀,也会引起对于阀门或相邻管道的结构上的损坏。对阀门内部实际发生的现象的了解会有助于选择一个能够消除或减少气蚀和闪蒸的阀门。
用物理现象名词来描述闪蒸和气蚀,因为这些情况代表流体介质在形式上的实际变化。这种变化是从液态变为气态,是由于在通常是阀座口的最大流道缩径处或其下游的流体速度的增加而引起的。随着液体通过缩经,流束会变细或收缩。流束的最小横断面出现在实际缩径的下游称为缩流断面的点处,如图5-4所示。
为维持流体稳定地流过阀门,在截面最小的缩流断面处,流速必须是最大的。流速(或动能)的增加伴随着缩流断面处压力(或势能)的大大降低。再往下游,随着流束扩展进入更大的区域,速度下降,压力增加;但下游压力不会完全恢复到与阀门上游相等的压力,阀门两侧的压差(ΔP)表示阀门中消耗的能量。图5-5提供了一幅压力情形
 
图5-4(见书 P135)
 
图,解释了由于较大的内部紊流和能量消耗一个流线型高恢复阀如球阀与一个低压力恢复阀门的不同性能。
不管阀门的恢复特性如何,引人注意的与闪蒸和气蚀有关的压差就是阀门进口与压缩流断面之间的压差。如果缩流断面处的压力降到液体的蒸汽压力以下(由于该点处速度增加),气泡就会在流束中形成。随着缩流断面处的压力进一步降到液体的蒸汽压力以下,气泡会大量地形成。在此阶段,闪蒸和气蚀之间没有差别,但是对阀门结构损坏的可能性肯定存在。
如果阀门出口的压力仍低于液体的闪蒸汽压力,气泡将保持在阀门的下游,我们就说过程发生“闪蒸”。对阀门的阀芯会产生严重的冲刷破坏,其特点是受冲刷表面有平滑抛关的外形,如图5-6所示。冲刷最严重的地方一般是在流速最高处,通常位于阀芯和阀座环的接触线上或附近。另一方面,如果下游压力恢复足以使得阀门出口压力提高到高于液体蒸汽压力,气泡会破裂或向内爆炸,从而产生气蚀。蒸汽气泡破裂释放出能量,并产生一种类似于我们可以想象的砂石
 
图5-5 (见书P136)
 
图5-6
 
流过阀门的噪声。如果气泡在接近阀门内固体表面处破裂,释放的能量会慢慢的撕裂材料,留下一个如图5-7所示的类似于煤渣的粗糙表面。气蚀造成的损坏可延伸至邻近的下游管道,如果在该处仍存在压力恢复和气泡破裂现象。很明显,高恢复阀门比较容易发生气蚀,因为它的下游压力更有可能升至液体蒸汽压力之上。
 
闪蒸共况阀门选型
 
如图5-6所示,闪蒸破坏的特点是受冲刷表面有平滑抛光的外形。再次说明一下,闪蒸的产生是因为P2<PV。P2是阀门的下游压力,是下游过程和管道的一个函数。PV是流体和工作温度的一个函数。因此,定义闪蒸的变量不是由阀门直接控制的。这进一步意味着,对任何阀门来说都无法防止闪蒸。闪蒸不能靠阀门来避免,最好的办法是选择采用合适的几何形状和材料的阀门来避免或尽量减小破坏。
总之,冲刷可以通过下述方法减到最小:
   • 防止或减小颗粒(此处指液滴)冲击阀门表面
   • 将这些表面尽可能硬化
   • 降低冲刷性流体的速度
选择流体方向改变尽可能少的阀门可以使颗粒冲击数量减到最小。直行程角形阀是提供这种流道的传统解决方案。一些旋转阀,如偏心旋转球塞阀和V形球阀也提供直通式流道。在调节点的下游带有扩展式流通区域的阀门也是有帮助的,因为冲刷速度会减小。对于那些流体肯定会冲击阀门表面的区域,如阀座表面,选择尽可能硬的材料。通常来说,材料越硬,它能抵抗冲刷越久。
既有闪蒸又有腐蚀性的液体是特别麻烦的事。钢质阀门中的闪蒸水是一个同时有腐蚀和冲刷共同作用的例子。水会引起钢材的腐蚀,而闪蒸会引起由腐蚀产生的软性氧化层的冲刷;这种综合作用比两种机理单独的破坏还大。在这种情况下,解决方案是至少选择一种低合金钢以防止腐蚀。
 
气蚀工况阀门选型
 
气蚀破坏的特点是受冲刷表面有粗糙的煤渣状的外形,如图5-7所示。它明显不同于由闪蒸冲刷引起的平滑抛光外形。前面的一节描述当缩流断面处的压力小于PV且P2大于PV时气蚀是怎样产生的,气蚀可以通过几种方法来处理。
第一种方法是通过控制压力降来消除气蚀从而防止破坏。如果通过阀门的压力降经过控制而使得局部压力不会低于蒸汽压力,那么蒸汽气泡就不会形成,没有蒸汽气泡的破裂,也就不会产生气蚀。为了消除气蚀,可使用多级降压内件,把通过阀门的压降分成数个较小的压降,每一个较小压降都确保其缩流断面处的压力大于蒸汽压力,因此没有蒸汽气泡会形成。
第二种方法不是消除气蚀,而是象闪蒸的解决方法一样尽可能减小或隔离其破坏。这种方法的目标是把气蚀与阀门内表面隔离开来,并硬化那些会受到气蚀冲击的表面。
第三种方法是以某种方式改变工艺系统以防止气蚀产生的原因。如果能将P2升高以致于缩流断面处的压力不会降到蒸汽压力以下,也就是说阀门不再被阻塞,那么气蚀就可以避免了。将阀门移到下游处有较高静压头的位置可以提高P2的值。增加一个限流孔板或类似的背压装置也能升高阀门的P2值;下游存在把气蚀从阀门转移到限流孔板处的潜在的可能性。
噪声预测
空气动力噪声
 
工业领导者们都使用国际电工委员会标准:IEC 534-8-3:工业过程控制阀-第8部分:关于噪声的考虑-第3节:控制阀空气动力噪声预测方法。这种方法由热动力学与空气动力学的综合理论以及一些经验的信息组成。只要根据阀门的可测量的几何形状和作用于阀门工况条件,这种方法就可以对阀门进行噪声预测。针对每一种阀门型式和口径的特定的经验数据是不需要的。因为这是一种对阀门噪声预测的纯粹的分析方式,IEC方法允许客观地评价其它噪声预测方法。
该方法把对噪声的预测定义为五个基本步骤:
1-计数缩流断面处过程里的总流束功率我们所考虑的噪声是由阀门在缩流断面处及其下游产生的。如果由于缩流断面节流而损耗的总功率能够计算出来,那么余下的小部分也就是噪声功率就能够确定。由于功率是能量对时间的比率,所以就可以使用一个类似于计算动能的公式。动能公式为1/2mv2,式中的m是质量,v是速度。如果将质量用质量流量来替代,那么公式计算的就是功率。速度就缩流断面处的速度,且可以用热动力学第一定律的能量公式来计算。
2-确定总功率中的声音功率。该方法考虑作用于阀门的工艺条件以确定阀门里特定的噪声产生机理。根据缩流断面处压力和下游压力的关系,定义了五种情况。对每种情况,都定义和计算了声效。这种声效决定了在第1步中计算出的总流束功率中的一小部分,即噪声功率。在设计一个静音阀门时,较低的声效是其中的目标之一。
3-将声音功率转换成声压。IEC预测噪声方法的最终目的是确定阀门以外人们听觉会触及的某一参考点处的声压等级。第2步提供的声音功率是不可以直接测量的。而声压是可以测量的,因此在大多数情况下成为默认的噪声表示方法。从声音功率到声压的转化使用了基本的声学理论。
4-考虑管道壁的传递损失并重新计算管道周围的声压。第1至3步涉及到管道内噪声产生的过程。有时候这是我们的兴趣所在,但是管道外面的噪声等级是我们的主要考虑因素。这一法方法必须考虑到随着参考位置从管道内部移到管道的外部时噪声的变化。管道壁由于其材料、尺寸和形状而有不同的物理特性,它们决定了声音通过管道传输的程度。管道内流体产生的噪声会与内管壁互相作用,引起管壁振动。这种振动会通过管壁传输到管道外壁,管道外壁然后与空气相互作用而产生声波。噪声传输的这三个步骤取决于声效。这种方法通过确定阀门噪声频谱的峰频来表示阀门的噪声频率。该方法也确定作为频率的一个函数的管道传输损失。该方法然后比较管道内部噪声频谱和传输损失频谱,以确定管壁会减少多少外部声压。
5-考虑距离,并计算在观察者处的声压。步骤4提供管道外表处的外部声压等级。基本声学原理可再次用来计算观察者处的声压等级。在任何给定的情况下,声音功率是恒定的,但相关的声压等级会随着声音功率扩散的面积而变化。当观察者离管壁越远,声音功率传输的总面积也会增加。这将导致声压等级的降低。
 
液体动力噪声
 
值得注意的流体动力噪音通常与气蚀有关。对这种声音的传统的描述是石子在管道内流动。把液体动力噪声与气蚀联系起来可以在今天的各种各样的噪声预测方法里找到。这些方法考虑流体在非阻塞流情况下噪声的特点以及在阻塞气蚀流情况下噪声的特点。
有很多流体是两相混合物的情况。这些情况包括阀门入口处的气液两相流体、闪蒸流体以及由于节流作用而展示出气化的流体。对于这些情况的噪声预测方法还没有完整地建立。试验结果和对已安装的多相系统的现场调查表明,这些噪音等级对整个工厂的噪音等级并无贡献,或者没有超过工人所处环境的噪音限制。
 
噪声控制
 
在闭环系统(不向大气排空)中,任何在过程中产生的噪声只有通过阀门以及包含流体的连接管道传入大气中才能成为环境噪声。流束中的声场强迫这些固体界面振动。这些振动在周围大气里产生扰动,扰动以声波的形态传播。
噪声的控制可以利用声源处理法、或途径处理法,或两者并用。声源处理法在于防止或减低噪声,如果经济和技术上可行,是最好的方法。
推荐的阀笼式声源处理法表示在图5-8中。较上面的视图表示一个开有许多平行窄槽的阀笼,用以减少紊流并在扩展的面积上提供一个满意的速度分布。这种经济的获得静音阀门设计的方法可减少15-20 dBA的噪声,而阀门的流通能力稍有或没有减小。
图5-8的较下面的视图表面一个两级笼式内件,为在高压降比(ΔP/P1)场合最大限度地降低噪声而设计。
为了获得预期的效果,节流孔必须进行尺寸计算并分布在主阀笼壁上,所以由射流交互作用产生的噪声不会大于由单个射流产生的噪声之和。
这种内件型式可以减小阀门噪音30dAB。图示的最终内件型式综合使用多种降噪策略,可以降低阀门噪声高达40dAB,这些策略是:
   • 独特的流道外形减少了由阀门产生的总流束功率向噪声功率的转换。
   • 多级减压分散了级与级之间的流束功率,从而进一步降低声音转换的效率。
   • 通过加强管道传输损失,声音频普转移减小了听觉范围内的声音能量。
   • 保持喷出射流的独立性,以避免由于射流合并而再次产生噪声。
   • 流速控制是通过采用扩展的流通面积以容纳膨胀的气体来实现的。
   • 作为补充的阀体设计防止流体在阀体内壁上冲撞,从而消除了两次噪声源。
对于高压比(ΔP/P1>0.8)的应用场合,利用串联限流方法,将总压力降分配给控制阀和位于控制阀下游的固定限流器(扩散器)可以有效地降低噪音。为了最好地发挥扩散器的效果,必须针对每一种给定的工况对扩散器进行设计(特定的尺寸和形状)使得阀门和扩散器产生的噪音值相等。图5-9表示一个典型的安装情况。
向大气排空的控制系统,由于高的压比和出口速度,通常会产生非常高的噪声。利用一个排空扩散器把总压降分配给实际排空和上游的控制阀,可以使阀门与排空口的噪声都降低。一个正确计算的排空扩散器和阀门的组合,如图5-10所示,可以降低总体系统噪音等级高达 40dBA。
针对与处理液体的控制阀有关的噪声问题的生源处理法主要在于消除或减少气蚀现象。由于产生气蚀的流体工况可以精确地预测,因此使用分级节流孔板、串联阀门等对控制阀的工况条件进行相应的限制,可以消除由于气蚀引起的噪声。另外一种声源处理方法是使用特殊的闷芯。这种特殊的阀芯利用串联限流的概念来消除气蚀,如图5-11所示。
控制噪声的第二种方法是对声波传播途径的处理。流束是一个良好的声音传播通道。传播途径处理法包括增加传播途径的阻抗以减少传输给接受者的声能。
使用吸声材料以消耗声能是传播途径处理的一种最有效的方法。在任何可能的情况下,吸声材料应该放置在正好是噪声源或噪
 
图 5-8 (见书 P140)
 
声源下游处的流束里。在气体传输系统中,在线消音器能有效地吸收流束中的声音,从而减小传送到界面上的噪声水平。在有大流量和(或)高压降比的场合,在线消音器,如图5-12所示,是最现实和经济的噪声控制方法。使用吸收型在线消音器可以使噪音控制到几乎任何需要的水平。但是由于经济方面的考虑,通常把消音器的降噪能力限制在约25dBA。
在流束界面内不能消除的噪声,必须用外部的处理方法加以消除。这种降低控制阀噪声的方法建议采用厚壁管道,对流束的外露固体界面进行声学隔离,使用隔音箱、建筑物等把噪声隔开。
 
图 5-9    见书 P141
 
图 5-10                                         
 

诸如厚壁管道或外部声学隔离之类的传播途径处理法是经济而有效的局部噪声降低技术。但是,噪音在流束中传播的距离很长,而且厚壁管或外部隔离的效果也随着处理措施的终止而结束。
 
噪声概述
一个控制阀产生的噪声量可以用工业标准方法快速而合理地加以预测。这些方法已被做成计算机软件以方便使用。这种计算和噪音预测工具有助于正确选择如图5-13和图5-14所示的降噪设备。工厂设备对于降低环境影响的要求将继续促进对低噪声控制阀的需求。噪声预测技术以及满足这种需求的阀门型式一直在改进。如需了解有关设备或预测技术方面的最新信息,可联系阀门制造厂的代理商。
调节阀的安装和维护
调节阀的效率直接影响到过程工厂的效益。控制阀在优化过程中所起的作用经常被忽视。许多过程工厂的经理把大部分资源集中在集散式控制系统(DCS)及其潜在的提高生产效率的能力上。然而,实际造成过程参数改变的是终端控制元件(通常是一个控制阀)。如果阀门工作不正常,在前端的复杂电子部件没有一个会纠正阀门一端的问题。就象许多研究已经表明的那样,阀门经常被忽略到这种程度:它们已经成为过程控制配置中的薄弱环节。
不管自动控制多么复杂,也不管仪表多么精确,控制阀必须要正常工作。阀门工作不正常,不可能获得高的产量、合格的产品、最大的效益和能源的节约。
优化控制阀的效率取决于:
1.针对工况正确选择控制阀
2.正确的存储和保护
3.正确的安装技术
4.有效的预见性维护计划
 
正确的存储和保护
在阀门被运输出去之前早在阀门选型过程中就应该考虑选择正确的存储和保护。典型地,制造商们会采用基于运输目的地的和计划安装前存储时间长短的包装标准。由于大多数阀门在安装前的某个时间运到现场,确保在阀门选型时就让制造商了解并与其讨论安装计划细节,可避免许多问题。另外,当阀门到达目的地后,要特别小心保护。例如,阀门必须存在一个干净、干燥的地方,并远离可能损坏阀门的任何车辆或其它操作。
 
正确的安装技术
应始终遵守控制阀制造商的安装指导和注意点。这里对典型的安装指导作简单归纳。
 
阅读操作手册
在安装阀门之间,先阅读指导手册。指导手册介绍该产品以及安装时应注意的安全事项及预防措施。按照手册中的指南去做有助于保证安装的简易和成功。
 
确认管道清洁
管道中的异物可能会损坏阀门的密封表面或甚至阻碍阀芯、球或蝶板的运动而造成阀门不能正确地关闭。为了减小危险情况发生的可能性,需在安装阀门前清洗所有的管道。确认已清除管道污垢,金属碎硝、焊渣和其它异物。另外,要检查管道法兰以确保有一个光滑的垫片表面。如果阀门有螺纹连接端,要在管道阳螺纹上涂上高等级的管道密封剂。不要在阴螺纹上涂密封剂,因为在阴螺纹上多余的密封剂会被挤进阀体内。多余的密封剂会造成阀芯的卡塞或脏物的积聚,进而导致阀门不能正常关闭。
 
检查调节阀
虽然阀门制造商们会采取某些步骤防止运输损坏,但这种损坏还是有可能发生的,且可以在安装之前发现和通报。
不要安装已经知道在运输和存放时已损坏的阀门。
安装之前,检查并除去所有运输挡块、防护用堵头或垫片表面的盖子,检查阀体内部以确保不存在异物。
 
采用良好的管接实践
绝大部分的控制阀可以安装在任何位置,但是,最通常用的方法是将执行机构垂直放置并位于阀门的上部。如果执行机构水平安装是必须的,则考虑对执行机构增加一个额外的垂直支撑。应确保这样安装阀体:流体流向与流向箭头或指导手册所指示的方向一致。
确保在阀门的上面和下面留有足够的空间以便在检查和维护时容易地拆卸执行机构或阀芯。空间距离通常可以从阀门制造商认定的外形尺寸图上找到。对于法兰连接的阀体,确保法兰面准确地对准以使垫片表面均匀地接触。在法兰对中后,轻轻地旋紧螺栓,最后以交错形式旋紧这些螺栓。正确地旋紧能避免产生不均匀的垫片负载,并有助于防止泄漏,也有助于避免法兰损坏或甚至裂开的可能性。当连接法兰和阀门法兰材质不一样时,这种预防措施就显得尤为重要。
安装于控制阀上有和下游的引压管有助于检查流量或压力降。将引压管接到远离弯头、缩经或扩径的直管段处。这种位置可将由于流体紊流而导致的不精确性减到最小。
用1/4或3/8英寸(6-10mm)的管子把执行机构上的压力接口连接到控制器上。保持短的连接距离,并尽量减少管件和弯头的数量以减少系统时间滞后。如果该距离必须很长,那么可以在控制阀上使用一个定1位器或增压器。
 
控制阀维护
应始终按照控制阀制造商的维护指导去做。这里对一些典型的维护主题作简单归纳。
控制阀设备的优化基于一个有效的维护原理和程序。以下是三种最基本的方法:
被动性维护-事故产生后才采取行动。等待阀门发生问题,然后进行维修或更换。
预防性维护-根据历史经验,按时间表采取行动,也就是力求防止某些问题的发生。
预测性维护-采用具有先进科技的非侵入式诊断测试和评估装置或用智能仪表,根据现场输入信息采取行动。
尽管被动性和预防性维护程序是有用的,但是它们不能最大限度地利用阀门的潜能。下面是这些方法的一些不利之处。
 
被动性维护
简单地由于问题的发生没有明显的提示,被动性维护允许微小的故障在不引人注意和未经处理的情况下发生。甚至一些重要的阀门也可能被忽略直到产生严重的泄漏或无法动作。在某些情况下,来自生产的反馈会帮助我们在生产严重问题前作出维护的响应,但是阀门也许因为怀疑有故障而被不必要地拆卸下来。对大型阀门或那些焊接在管道上的阀门,拆除、解体、检查和重新安装也许需要一天或更长的时间。如果异常情况实际上是由系统中其它元件所造成的,就会浪费时间和资源,而问题却没有解决。
 
预防性维护
预防性维护总体而言是一个巨大的进步。预防性维护计划仅能提供关于正在工作的阀门的很少的信息,许多工厂只是简单地将所有控制阀安排轮流的大修。这种方法造成的结果是维修了某些不需要修理和调整的阀门,而将其它已经不能有效地工作的阀门长时间地留在系统里面。
 
预见性维护
许多用于预见性维护技术的收集和监视现场输入信息的新技术正得到广泛应用:
   • 非侵入式诊断(图8-3),
   • 智能定1位器,
   • 集散式控制系统,
   • PLCS(可编程逻辑控制器)
甚至对于控制阀的日常维护过程,维护人员也必须要对阀门的结构和操作有一个彻底的了解。没有这些知识,仪表可能会被损坏,维护人员或其他人员可能会受伤。绝大数阀门制造商会在其指导手中说明安全措施。通常会提供仪表的剖面图以帮助用户了解仪表的工作原理和辨认零部件。
在所有控制阀的主要类型中,执行机构提供力以对相对于静止的阀座或密封面来说是可运动的阀芯、球或蝶板进行定位。
可运动的部件应对执行机构力的变化作出及时的响应。如果动作不正常,就需要维修。在维护一台阀门之前,如果没有采取足够的预防措施,可能会造成人员伤害或设备损坏。

通常公司的维护政策和现有的规范要求有规律、有计划地进行预防性维护。通常这类 程序包括对所有主要阀门部件的损坏进行检查并对所有垫片、O型密封圈、膜片和其它弹性零部件进行更换维护指导通常与控制阀设备一起提供。请仔细按照这些指导去做。这里对一些事项作简单归纳。
 
执行机构膜片
绝大部分的气动弹簧-薄膜执行机构使用一个模压成形的膜片。模压膜片容易安装,能够提供在阀门全行程范围内相对比较均匀一致的有效面积,并可以取得比平板式膜片更大的行程。如果使用一个平板式膜片以应付紧急维护,应尽可能快地将其更换成模压膜片。
 
阀杆填料
填料提供直通阀或角形阀阀杆周围的压力密封。如果阀杆周围产生泄漏或阀门由于进行其它维护或检查而被完全解体后,填料应被更换。在松开填料螺母之前,应确认阀体内部没有压力。
不拆下执行机构就想拆下填料是困难的,也不建议这样去做。同样地,也不要试图通过向阀盖的润滑孔加压去吹出旧的填料环,这样是很危险的。而且,通常这种方式也不能获得好的效果,因为填料通常被安排成在润滑孔以下的位置。
一个比较好的方法是拆下执行机构和阀盖,将阀杆拔出来,然后将旧填料从阀盖的顶端推或顶出来。不要用阀杆去顶,因为其螺纹可能会受到损坏。
清洁填料函。检查阀杆上是否存在可能会损坏新填料的划痕或缺陷。适当地检查阀内件及其它零部件。重新装回后,按照本章前面所述的类似于旋紧法兰螺栓的顺序旋紧阀杆/阀盖螺栓。
按正确的顺序将新的填料零部件从阀杆上滑下出,要注意不要使填料环被阀杆螺纹损伤。按照制造商的指导出调整填料。
 
阀座环
严酷工况可能会损坏阀座环的座合表面,所以阀门不能令人满意地关闭。如果损坏情况不是很严重,对座合表面进行打磨或研磨会改善关闭性能。对严重的损坏,需更换阀座环。
 
研磨金属阀座
研磨通常能改善阀芯和阀座环之间的座合表面配合情况。有许多商业上可供使用的研磨材料。对于笼式结构阀门,将阀盖或底法兰用螺栓固定在阀体上,阀盖与阀体之间放置垫片以使阀座环正确定位,从而在研磨时帮助阀芯与阀座环对中。用螺母将一个条状铁块固定在阀芯连接杆上,可以做成一个简单的研磨工具。
对于双阀座阀体,通常上阀座环的研磨要快于下阀座环。在这种情况下,在下阀座环上继续用研磨材料而在上阀座环上用抛光材料。如果任何一个阀座继续泄漏,那么在没有泄漏的阀座环上多加些研磨材料而在另一阀座环上加抛光剂。这种方法将无泄漏的阀座环研磨下出,直到两个阀座被同时接触到。在研磨一个阀座环时,绝不可让另一个阀座环干磨。
研磨结束以后,清洗座合表面,并进行泄漏测试。如果泄漏量超标,应重复研磨过程。
 
更换阀座环
按照制造商的指导去做。对于螺纹式阀座环,使用阀座环拆卸器(图8-6)。在试图拆卸阀座环之前,先检查阀座环是否被点焊在阀体上。如果是,那么先去掉焊点。
对于双座阀阀体,一个阀座环比另外一个阀座环小。对于正作用阀门(向下推关闭的动作方式),在安装大的阀座环前,先安装离阀盖较远的小阀座环。对于反作用阀门(向下推打开的动作方式),在安装大的阀座环前,先安装离阀盖较近的小阀座环。
在旋紧螺纹式阀座环后,清除多余的管道杂物。在现场将阀座环点焊定位以确保它不会松动。
 
弹簧设定范围
弹簧设定范围是通过一个弹簧调整件让执行机构弹簧产生的一个初始压缩量。对于气开阀,弹簧设定范围的下限决定了可得到的阀座负载力以及使阀门开始打开所需的气压值。对于气关阀,弹簧设定范围的下限决定了阀门开始关闭所需的气压值。阀座座合力是由施加的气压减去了弹簧设定值再减去由行程所产生的弹簧压缩力所得到的。由于弹簧的公差,在弹簧角度上也许有偏差。当阀门关闭时,弹簧设定范围需要最高的精确度。对于如何调整弹簧,请参考阀门制造商的指导。
DIN标准和ANSI标准的法兰尺寸
  1、DIN标准的法兰尺寸(文件下载)
  2、ANSI标准的法兰尺寸(文件下载)
有关阀门的标准和认证
控制阀标准
许多标准适用于控制阀。国际性和全球性的标准对于参与全球市场的公司约来越重要。下面是一系列在控制阀的设计和应用领域里迄今为止或将来十分重要的代号和标准。
 
美国石油组织(API)
规格6D(1994),管道阀的规格(闸板、柱塞、球和止回阀)
598(1996),阀门检验和测试
607(1993),软阀座纵向旋转阀的防火测试
609(1997),凸耳式和对夹式蝶阀
 
美国机械工程师学会(ASME)
B16.1-1989,铸铁管道法兰和带法兰管件
B16.4-1992,灰口铁螺纹管件
B16.5-1996,管道法兰和带法兰管件(对于钢、镍基合金、和其它合金)
B16.10-1992,阀门的端面至端面和尾端至尾端间距(见关于大部分控制阀的外形尺寸的ISA标准)
B16.24-1991,铸铜合金管道法兰和带法兰管件
B16.25-1997,对焊连接端
B16.34-1996,阀门-法兰、螺纹和焊接接端
B16.42-1987,球墨铸铁管道法兰和带法兰管件
B16.47-1996,较大直径的钢法兰(NPS26至NPS60)
 
欧洲标准化委员会(CEN)
欧洲工业阀门标准
EN 19(1992年12月),标记
EN 558-1(1995年10月),用在带法兰的管道系统里的金属阀门的端面至端面和中心线至端面间距-第1部分:PN代号阀门
EN 558-2(1995年3月),用在带法兰的管道系统里的金属阀门的端面至端面和中心线至端面间距-第2部分:ANSI代号阀门
EN 593,蝶阀(已批准但是日期未定)
EN736-1,(1995年6月),术语-第1部分:阀门类型定义
EN 736-2(1997年11月),术语-第2部分:阀门部件定义
EN 736-3,术语-第3部分:术语定义(准备中)
EN 1349,工业过程控制阀(准备中)
EN 1503-1,壳体材质-第1部分:钢(准备中)
EN 1503-2,壳体材质-第2部分:ISO钢(准备中)
EN 1503-3,壳体材质-第3部分:铸铁(准备中)
EN 1503-4,壳体材质-第4部分:铜合金(准备中)
EN12266-1,阀门测试-第1部分:测试、测试过程和可接受的标准(准备中)
EN 12516-1,壳体设计强度-第1部分:钢质阀门的图表法(准备中)
EN 12516-2,壳体设计强度-2部分:钢质阀门的计算法(准备中)
EN 12516-3,壳体设计强度-第3部分:实验法(准备中)
EN 12627,对焊端设计(准备中)
EN 12760,插焊端设计(准备中)
EN 12982,对焊端阀门的尾端至尾端间距(准备中)
EN 60534-1(1993年6月),第1部分:控制阀术语和一般性的考虑
EN 60534-2-1(1993年6月),第2部分:流通能力-第1节:在安装情况下不可压缩流体的阀门口径计算公式
EN 60534-2-2(1993年6月),第2部分:流通能力-第2节:在安装条件下可压缩流体的阀门口径计算公式
EN 60534-2-3(1993年6月),第2部分:流通能力-第3节:测试步骤
EN 60534-8-2(1993年6月),第8部分:关于噪声的考虑-第2节:由通过控制阀的液相流量产生的噪声的实验室测量
EN 60534-8-3(1996年2月),第8部分:关于噪声的考虑-第3节:控制阀气体动力学噪声预估方法
EN 60534-8-4(1994年8月),第8部分:关于噪声的考虑-第4节:液体动力学流量铲生的噪声的预估
 
欧洲材料标准
EN10213-1(1996年2月),用于压力场合的钢铸件的交货技术条件-第1部分:概况
EN 10213-2(1996年2月),用于压力场合的钢铸件的交货技术条件-第2部分:用于室温和高温下的钢等级
EN 10213-3(1996年2月),用于压力场合的钢铸件的交货技术条件-第3部分:用于低温下的钢等级
EN 10213-4(1996年2月),用于压力场合的钢铸件的交货技术条件-第4部分:奥氏体和奥氏-铁素体钢等级
EN 10222-1,用于压力场合的钢锻件的交货技术条件-第1部分:概况(准备中)
EN 10222-2,用于压力场合的钢铸件的交货技术条件-第2部分:用于高温下的铁素体和马氏体钢(准备中)
EN 10222-3,用于压力场合的钢铸件的交货技术条件-第3部分:用于低温下的镍钢(准备中)
EN 10222-4,用于压力场合的钢铸件的交货技术条件-第4部分:精细颗粒钢(准备中)
EN 10222-5,用于压力场合的钢铸件的交货技术条件-第5部分:奥氏体、马氏体和奥氏-铁素体不锈钢(准备中)
 
欧洲法兰标准
EN 1092-1,第1部分:钢法兰PN代号(准备中)
EN 1092-2(1997年9月),第2部分:铸钢法兰PN代号
EN 1759-1,第1部分:钢法兰等级代号(准备)
 
流体控制组织(FCI)
70-2-1991,控制阀阀座泄漏量
 
美国仪表学会(ISA)
S51.1-1976(1993年修改),过程仪表术语
S75.01-1985(1995年修改),控制阀口径计算流量公式
S75.02-1996,控制阀流通能力测试步骤
S75.03-1992,法兰连接端直通式控制阀体的端面间距(ANS 125,150,250,300和600)
S75.04-1995,无法兰控制阀的端面至端面间距(ANSI 150,300和600)
S75.05-1983,术语
S75.07-1987,控制阀产生的气体动力学噪声的实验室测量
S75.08-1985,法兰对夹或夹紧式阀门的安装端面至端面间距
S75.11-1985,(1991年修改),控制阀的固有流量特性和可调比
S75.12-1993,插焊连接端和螺纹连接端直通式控制阀的端面至端间距(ANSI 150,300,600,900,1500和2500)
S75.13-1996,用模拟输入信号来评估定1位器性能的方法
S75.14-1993,对焊连接端直通式控制阀的端面至端面间距(ANSI 45000)
S75.15-1993,对焊连接端直通式控制阀的端至端面间距(ANSI 150,300,600,900,1500和2500)
S75.16-1993,法兰连接端直通式控制阀体的端面至端面间距(ANSI 900,1500和2500)
S75.17-1991,控制阀气体动力学噪声的预估
S75.19-1995,控制阀的液体静态测试
S75.20-1991,可拆卸法兰连接端直通式控制阀的端面至端面间距(ANSI 150,300和600)
S75.22-1992,法兰连接端角形控制阀体的端面至中心线间距(ANSI 150,300和600)
S75.23-1995,关于评估控制阀气蚀的考虑
 
国际电工委员会(IEC)
有15个针对控制阀的国际电工委员会(IEC)标准,其中的几个是以ISA标准为基础的。IEC鼓励国家级委员会采用这些标准并放弃任何相应的国家标准。IEC标准正在越来越多地为制造商和采购商们所运用。下面是一系列IEC工业-过程控制阀标准(60534系列)。
60534-1(1987),第1部分:控制阀术语和一般性的考虑
60534-2(1978),第2部分:流通能力-第一节-在安装条件下不可压缩流体的阀门口径计算公式(以ISAS 75.01为基础)
60534-2-2(1980),第2部分:流通能力-第2节:在安装条件下可压缩流体的阀门口径计算公式(以ISA S75.01为基础)
60534-2-3(1997),第2部分:流通能力-第3节:测试步骤(以ISA S75.02为基础)
60534-2-4(1989),第2部分:流通能力-第4节:固有流量特性和可调比(以ISA S75.11为基础)
60534-3(1976),第3部分:外形尺寸-第1节:法兰连接端、二通、直通式控制阀的端面至端面间距(以ISA S75.03为基础)
60534-3-2(1984),第3部分:外形尺寸-第2节:无法兰控制阀除了对夹式蝶阀的端面至端面间距(与ISA S75.04相同)
60534-4(1982),第4部分:检验和例行测试(加上修改版1号,1986年)
60534-5(1982),第5部分:标记
60534-6-1(1997),第6部分:把定1位器连接到控制阀执行机构上的安装细节-第1节:把定1位器安装在线性执行机构上
60534-6-2(1997),第6部分:把定1位器连接到控制执行机构上的安装细节-第2节:把定1位器安装在旋转式执行机构上(准备中)
60534-7(1986),第7部分:控制阀数据表
60534-8-1(1986),第8部分:关于噪声的考虑-第1节:由通过控制阀的气相流量产生的噪声的实验室测量(以ISA S75.07为基础)
60534-8-2(1991),第8部分:关于噪声的考虑-第2节:由通过控制阀的液相流量产生的噪声的实验室测量
60534-8-3(1995),第8部分:关于噪声的考虑-第3节:控制阀的气体动力学噪声预估方法(以ISA S75.17为基础)
60534-8-4(1994),第8部分:关于噪声的考虑-第4节:由液体动力学流量产生的噪声的预估
 
国际标准组织(ISO)
5752(1982),用在带法兰的管道系统里的金属阀门-端面至端面和中心线至端面的间距
7005-1(1992),金属法兰-第1部分:钢法兰
7005-2(1988),金属法兰-第2部分:铸铁法兰
7005-3(1988),金属法兰-第3部分:铜合金和复合法兰
 
制造商标准化学会(MSS)
SP-6-1996,管道法兰以及阀门和管件连接端法兰的接触面的标准光洁度
SP-25-1993,阀门、管件、法兰和连接件的标准标记系统
SP-44-1996,钢管道法兰
SP-67-1995,蝶阀
SP-68-1997,带补偿结构的高压蝶阀
 
国际NACE
MRO175-97,标准材料要求-用于油田设备的抗硫化应力裂解金属材料
 
危险(分类)场所产品认证
参考标准
加拿大标准协会(CSA)标准
C22.1-1994,加拿大电气规范(CEC)
C22.2 NO,94-M91,特殊工业用壳体
 
欧洲电工标准化委员会
(CENELEC)标准
EN50014-1993,用于潜在的爆炸性大气环境的电气装置-总体要求
 
美国仪表学会(ISA)标准
S12.1-1991,与用于危险(分类)场所的电气仪表有关的定义和信息
 
国际电工委员会(IEC)标准
60079-4(1975),用于爆炸性气体环境的电气装置。第4部分:点燃温度的测试方法
60529(1989),外壳提供的防护程度(IP代号)
 
美国电气制造商协会(NEMA)标准
250-1991,电气设备的外壳(最大1000伏)
 
美国防火协会(NFPA)标准
70-1996,国家电气规范(NEC)
497M-1991,针对用于危险(分类)场所的电气设备的气体、蒸汽和粉尘类
 
北美认证
美国国家电气规范(NEC)标准和加拿大电气规范(CEC)标准要求用于危险场所的电气设备必须具有受到承认的认证机构提供的相应的认证。
 
认证机构
在北美的三个主要的认证机构是工厂互助协会(FM)和保险商实验室(UL)以及在加拿大的加拿大标准协会(CSA)。
 
保护类型
在北美通常用于仪表的保护类型有:
   • 防止粉尘点燃:一种保护类型,它排除可燃或可能会影响性能等级的粉尘,以及按照最初的设计意图安装和保护时,不允许有电弧、火花或热量在壳体内产生或释放以点燃规定的粉尘的外部积聚物或大气悬浮物。
   • 隔爆:一种利用外壳的保护类型。这种外壳能够把气体或蒸汽的爆炸控制在其内部,能够防止包围在它周围的爆炸性气体或蒸汽点燃,且能够在不会引起周围的爆炸性气体或蒸汽点燃这样一个外部温度下工作。
   • 本安:一种保护类型,其中电气设备在正常或非正常条件下无法释放足够的电或热能以使得特定的危险性大气混合物在达到其最易点燃的浓度时点燃。
  • 无火花: 一种保护类型,其中设备在正常条件下无法因为电弧或热效应而点燃规定的可燃气体或蒸汽在空气中的混合物。
 
命名方法
在北美的认证机构对于危险场所的设备进行分类,把危险场所分为I或II级;1区或2区;A、B、C、D、E、F或G组;以及温度代号T1至T6。这些名称在NEC和CEC以及下面的段落里有定义。认证包括保护类型以及级别、分区、组别和温度,如1级,1区,A、B、C、D组,T6。
 
危险场所分类
在北美,危险场所是通过级别、分区、和组别来分类的。
 
级别:级别定义在周围大气环境里的危险物质的总体性质。
   • 1级-空气里存在或可能存在的在数量上足以产生爆炸性或可燃性混合物的易燃气体或蒸汽的场所。
   • Ⅱ级-由于易燃粉尘的存在而变得危险的场所。
   • Ⅲ级-易燃纤维或飞扬物可能存在,但是不可能以悬浮物的形式在数量上足以产生可燃混合物的场所。
分区:分区域定义在周围大气环境里存在达到可燃浓度的危险物质的可能性。更详细的定义见ISA S12.1。
   • 1区:由于可燃物质续地、间歇地或定期地存在,大气变得危险的可能性很高的场所。
   • 2区:只有在非正常情况下,假设为危险的场所。
 
组别:组别定义在周围大气环境里的危险物质,每一组别里的特定危险物质及其自动点燃温度可以在NEC条款500和NFPA标准497M里找到。A、B、C、和D组适用于1级的场所,E、F和G组适用于Ⅱ级的场所。下面的定义摘自NEC。
   • A组:包含乙炔的大气环境。
   • B组:包含氢气、燃料和体积含量超过30%的易燃过程气体、或诸如丁二烯、氧化乙烯、氧化丙烯、和丙烯醛之类的具有同等危险性的气体或蒸气的大气环境。
   • C组:包含乙醚、乙烯、或具有等危险性的气体或蒸汽的大气环境。
   • D组:包含丙酮、氨、苯、丁烷、环丙烷、乙醇、汽油、乙烷、甲醇、甲烷、天然气、石脑油、丙烷、或具有同等危险性的气体或蒸汽的大气环境。
   • E组:包含易燃金属粉尘的大气环境。这些金属粉尘包括铝、镁、以及它的商业合金,或在使用电气设备时它们的颗粒大小、粗糙度和导电性展示出同等危险性的其它易燃粉尘。
   • F组:包含易燃、含碳粉尘的大气。

   • G组:包含除E或F组之外的易燃粉尘的大气环境。这些粉尘包括面粉、谷物、木材、塑料和化学品。
 
温度代号
危险性气体和空气的混合物可能会随着与一个热表面的接触而点燃。一个热表面引起气体燃烧的条件取决于表面面积、温度和气体的浓度。
认证机构对申请认证的设备进行测试并建立最高的温度等级。经过测试的设备会接受一个温度代号,这个温度代号表示该设备达到的最高表面温度。下面是一系列不同的温度代号。
NEC认为最高表面温度不超过100°C(212°F)[基于40°C(104°F)的环境温度]的任何设备不要求标有温度代号。因此,当温度代号不标在经过认证的装置上时,可假定为T5。
 
NEMA外壳等级
外壳可以通过测试以决定其防止液体和气体进入的能力。在美国,设备根据NEMA250标准进行测试。定义在NEMA250里的一些比较常用的外壳等级如下:
 
一般场所
   • 3型(尘封、雨封或阻止结冰、室外用外壳):计划用于室外,主要是为了提供一定程度的保护,以防止雨水、积雪、飞扬粉尘、以及由于外部结冰引起的破坏。
   • 3R型(防雨、阻止结冰、室外用外壳):计划用于室外,主要是为了提供一定程度的保护,以防止雨水、积雪以及由于外部结冰引起的破坏。
   • 3S型(尘封、雨封、防冰、室外用外壳):计划用于室外,主要是为了提供一定程度的保护,以防止雨水、积雪和飞扬粉尘,且在大量结冰时提供外部机构的操作。
   • 4型(水封、尘封、阻止结冰、室内或室外用外壳):计划用于室内或室外,主要是为了提供一定程度的保护,以防止飞扬粉尘和雨水、溅水、软管引出水、以及由于外部结冰引起的破坏。
   • 4X型(水封、尘封、防腐蚀、室内或室外用外壳):计划用于室内或室外,主要为了提供一定程度的保护,以防止腐蚀、飞扬粉尘和雨水、溅水、软管引出水、以及由于外部结冰引起的破坏。
 
危险(分类)场所
四种针对危险(分类)场所的外壳等级里的二种在NEMA250里是如下描述的:
   • 7型(1级,1区,A、B、C或D组,室内危险场所,外壳):用于NEC里定义的分类成1级,1区A、B、C或D组的室内场所,并应有标记以表明级别、分区和组别。7型外壳应该能够承受由于指定气体的内部爆炸而产生的压力,并包容这样一种不足以引起存在于外壳周围大气环境里的爆炸性气体-空气混合物点燃的爆炸。
   • 9型(Ⅱ级,1区,E,F或G组,室内危险场所,外壳):计划用于如NEC里定义的分类成Ⅱ级,1区,E、F或G组的室内场所,并应有标记以表明级别、分区和组别。9型外壳应该能够防止粉尘进入。
上面的两种NEMA等级经常被误解。例如,上面的7型的定义本质上是与隔爆的定义一样的。因此,当认证机构把设备批准为隔爆且适合于1级、1区时,该设备自动满足7型的要求;然而,认证机构不要求该设备被标有7型。相反,该设备会标记为适合于1级、1区。类似地,9型的外壳会被标记为适合于Ⅱ级、1区。
 
CSA外壳等级
CSA外壳等级定义在CSA C22.2标准第94号里。它们类似于NEMA等级且被表示为类型号码,例如,4型。以前它们是用前缀CSA ENC来表示的(例如,CSA ENC4)。
 
本安装置
本安装置必须与限制电能进入设备的安全栅一起安装。有两个方法可以决定本安装置与为进行过联合测试的连接关联设备(例如,安全栅)之间的可以接受的组合:整体概念和系统参数概念。
 
整体概念
整体概念规定四个参数:电压、电流、电容和电感。连接本安设备的关联设备的电缆长度可能会受到限制,因为电缆有储存能量的特性。整体参数为:
V max=可以安全地用于本安装置的最大电压
I max=可以安全地用于本安装置的接线柱上的最大电流
C i=在故障情况下出现在本安装置接线柱上的内部不保护电容
L i=在故障情况下出现在本安装置接线柱上的内部不保护电感
与本安装置一起使用的安全栅必须满足下面这些标注在回路示意图(控制图)上的条件:
V max=必须大于V OC或Vt
I max必须大于Isc或It
Ca必须小于(Ci+C 电缆
La必须小于(Li+L电缆
式中:
Voc或Vt=在故障情况下,关联设备(安全栅)的最大开环电压。对于多个关联设备,FM使用最大组合电压Vt代替Voc
Isc或I=在故障情况下,关联设备提供的最大短路电流。对于多个关联设备FM使用组合电流It代替Isc
Ca=能够安全地连接到关联设备上的最大电容
La=能够安全地连接到关联设备上的最大电感
C 电缆=连接电缆的电容
L 电缆=连接电缆的电感
整体参数在回路示意图(控制图)上列出。整体概念为FM和UL所采用,而且如果要求,也会被CSA采用。
 
CSA 系统参数概念
参数概念仅被CSA采用。对于本安装置,这些参数是:
   • 可以连接到装置上的最大的危险场所电压。
   • 可以连接到装置上的最小的安全栅电阻(以欧姆为单位)。
   • CSA也会测试那些与参数等级一起被列在回路示意图上的特定的安全栅。
 
回路示意图(控制图)
NEC条款504特别要求本安装置和关联设备有详细描述它们之间的允许相互连接的控制图。这个图也可以称为回路示意图。这个图的号码标注在装置的铭牌上,用户可以找到它。它必须包括下面的信息:
   • 接线图:该图应包括表明所有本安接线连接的装置图。对于本安装置,所有关联设备必须通过特定的设备辨认或整体参数来定义。
   • 整体参数:整体参数(在CSA里为系数参数)应在表明各适用级别和组别的允许值的表格里提供。
   • 危险场所辨认:应在该图上提供一条分界线以分开危险场所和非危险场所里的设备。危险场所的级别、分区和组别应该区分开来。
   • 设备辨认:设备应该通过型号、零件号等来区分,以方便辨认。
   • 2区:经过FM认证的设备的2区安装要求应表示出来。
 
 
保护技术比较
 
隔爆技术:
这种技术是通过把所有的电路封闭在壳体和导向管里来进行的。这些壳体和导向管的强度足以包容可能会在装置内部产生的任何爆炸或火焰。
 
该技术的优点
   • 用户熟悉这种技术并理解它的原理和应用。
   • 坚实的壳体结构为装置的内部部件提供保护,允许它们用在危险的环境里。
   • 隔爆壳体通常也是防气候的。
 
该技术的缺点
   • 在拆卸壳体盖子前必须断开电路电源或使应用场所成为非危险场所。
   • 打开危险区域的壳体会使得所有保护变成无效。
   • 这种技术通常需要使用重负载螺栓或螺丝连接的外壳。
 
安装要求
   • 用户有责任遵循正确的安装步骤。(参考当地和所在国家的电气规范。)
   • 安装需求列于NEC条款501或CEC条款18-106。
   • 进入现场仪表的所有电气接线必须使用硬质金属螺纹导向管、钢质中间金属螺纹导向管或MI型电缆。
   • 在离现场仪表18英寸的范围内可能需要导向管密封,以维持隔爆等级并减少压力增加对于壳体的影响。
 
本安技术:
这种技术是通过把电路和设备里的电能限制到太低的水平而不会使得危险区域里的最易燃的混合物点燃来工作的。
 
该技术的优点
   • 这种技术成本较低。仪表的现场接线不需要硬质金属导向管或保护电缆。
   • 具有较大的灵活性,因为这种技术允许使用简单部件,如开关、接触终端、热电偶RTD和其它非储能仪表,不需要认证但需要相应的安全栅。
   • 现场维护和维修的简单性是其优点。在对现场仪表进行调整或校验前,不需要断开电源。由于能量水平太低而不会使得最易燃的混合物点燃,所以即使仪表损坏,系统仍然是安全的。诊断和校验仪表必须有相应的针对危险区域的认证。
 
该技术的缺点
   • 这种技术要求使用本安栅以限制危险区域与安全区域之间的电流和电压,以避免在故障情况下火花或热点在仪表电路里形成。
   • 这种技术不适用于高能量消耗场所,因为能量在源头(或安全栅)处受到限制。这种技术局限于低能量场所,如直流电路、电气转换器等。
 
防止粉尘点燃技术:
这种技术形成一个外壳,这个外壳会排除易燃的粉尘,且不会允许有电弧、火花或热量在壳体里产生,以引起壳体上或周围的规定粉尘的外部积聚物或大气悬浮物点燃。
 
无火花技术:
这种技术允许把电路放入无法引起特定的可燃气体或蒸汽在空气里的混合物在正常工作条件下点燃的仪表里。
 
该技术的优点
   • 这种技术使用在正常情况下不会形成很高的温度或产生足以使得危险环境点燃的强烈火花的电子设备。
   • 由于不需要隔爆壳体或能量限制安全栅,所以成本比其它危险环境保护技术低。
   • 对于无火花电路,NEC允许采用任何适用于普通场所的接线方法。
 
该技术的缺点
   • 这种技术仅限于2区应用场所。
   • 这种技术把约束放在控制室里以限制至现场接线的能量(正常操作方法是使现场接线开路、短路或接地),所以在正常操作条件下的电弧或火花不会有足够的能量以引起燃烧。
   • 现场仪表和控制室装置可能需要标上比较严格的标记。
 
欧洲和亚太地区认证
 
认证机构
在欧洲和亚太地区的一些常见认证机构列出如下:
 
CENELEC认证:
CENELEC是欧洲电工标准委员会的第一个字母的缩写。CENELEC标准适用于所有欧洲共同体国家以及其它选择使用这些标准的国家。成功地通过相应的CENELEC标准测试的设备会取得CENELEC认证。测试可由任何在欧洲获得承认的测试实验室进行。认证可以以国家标准为基础,但是,CENELEC认证更受欢迎。

 

保护类型:
在北美之外经常使用的保护类型有:
 
隔爆:
   • 一种保护类型,其中的外壳能够承受爆炸的混合物在内部爆炸过程中产生的压力,防止爆炸向外壳周围的爆炸性大气环境转移,且能够在不会引起周围的爆炸性气体或蒸汽点燃这种一个外部温度下工作。这种技术类似于北美的隔爆,IEC把它称为Ex d.
 
增安:
   • 一种保护类型,其中各种各样的措施被用来减少在正常工况条件下不会产生的超高温度、以及电弧或火花在电气安装置内外部件里出现的可能性。增安可以与隔爆型保护技术一起使用。IEC把这种保护称为Ex e。
 
本安:
   • 一种保护类型,其中的电气设备在正常或非正常情况下无法释放足够的电能或热能以使得到特定的危险性大气混合物在达到其最易燃的浓度时点燃。IEC把这种保护称为Ex i。
无火花:
   • 一种保护类型,其中的设备在正常情况下无法由于电弧或热效应而引起规定的易燃气体或蒸汽在空气里的混合物点燃。IEC把这种保护称为Ex n。
 
命名方法:
使用IEC命名方法(例如BASEEFA,LCIE,PTB和SAA)的认证机构通过按如下的方法规定保护类型、气体组别和温度代号来对用于危险场所的设备进行分类:
对于CENELEC,铭牌也必须包括下面的符号以表示防爆:
这个标记表示附合CENELEC要求,且受到所有欧洲共同体成员国家承认可。
 
危险场所分类
在北美之外,危险场所是通过气体组别和区域来分类的。
 
组别
电气设备分成二组。1组包括用于矿井的电气设备,而Ⅱ组包括所有其它电气设备。组别Ⅱ进一步分成三个子组别:A、B和C。每一组别里的特定的危险物质可以在CENELEC标准EN 50014里找到,其中的一些物质的自动点燃温度可以在IEC标准60079-4里找到。

 
   • Ⅰ组(采矿):包含甲烷或具有同等危险性的气体或蒸汽的大气环境。
• ⅡA组:包含丙烷或具有同等危险性的气体或蒸汽的大气环境。
•ⅡB组:包含乙烯或具有同等危险性的气体或蒸汽的大气环境。
•ⅡC组:包含乙炔、氢气或具有同等危险性的气体或蒸汽的大气环境。
 
区域
区域定义危险物在周围大气里展示出易燃浓度的可能性:
 
   • 0区:易燃气体或蒸汽混合物的爆炸浓度连续地出现或出现了很长一段时间的场所。划分为0区的区域尽管没有特别定义,但是包括在美国和加拿大的1区场所分类里,并成为可燃混合物存在的可能性最高的区域。
   • 1区:易燃或爆炸性气体或蒸汽混合物的爆炸浓度有可能在正常工作情况下出现的场所。划分为2区的区域包括在美国和加拿大的1区场所分类里。
   • 2区:易燃或爆炸性气体或蒸汽混合在爆炸浓度不可能在正常工作情况出现,且即使出现,也只是存在很短时间的场所。2区基本等同于美国和加拿大的2区场所。
 
温度代号
危险性气体与空气的混合物可能会由于与一个热表面接触而点燃。热表面使气体点燃的条件取决于表面积、温度和气体的浓度。
认证机构对申请认证的设备进行测试并建立最高的温度等级。经过测试的Ⅱ组设备会接受一个温度代号。这个温度代号表示该设备达到的最高表面温度。这是基于40°C(104°F)的环境温度的,除非标出一个更高的环境温度。
 
IEC外壳等级
根据IEC 60529,由一个外壳提供的防护程度是由IP代号来表示的。该代号包括字母IP(防止进入)以及紧随其后的表示符合要求的防护程度的二个特性数字(例如,IP54)。第一个数字表示对于下面情况的防护程度:人接触或接近活动零件,人接触外壳的移动零件,以及固体异物的进入。第二个数字表示由该外壳提供的对于水的进入的防护程度。特性数字定义在下面的表格里:
 
NEMA和IEC外壳等级比较
下表提供以NEMA类型号码到IEC代号的等效转换。NEMA类型满足或超过对于相关的IEC分类的测试要求。由于这个原因,该表不可以用来把IEC分类转化成NEMA类型。
 
保护技术比较
 
防爆技术:
这种技术是通过把所有的电路封闭在壳体和导向管里来进行的。这些壳体和导向管的强度足以包容可能会在装置内部产生的爆炸或火焰。
 
该技术的优点:
   • 用户熟悉这种技术并理解它的原理和应用。
   • 坚实的壳体结构为装置的内部部件提供保护,允许它们用在危险的环境里。
   • 隔爆壳体通常也是防气候的。
 
该技术的缺点
   • 在拆卸壳体盖子前必须断开电路电源或使应用场所成为非危险场所。
   • 打开危险区域的壳体会使所得有保护变成无效。
   • 这种技术通常需要使用重负载螺栓或螺丝连接的外壳。
 
增安技术:
这种增安技术融入特殊的措施以减少在正常工况条件下超过高温度形成的可能性以及电弧或火花的出现。
 
该技术的优点
   • 增安的壳体提供至少IP54的外壳防护。
   • 安装和维护比隔爆外壳更简单。
   • 这种技术较隔爆安装能够节约大量的接线成本。
 
该技术的缺点
   • 这种技术局限于可以使用它的装置,它正常地用于如接线盒和分隔器之类的装置。
 

本安技术:
这种技术要求使用本安栅以限制危险区域与安全区域之间的电流和电压,以避免在故障情况下火花或热点在仪表电路形成。
 
该技术的优点:
   • 这种技术的成本较低,因为装置的现场接线不需要遵循严格的规则。
   • 具有较大的灵活性,因为这种技术允许使用简单部件,如开关、接触终端、热电偶、RTD和其它非储能装置,不需要特殊的认证,但需要相应的安全栅。
  • 现场维护和维修的简单性是这种技术的特点。在对现场仪表进行调整或校验前,不需要断开电源。由于能量水平太低而不会使得最易燃的混合物点燃,所以仪表即使损坏,系统仍然是安全。诊断和校验仪表必须有相应的针对危险区域的认证。
 
该技术的缺点
   • 这种技术不适用于高能量消耗场所,因为能量在源头(或安全栅)处受到限制。这种技术局限于低能量的场所,如直流电路、电气转换器等。
 
n 型技术:
这种技术允许把电路放入无法引起特定的易燃气体或蒸汽在空气里的混合物在正常工作条件下点燃的仪表里。CENELEC不提供此类保护。
 
该技术的优点:
   • 这种技术使用在正常情况下不会形成很高的温度或产生足以使得危险环境点燃的强烈火花的电子设备。
   • 由于不需要隔爆壳体或能量限制安全栅,所以成本比其它危险环境保护技术低。
 • 这种技术提供IP54的防护等级。
 
该技术的缺点 
   • 这种技术仅可用于2区场所。
   • 这种技术把约束放在控制室里以限制至现场接线的能量(正常操作方法是使现场接线开路、短路或接地),所以在正常工作条件下的电弧或火花不会有足够的能量以引起燃烧。
调节阀的典型行业工艺应用
1、石化行业
2、氯碱化工行业
3、冶金及有色行业
单位转换和换算
单位转换和换算
泵的介绍
1、泵的定义:
通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力,即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。
 
2、泵的分类:
泵通常按工作原理分容积式泵、动力式泵和其他类型泵,如射流泵、水锤泵、电磁泵、气体升液泵等。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3、泵的工作原理:
3.1 容积式泵
容积式泵是依靠工作元件在泵缸内作往复或回转运动,使工作容积交替地增大和缩小,以实现液体的吸入和排出。工作元件作往复运动的容积式泵称为往复泵,作回转运动的称为转子泵(回流泵,下同)。前者的吸入和排出过程在同一泵缸内交替进行,并由吸入阀和排出阀加以控制;后者则是通过齿轮、螺杆、叶形转子或滑片等工作元件的旋转作用,迫使液体从吸入侧转移到排出侧。
 
容积式泵在一定转速或往复次数下的流量是一定的,几乎不随压力而改变;往复泵的流量和压力有较大脉动,需要采取相应的消减脉动措施;转子泵一般无脉动或只有小的脉动;具有自吸能力,泵启动后即能抽除管路中的空气吸入液体;启动泵时必须将排出管路阀门完全打开;往复泵适用于高压力和小流量;转子泵适用于中小流量和较高压力;往复泵适宜输送清洁的液体或气液混合物。总的来说,容积泵的效率高于动力式泵。
3.2 动力式泵
动力式泵靠快速旋转的叶轮对液体的作用力,将机械能传递给液体,使其动能和压力能增加,然后再通过泵缸,将大部分动能转换为压力能而实现输送。动力式泵又称叶轮式泵或叶片式泵。离心泵是最常见的动力式泵。
 
动力式泵在一定转速下产生的扬程有一限定值,扬程随流量而改变;工作稳定,输送连续,流量和压力无脉动;一般无自吸能力,需要将泵先灌满液体或将管路抽成真空后才能开始工作;适用性能范围广;适宜输送粘度很小的清洁液体,特殊设计的泵可输送泥浆、污水等或水输固体物。动力式泵主要用于给水、排水、灌溉、流程液体输送、电站蓄能、液压传动和船舶喷射推进等。
3.3其它类型泵
其他类型的泵是指以另外的方式传递能量的一类泵。例如射流泵是依靠高速喷射出的工作流体,将需要输送的流体吸入泵内,并通过两种流体混合进行动量交换来传递能量;水锤泵是利用流动中的水被突然制动时产生的能量,使其中的一部分水压升到一定高度;电磁泵是使通电的液态金属在电磁力作用下,产生流动而实现输送;气体升液泵通过导管将压缩空气或其他压缩气体送至液体的最底层处,使之形成较液体轻的气液混合流体,再借管外液体的压力将混合流体压升上来。
4、泵的主要性能参数:
泵的性能参数主要有流量扬程,此外还有轴功率转速必需汽蚀裕量等。
流量是指单位时间内通过泵出口输出的液体量,一般采用体积流量;
扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的能量增量,对于容积式泵,能量增量主要体现在压力能增加上,所以通常以压力增量代替扬程来表示。
泵的效率不是一个独立性能参数,它可以由别的性能参数例如流量、扬程和轴功率按公式计算求得。反之,已知流量、扬程和效率,也可求出轴功率。
 
泵的各个性能参数之间存在着一定的相互依赖变化关系,可以通过对泵进行试验,分别测得和算出参数值,并画成曲线来表示,这些曲线称为泵的特性曲线。每一台泵都有特定的特性曲线,由泵制造厂提供。通常在工厂给出的特性曲线上还标明推荐使用的性能区段,称为该泵的工作范围。
 
泵的实际工作点由泵的曲线与泵的装置特性曲线的交点来确定(如下图1)。选择和使用泵,应使泵的工作点落在工作范围内,以保证运转经济性和安全。此外,同一台泵输送粘度不同的液体时,其特性曲线也会改变。通常,泵制造厂所给的特性曲线大多是指输送清洁冷水时的特性曲线。对于动力式泵,随着液体粘度增大,扬程和效率降低,轴功率增大,所以工业上有时将粘度大的液体加热使粘性变小,以提高输送效率。
图1
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5、各种泵的特征:(如下表)
指 标
动力式泵
容积式泵
离心泵
轴流泵
旋涡泵
往复泵
转子(回流)泵
流量
均匀性
均  匀
不均匀
比较均匀
稳定性
不恒定,随管路情况变化而变化
恒  定
范围m³/h
1.6~30000
150~245000
0.4~10
0~600
1~600
扬程
特点
对应一定流量,只能达到一定的扬程
对应一定流量可达到不同扬程,由管路系统确定
范围
10~2600m
2~20m
8~150m
0.2~100MPa
0.2~60MPa
 
效率
 
特点
在设计点最高,偏离愈远,效率愈低
  扬程高时,效率降低较小
扬程高时,效率降低较大
范围
(最高点)
0.5~0.8
0.7~0.9
0.25~0.5
0.7~0.85
0.6~0.8
结构特点
结构简单,造价低,体积小,重量轻,安装检修方便
结构复杂,振动大,体积大,造价高
同离心泵
操作与维修
流量调节方法
出口节流或改变转速
出口节流或改变叶片安装角度
不能用出口阀调节,只能用旁路调节
同旋涡泵,另还可调节转速和行程
同旋涡泵
自吸
作用
一般没有
没有
部分型号有
启动
出口阀关闭
出口阀全开
出口阀全开
维修
简便
麻烦
简便
适用范围
粘度较低的各种介质
特别适用于大流量,低扬程,粘度较低的介质
特别适用于小流量,较高压力的低粘度清洁介质
适用于高压力,小流量的清洁介质(含悬浮液或要求完全无泄漏可用隔膜泵)
适用于中低压力,中小流量尤其适用于粘性高的介质
 
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6、泵的用途:
泵主要用来输送液体包括、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等,也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。
 
     
泵的汽蚀
1、汽蚀现象
 
液体在一定温度下,降低压力至该温度下的汽化压力时,液体便产生汽泡。把这种产生气泡的现象称为汽蚀。汽蚀时产生的气泡,流动到高压处时,其体积减小以致破灭。这种由于压力上升气泡消失在液体中的现象称为汽蚀溃灭。
泵在运转中,若其过流部分的局部区域(通常是叶轮叶片进口稍后的某处)因为某种原因,抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的液体汽化压力时,液体便在该处开始汽化,产生大量蒸汽,形成气泡,当含有大量气泡的液体向前经叶轮内的高压区时,气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以至破裂。在气泡凝结破裂的同时,液体质点以很高的速度填充空穴,在此瞬间产生很强烈的水击作用,并以很高的冲击频率打击金属表面,冲击应力可达几百至几千个大气压,冲击频率可达每秒几万次,严重时会将壁厚击穿。在水泵中产生气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是水泵中的汽蚀过程。
水泵产生汽蚀后除了对过流部件会产生破坏作用以外,还会产生噪声和振动,并导致泵的性能下降,严重时会使泵中液体中断,不能正常工作。
 
2、泵汽蚀基本关系式
 
泵发生汽蚀的条件是由泵本身和吸入装置两方面决定的。因此,研究汽蚀发生的条件,应从泵本身和吸入装置双方来考虑,泵汽蚀的基本关系式为:
NPSHc≤NPSHr≤[NPSH]≤NPSHa
NPSHa=NPSHr(NPSHc)——泵开始汽蚀
NPSHa>NPSHr(NPSHc)——泵无汽蚀
式中 NPSHa——装置汽蚀余量又叫有效汽蚀余量,越大越不易汽蚀;
NPSHr——泵汽蚀余量,又叫必需的汽蚀余量或泵进口动压降,越小抗汽蚀性能越好;NPSHc——临界汽蚀余量,是指对应泵性能下降一定值的汽蚀余量;
[NPSH]——许用汽蚀余量,是确定泵使用条件用的汽蚀余量,通常取[NPSH]=(1.1~1.5)NPSHc。
 
3、装置汽蚀余量的计算
 
NPSHa=Ps/ρg+Vs/2g-Pc/ρg=Pc/ρg±hg-hc-Ps/ρg
 
4、 防止发生汽蚀的措施
 
欲防止发生汽蚀必须提高NPSHa,使NPSHa>NPSHr可防止发生汽蚀的措施如下:
  ⑴.减小几何吸上高度hg(或增加几何倒灌高度);
⑵.减小吸入损失hc,为此可以设法增加管径,尽量减小管路长度,弯头和附件等;
⑶.防止长时间在大流量下运行;
⑷.在同样转速和流量下,采用双吸泵,因减小进口流速、泵不易发生汽蚀;
⑸.泵发生汽蚀时,应把流量调小或降速运行;
⑺. 对于在苛刻条件下运行的泵,为避免汽蚀破坏,可使用耐汽蚀材料。
泵的选型
泵 的 选 型
1、 泵的选型原则
1.1、 使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀余量、吸程等工艺参数的要求。
1.2、必须满足介质特性的要求。
对输送易燃、易爆有毒或贵重介质的泵,要求轴封可靠或采用无泄漏泵,如磁力驱动泵、隔膜泵、屏蔽泵;对输送腐蚀性介质的泵,要求对流部件采用耐腐蚀性材料,如不锈钢耐腐蚀泵,耐腐蚀塑料磁力驱动泵,特殊材质泵;对输送含固体颗粒介质的泵,要求对流部件采用耐磨材料,必要时轴封用采用清洁液体冲洗。
1.3、机械方面可靠性高、噪声低、振动小。
1.4、经济上要综合考虑到初次设备投入费、运转费、维修费和管理费的总成本最低。
1.5、离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。因此除以下情况外,应尽可能选用离心泵:
1.5.1、有计量要求时,选用计量泵。
1.5.2、扬程要求很高,流量很小且无合适小流量高扬程离心泵可选用时,可选用往复泵,如汽蚀要求不高时也可选用旋涡泵。
1.5.3、扬程很低,流量很大时,可选用轴流泵和混流泵。
1.5.4、介质粘度较大(大于650~1000mm2/s)时,可考虑选用转子泵或往复泵(齿轮    泵、螺杆泵)。
1.5.5、介质含气量75%,流量较小且粘度小于37.4mm2/s时,可选用旋涡泵。
1.5.6、对启动频繁或灌泵不便的场合,应选用具有自吸性能的泵,如自吸式离心泵、自吸式旋涡泵、气动(电动)隔膜泵。
2、泵的选型依据
泵选型依据,应根据工艺流程要求,从五个方面加以考虑,即:液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运转条件等。
2.1、流量是选泵的重要性能数据之一,它直接关系到整个装置的的生产能力和输送能力。如设计院工艺设计中能算出泵正常、最小、最大三种流量。选择泵时,以最大流量为依据,兼顾正常流量,在没有最大流量时,通常可取正常流量的1.1倍作为最大流量。
2.2、装置系统所需的扬程是选泵的又一重要性能数据,一般要用放大5%—10%余量后扬程来选型。
2.3、液体性质,包括液体介质名称,物理性质,化学性质和其它性质。物理性质有:温度、密度、粘度,介质中固体颗粒直径和气体的含量等。这涉及到系统的扬程、有效气蚀余量计算和合适泵的类型;化学性质:主要指液体介质的化学腐蚀性和毒性,是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据。
2.4、装置系统的管路布置条件指的是送液高度送液距离送液走向,吸入侧最低液面,排出侧最高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数量等,以便进行系梳扬程计算和汽蚀余量的校核。
2.5、操作条件的内容很多,如液体的操作温度、饱和蒸汽压、吸入侧压力(绝对)、排出侧容器压力、海拔高度、环境温度;操作是间隙的还是连续的;泵的位置是固定的还是可移的等等。
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