上海滬工閥門廠（集團(tuán)）有限公司

隨著我國有色行業(yè)的迅猛發(fā)展，氣動薄膜調(diào)節(jié)閥由于結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用可靠、防火防爆等特點，廣泛應(yīng)用于氧化鋁的生產(chǎn)過程。而作為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要一環(huán)，它的工作狀態(tài)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(chǔ)，詳細(xì)敘述氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的工作原理、選型過程、安裝及維修。

1 主要結(jié)構(gòu)和工作原理

氣動執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。氣動執(zhí)行機構(gòu)包括：氣動薄膜、氣動活塞、氣動長行程三種執(zhí)行機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)為：閥、閘板、調(diào)節(jié)閥等，有直、角行程 2 種。

工作原理：當(dāng) 0.2~1kg/cm₂ 時的信號壓力輸人薄膜氣室中，產(chǎn)生推力使推桿部件移動、彈簧被壓縮產(chǎn)生的反作用力與信號壓力在薄膜上產(chǎn)生的推力相平衡。推桿的移動即是氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的行程。正作用式：當(dāng)薄膜氣室的信號壓力為零時，推桿部件位于下方，當(dāng)薄膜氣室內(nèi)輸人信號壓力時，使推桿部件向下移動；反作用式：當(dāng)薄膜氣室的信號壓力為零時，推桿部件位于上方，當(dāng)薄膜氣室內(nèi)輸人信號壓力時，使推桿部件向上移動。

2 氣動薄膜調(diào)節(jié)閥流t特性和選型原則

流量特性是指閥位開度和流量大小的關(guān)系，直接影響調(diào)節(jié)質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與被調(diào)參數(shù)和設(shè)備對象，工藝流程有關(guān)。

2.1 理想流量特性

調(diào)節(jié)閥兩端壓差不變時相對流量與相對開度（行程）的關(guān)系：Q/Q_max=f×l/L

式中，Q 為某一開度時，調(diào)節(jié)閥的流量及閥桿行程；f 為閥芯系數(shù)；Q_max、L 為調(diào)節(jié)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 工作流量特性分析

調(diào)節(jié)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(shù)特點、拋物線特性等。拋物線特性介于直線和對數(shù)之間。

經(jīng)計算、分析，直線特性調(diào)節(jié)閥工作在小開度時調(diào)節(jié)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(tǒng)振蕩，而在大開度時，相對變化率下，調(diào)節(jié)性能弱，太遲鈍，大的干擾不能很快克服；對數(shù)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(jīng)計算、分析，對數(shù)閥在小開度時放大倍數(shù)小，緩和平衡，利于操作控制，而在大開度時放大倍數(shù)大，工作能靈敏有效，是最常用的閥門。

2.3 流量特性選擇規(guī)則

工業(yè)生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥如直線、對數(shù)、快開特性，一般選取直線、對數(shù)特性即可滿足工藝調(diào)節(jié)要求，快開特性適應(yīng)于二位調(diào)節(jié)，對于比較難控制和要求較嚴(yán)的對象，從以下幾個方面考慮：

1. 用調(diào)節(jié)閥的非線性去補償過程的非線性，使系統(tǒng)總的增益變化較小，穩(wěn)定；
2. 工藝管道情況，考慮工藝管道阻力情況；
3. 適應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)荷波動；
4. 考慮調(diào)節(jié)閥的工作條件和使用壽命；
5. 調(diào)節(jié)閥工作特性改善。

3 流量能力 C 值的計算方法和調(diào)節(jié)閥口徑的確定

C 值的定義：我國規(guī)定在調(diào)節(jié)閥前后壓差為 1kPa、液體重度為 1kPa³ 的情況下，以每小時通過調(diào)節(jié)閥門的流體 m³ 數(shù)值，表示流通能力 C 值的大小（以氧化鋁料漿為例。）

調(diào)節(jié)閥壓差：S=ΔP/(∑ΔP^F+ΔP)

式中，ΔP 為調(diào)節(jié)閥差壓；∑ΔP^F 為最大流量時管路阻力降。

C=Q(r/ΔP)^1/2=G/(ΔP * r)^1/2

式中，Q、G 為工藝所提供的體積或重量流量；ΔP 為閥門前后壓差；r 為重度。

C 值的選取和公稱通徑 D_g 及閥座直徑 d_g 的確定，由工藝提供的最大流量和對應(yīng)的最小壓差。計算出 C_max，便可選取合適的閥。

4 應(yīng)用實例

中鋁山西公司沉降工段負(fù)責(zé)將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(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)流量。根據(jù)現(xiàn)場的工藝環(huán)境或計算，氣動閥采用了美國 FISHER-ROSEMOUNT 公司生產(chǎn)的氣動調(diào)節(jié)閥，由閥門定位器和調(diào)節(jié)閥組成。閥門定位器采用了位移式氣動閥門定位器，其負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。見圖 1。

圖 1 沉降料漿閉環(huán)系統(tǒng)

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(shù)；K_L 為輸人信號傳動杠桿比；K_F 為反饋信號傳動杠桿比；K_V/(T_Vs+1) 是氣動調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)，是一個一階周期環(huán)節(jié)，K_V 為調(diào)節(jié)的放大系數(shù)，與執(zhí)行機構(gòu)的薄膜有效面積和彈簧剛度及調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)；T_V 為調(diào)節(jié)閥的時間常數(shù)，也與氣室大小等因素有關(guān)。

上述負(fù)反饋系統(tǒng)中，閥桿輸出位移 Y 與輸人的調(diào)節(jié)器壓力領(lǐng)信號 P 之間的傳遞函數(shù)：

W(s)=Y/P≈A_EK_L/CK_F

A_E、K_L、C、K_F 一定時，Y 與 P 之間成一一對應(yīng)的比例關(guān)系。也就是說，通過電一氣閥門定位器的電氣轉(zhuǎn)換，定位器接受來自調(diào)節(jié)器或控制系統(tǒng)的電流信號（4~20mA），這個信號改變執(zhí)行機構(gòu)氣室的壓力 P，使閥門的位置達(dá)到給定值 Y，從而達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。

4.1 調(diào)節(jié)閥反向動作和流量特性

在應(yīng)用過程中，由于生產(chǎn)需要將一臺氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥改成氣開式調(diào)節(jié)器，在以前就需將閥芯反裝，或采用反作用式執(zhí)行機構(gòu)。在現(xiàn)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?yōu)?100~20kPa 即可。具體結(jié)構(gòu)中，用到一個凸輪和兩個噴嘴。左噴嘴用以實現(xiàn)正作用，右噴嘴實現(xiàn)反作用。左、右噴嘴與放大器的氣路用背壓切換板來溝通。調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥的反饋量，使定位器的輸出特性發(fā)生變化，從而修正了流量特性。

4.2 手動機構(gòu)的配置

當(dāng)氣源信號或電信號出現(xiàn)故障時，或者當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)的主要元件（膜片、彈黃等）損壞時，就需把自動操作改為手動操作，需轉(zhuǎn)動手輪維持調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)功能；另一方面，這種機構(gòu)也可作為調(diào)節(jié)閥行程的限位器，當(dāng)信號壓力為零時，調(diào)節(jié)閥不是全開就是全關(guān)，如果工藝過程要求調(diào)節(jié)閥有少量的流量，可利用手輪來達(dá)到目的。手輪機構(gòu)有頂裝式和側(cè)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(cè)裝式可以根據(jù)工藝的要求安在左或右側(cè)實現(xiàn)限位。總之，手動機構(gòu)可提高調(diào)節(jié)閥運行的可靠性，特別是調(diào)節(jié)閥臺增設(shè)旁路，使用口徑較大的調(diào)節(jié)閥時，使用手輪機構(gòu)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(zhí)行機構(gòu)無故障時，由于不使用手動機構(gòu)，為此經(jīng)常要加油防銹。

5 安裝調(diào)節(jié)閥須注意的幾個問題

（1）氣動調(diào)節(jié)閥應(yīng)安裝在便于維護(hù)、修理的地方。

（2）當(dāng)選定調(diào)節(jié)閥的公稱通徑與工藝管徑不同時應(yīng)加裝異接頭進(jìn)行連接。

（3）安裝在有振源的場合，應(yīng)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(zhì)方向。

（5）安裝前，需要認(rèn)真清洗管道內(nèi)焊渣和其它雜物，在安裝后，應(yīng)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(jié)流件。

6 結(jié)束語

氣動薄膜調(diào)節(jié)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，增加閥的使用壽命對企業(yè)的節(jié)能降耗有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益。