第1章 控制阀的工作原理、特性分析及重要性

1.1 控制阀的工作原理

1.1.1 概述

控制阀是自动化仪表中的执行器，是过程控制中的终端元件，随着自动化程度的不断提高，被广泛应用于冶金、电力、化工、石油、轻纺、建筑等工业部门中。控制阀作为流体机械（包括电力机械、化工机械、流体动力机械等）中控制通流能力的关键部件，其工作性能、安全性与整个装置的工作性能、效率、可靠性密切相关。在过程控制中，控制阀直接控制流体，其质量的稳定性与可靠性将直接影响整个系统，一旦发生故障，后果不堪设想。在石油天然气工业中，从油田到炼油厂，各种生产装置都采用大规模集中监测和控制，大部分操作都是在高温或高压下进行的，介质大都是易燃、易爆的油、气，因此，保证控制阀的质量与可靠性被提到了首位。在化学工业中，过程的多样性及工艺条件的变化，在温度、压力、流量、液位四大热工变量的控制中，都有很多特殊问题要求控制阀能够适应。在电力工业中，要对发电厂锅炉进行有效控制，保持锅炉调节系统中的水位正常非常关键，避免控制阀的误开、误关、失灵等故障发生非常重要。现阶段，工业企业竞争很激烈，节能、环保、成本控制等是企业经营中迫切需要解决的问题，要求控制阀在保证质量和可靠性的基础上，必须有很低的泄漏率和最小的驱动力。

控制阀产品是流程工业企业自动控制系统中的关键执行器。因为现代工业生产过程需要控制的温度、压力、流量等参数有成百上千个，人工控制已难以满足现代工业生产过程的要求，存在劳动强度大、控制精度低、响应时间长等缺点。各种自动控制系统模拟人工控制的方法，用仪表、计算机等装置代替操作人员的眼睛、大脑、手等的功能，实现对生产过程的自动控制。简单控制系统包含检测元件和变送器、控制器、执行器和被控对象等。

检测元件和变送器（sensor and transmitter）用于检测被控变量，将检测信号转换为标准信号。例如，热电阻将温度变化转换为电阻变化，温度变送器将电阻或热电势信号转换为标准的气压或电流、电压信号等。

控制器（controller）将检测变送环节输出的标准信号与设定值信号进行比较，获得偏差信号（error signal），并按一定控制规律对偏差信号进行运算，将运算结果输出给执行器。控制器可用模拟仪表实现，也可用由微处理器组成的数字控制器实现，如DCS（分布控制系统）和FCS（现场总线控制系统）中采用的PID控制功能模块等。

如图1-1所示，控制阀作为过程控制系统中的执行器（actuator），处于控制环路的最终位置，故也称为最终元件（final control element）。执行器用于接收控制器的输出信号，并控制操作变量变化。在大多数工业生产过程控制应用中，执行器采用控制阀，其他执行器有计量泵、调节挡板等。近年来，随着变频调速技术的应用，一些控制系统已采用变频器和相应的电动机（泵）等设备组成执行器。

其中，测量变量x(t)、控制变量u(t)和操作变量q(t)是与过程仪表直接相关的重要变量，它们指向了过程仪表制造服务的目标方向。

过程控制控制阀的历史可以追溯到最早的自力式控制阀，其最原始的结构是一种带重锤的球形阀，这种控制阀后来演变成利用阀后压力进行调节的自力式调节阀。20世纪30年代，控制阀的类型已经出现很多种，其中以球形阀为代表性产品；到了20世纪40年代，角型阀、蝶阀、隔膜阀和球阀相继出现，先后在市场上占据一定的地位。20世纪60年代后出现的套筒阀以其较大的优势成为球形阀的主流产品。20世纪70年代推出的产品是凸轮挠曲阀，它具有容量大、流阻小、密封性能好等优点，使其成为角行程阀门中的佼佼者。从20世纪80年代开始，又推出了具有划时代意义的多弹簧气动薄膜控制阀，该产品的特点是体积小、重量轻、流通能力大，深受市场的青睐。到了20世纪90年代，随着智能式电动执行机构及智能式定位器的成功研制，智能调节阀也随之出现，为控制阀的发展翻开了崭新的一页。

我国的控制阀生产行业起步较晚，国内于20世纪70年代自行设计和生产的直通单座阀、直通双座阀、三通控制阀、高压控制阀、蝶阀、长行程执行机构和阀门定位器等传统产品直至20世纪90年代仍在生产与使用。我国控制阀的飞跃是从20世纪80年代开始，吴忠仪表有限责任公司率先引进日本山武公司的新一代CV3000系列控制阀，使得产品性能有了较大的提高，同时使得控制阀在系列化、标准化等方面得到了进一步完善，缩小了与国外产品的差距，成为目前国内执行器行业中控制阀的主流产品。其技术水平相当于国际20世纪80年代末或90年代初的水平，依然落后于国际先进水平，已经不能满足国内及国际市场的需求。从技术上分析，主要表现在以下几个方面：

（1）性能 直动阀分为单座阀和笼式双座阀。其中，单座阀的密封性较好，可达ANSI标准Ⅳ级、Ⅴ级甚至Ⅵ级。但由于结构上的特点，其允许压差比较小，要满足较大的允许压差，则其推力比较大，需要的执行机构（动力源）较大，使成本增加、能耗增加，而且还有一定的局限性。而笼式双座阀则相反，由于结构上的原因，其密封性较差，一般为ANSI标准Ⅱ级，在最理想的情况下，也只能达到ANSI标准Ⅳ级，在阀门关闭的时候，仍然有不同程度的泄漏，造成了物料的浪费，使成本增加。但由于具有压力平衡的结构，允许压差较大，因此所配的执行机构较小。

（2）节约能源 经济的高速增长必然会引起能源的极大损耗，然而地球的资源是有限的。原材料供不应求，石油、煤、水资源的消耗和短缺已成为目前及今后相当长时期内人们所面临的问题。因此，用于流体控制的阀门，在其设计、使用过程中要与节能问题相联系。所以不但要求控制阀应满足恶劣工况的调节需求，更要求在阀门关闭的情况下，将其泄漏率控制在最低，甚至是不漏的。

（3）可靠性 国内控制阀产品不论内在质量还是外观质量，在可靠性方面考虑得比较少，在产品性能可靠性设计上更是少有研究。

（4）专有技术 国外控制阀企业在特殊材料和特殊工艺手段上都有自己多年的积累，能够满足耐高温、耐高压差、低泄漏率、抗冲刷、强耐磨、耐强腐蚀的极端要求，已形成其专有技术，占据了高端市场。而我国在这方面投入的技术攻关和研究经费远远不够，还处于拼价格的阶段。

（5）保护环境 随着工业的快速发展，环境污染问题日趋严重，人们的健康及生态环境面临着极大的威胁，各个国家都在积极地制定相应的法律、法规来减少环境污染，以保护公众的健康和生态平衡，因此，环保已成为企业产品设计所要考虑的关键问题之一。控制阀对环境造成的危害主要表现为大气污染（由于密封不可靠和阀门振动而引起外漏）和噪声（振动、流体压差等），公众和社会对环境保护都有强烈的要求，而作为控制阀制造厂就必须做出响应。

（6）适用于新领域 随着新技术、新工艺的突破，传统的工业生产过程也将向着更深、更新的领域发展，如超超临界高温、高压差、低温、强烈摩擦、汽蚀或固体颗粒冲刷磨损等，而与之相适应的控制阀则有待我们去研究、去开发。

先进的现代化工业是以生产自动化为标志的。从自动化系统的发展历史和进步来看，技术工具的变革起着极为重要的作用。虽然各种先进的控制手段不断出现，但基本的控制规律没有改变，而技术工具的变化则是日新月异的。人们已经不再满足于传统的生产方式，开始利用数字化、微机化等先进技术进行革新。智能仪表的研制和使用更为工业自动化开创了美好的未来。另外，随着现代化工业的大规模发展，人们对工业品的要求越来越高，范围也越来越广。作为工业自动化控制系统的手脚，控制阀也将面临新的课题，有待创新和提高。

1.1.2 控制阀分类

控制阀结构种类繁多，各有特点，在工程设计中，应根据现场条件（温度、压力、流量、压差、安装位置等）、流体性质（黏度、腐蚀性、饱和温度等）、调节系统的要求（可调比、泄漏量、流量特性等）以及环境要求（噪声、防护要求等）等因素综合考虑来确定。一般情况下，应优先选用价格较低的普通型控制阀，如单、双座控制阀和套筒控制阀等，当这些阀不能满足需要时，再选择其他合适的控制阀。

1.单座控制阀

单座控制阀（简称单座阀）（图1-2）的泄漏量小，容易保证密封性，但其不平衡力较大，尤其是在高压差、大口径时，所以它适用于低压差、小口径的场合。另外，DN≥25时阀杆为双导向结构，可倒装，只要配用正作用执行机构，就可以实现气开气关的转换。

2.双座控制阀

双座控制阀（简称双座阀）（图1-3）有两个阀芯，流体作用在上、下阀芯上的推力方向相反，而大小基本相等，所以不平衡力较小，允许使用的压差较大。但在关闭时，双座阀的两个阀芯很难保证同时关闭，因而泄漏量较大，尤其是用于高温场合时，因阀芯、阀体材料的热膨胀不同，更易泄漏。由于阀内流路较复杂，故不适用于高黏度介质。不平衡力的方向随阀开度的变化而变化，当开度为60%~70%时，将出现不稳定区，阀芯有振荡倾向，如图1-4所示。

3.套筒式控制阀

套筒式控制阀（简称套筒阀）是在阀体内安装一个圆筒形套筒，并以套筒为导向装配一个能在轴向滑动的阀塞，套筒上开有具有一定流量特性的窗孔。

通过改变阀塞与套筒窗孔所形成的流通面积，就能达到调节流量的目的，如图1-5所示。这种阀的特点是稳定性好，属于平衡式结构，不平衡力小（图1-6），导向长，工作平稳，结构简单，拆装方便，通用性强；只需更换套筒，即可改变流通能力和流量特性；改变阀内组件可成为单座阀，热膨胀影响小——套筒和阀芯用同一材质且形状相似，可以消除温度变化的影响，因此寿命长。套筒阀的密封面与节流面分开，节流口处的高速流体相互对冲，能量消耗在流体内部，而没有像单、双座阀那样，直接冲刷阀的密封面，因此，在高压差的场合下，套筒阀的寿命往往比单、双座阀长得多。这种阀还有一定的抗汽蚀能力，由于阀芯底部为介质，在发生汽蚀的情况下，气泡破裂，产生的冲击力作用在阀芯下面的空间内，冲击能量没有作用在阀芯上，而是被介质自身吸收，而单、双座阀的冲击能量是直接作用在阀芯上的，因此，套筒阀的抗汽蚀性比单、双座阀好。由于套筒阀的能量多消耗于套筒中，动压能在相互冲击中消耗，故噪声通常比单、双座阀低约10dB；通过改变套筒形式，还可进一步降低噪声水平。

4.双座平衡阀芯式结构

双座平衡阀芯式套筒阀如图1-7所示，它有两组阀芯密封面，芯上开有平衡孔，其不平衡力小，但泄漏量较大，一般可以达到0.5%（ANSI标准Ⅱ级），可用于对泄漏没有特殊要求的场合。

5.单密封面不平衡式阀芯结构

单密封面不平衡笼式控制阀阀芯结构如图1-8所示，这种结构只有一个密封面，没有平衡孔，泄漏量较小，可达0.01%（ANSI标准Ⅳ级），但这种结构的不平衡力大。

6.带预启阀的阀芯结构

带预启阀式套筒阀如图1-9所示，这种阀芯结构在单密封面的阀塞上设置一个带预启阀的平衡孔，阀门关闭时，预启阀关闭，阀门只有一个主密封面，泄漏量较小（可达0.01%）；而阀门开启时，平衡孔贯通，阀门成为平衡式结构，不平衡力小。故这种阀兼有前两种阀的优点。需要注意的是，这种阀只有用于流闭流向时，才有上述特点，用于流开流向时，则没有不平衡力小的特点。

7.带密封环的平衡式阀芯结构

带密封环的平衡式控制阀阀芯结构如图1-10所示，它利用密封环代替了平衡式阀芯上的一个密封面，保持了平衡式结构，不平衡力小。其泄漏量主要取决于密封环的性能，以德国Masoneilan公司的产品为例，41500型阀用金属密封环，泄漏量为0.5%（ANSI标准Ⅱ级）；41600（41900）型阀用软密封环，泄漏量为0.01%（ANSI标准Ⅳ级）。可见，这种阀保持了平衡结构，且有可能将泄漏等级提高。

8.三通控制阀

如图1-11所示，三通控制阀有三个接口与管道相连。这种阀按作用方式可分为合流和分流两种，可用于混温调节、减温减压器温水配比调节、换热器调节以及两种介质的混合与切换等。可用一个三通阀代替两个二通阀来简化调节系统。

9.蝶阀

如图1-12所示，蝶阀具有结构简单、体积小、重量轻、流路畅通、有自清洗作用、流阻小、流通能力大、流量特性近似等百分比等优点。低负载中线蝶阀泄漏量较大，一般适用于低压差、大流量、含颗粒介质的调节。在电厂中低负载蝶阀主要用于风道（圆风门）流量调节，这是由于百叶窗式方风门具有快开流量特性，不易调节，故在风道中用蝶阀风门更有利。

10.球阀

球阀的最大特点是损失极小、流路简单，适用于有固体杂质的场合；具有快开流量特性，多用作切断阀。按阀芯形式不同，球阀可分为O形球阀和V形球阀，如图1-13所示。V形球阀的流量特性接近等百分比，其调节范围宽（R=200～300）、密封性好，但多采用软座密封，使用温度受到限制（低于180℃），在温度不高、调节范围大、希望阻力较小的系统中，可以考虑选用V形球阀。另外，在有些引进工程中，也有将球阀用作自动控制阀的旁路阀，在检修自动控制阀时，旁路阀可提供一定的调节性。

11.偏心旋转阀

偏心旋转阀如图1-14所示，它通过偏心阀芯的旋转来调节和切断介质，综合了球阀和蝶阀的优点。泄漏量小（0.01%）（ANSI标准Ⅳ级）、可兼作切断阀、可调比（R=100）大、体积小、重量轻；流量系数大、动态稳定性好、阀效应不明显（一般阀门在临界点处，其流量特性曲线将发生畸变，这种现象称为阀效应），阀芯不平衡力较小（约为单座阀的1/2），适用温度广、通用性好；同一规格的阀门要想改变流通能力，只需换阀座即可，不必换阀芯；阀内很容易衬上各种衬里，以适应不同需要等优点。该阀的综合性能优越，可以代替普通控制阀，国外使用很广，特别适用于要求调节范围宽（此时可代替一大一小两个并联的可调比较小的阀，从而使系统和控制得到简化）、泄漏量小、流通能力大、阻力小的场合，如火力发电厂中的除氧器加热蒸汽控制阀、主凝水控制阀等。另外，该阀因为流道简单，还适用于高黏度介质（如重油）。

12.高压差控制阀

适用于高压差场合的控制阀称为高压差控制阀。因为这种控制阀是在高压差下使用，如果流过阀门的介质是液体，则易发生汽蚀，引起阀门节流元件的早期破坏；如果是气（汽）体，则可能产生强烈的噪声。故这类阀门大多采用了抗气蚀、低噪声设计。

13.可控压力恢复系数控制阀

工艺系统对控制阀的压力恢复特性的要求是矛盾的。在小流量时，由于管道阻力较小，作用于控制阀上的压降较大，因此这时希望控制阀具有较小的压力恢复，以提高其防汽蚀能力。在大流量时，由于管道阻力较大，作用于控制阀上的压降较小，因此这时发生汽蚀的可能性大为降低，对控制阀防汽蚀能力的要求降低，不一定要求其压力恢复很小；相反，为了提高阀门的通流能力、减小阻力，较大的压力恢复在这时更为有利。现在常用的控制阀往往不能同时满足这两方面的要求。为此，南京宁航科技有限公司开发了MQ型可控压力恢复系数控制阀，这种阀在设计时就按工艺系统的要求，对阀的压力恢复系数进行了调控，使其能与工艺系统良好匹配，使用这种阀的最大好处是能节约大量的能源。