第1章 概述

1.1控制閥在工業生產過程控制中的作用

1.1.1控制繫統的基本組成

1.1.2控制閥在控制繫統中的作用

1.2控制閥的發展展望

1.2.1控制閥應用中存在的問題

1.2.2控制閥的發展趨勢

1.3控制閥術語

1.3.1控制閥分類術語

1.3.2控制閥結構和零部件術語

1.3.3控制閥功能和其他術語

1.4控制閥型號編制

1.4.1型號編制方法

1.4.2控制閥參數

1.4.3控制閥繫列型譜

第2章 控制閥結構

2.1控制閥的組成和分類

2.1.1控制閥的組成

2.1.2執行機構分類

2.1.3調節機構分類

2.1.4附件分類

2.2執行機構

2.2.1氣動薄膜執行機構

2.2.2氣動活塞執行機構

2.2.3電動執行機構

2.2.4液動執行機構

2.2.5手動執行機構

2.2.6自力式調節閥

2.3調節機構

2.3.1概述

2.3.2直行程調節機構

2.3.3角行程調節機構

2.3.4特殊結構控制閥

2.4控制閥其他零部件

2.4.1閥瓣和閥板

2.4.2控制閥的導向和行程轉換機構

2.4.3控制閥的填料裝置

2.4.4控制閥的連接

2.4.5控制閥內密封

第3章 控制閥材料

3.1控制閥閥體

3.1.1控制閥閥體的材料

3.1.2控制閥閥蓋的材料

3.1.3控制閥閥體和閥蓋*小壁厚

3.1.4耐腐蝕性材料

3.1.5控制閥閥杆(軸)的材料

3.2控制閥閥內件

3.2.1控制閥閥瓣和閥板的材料

3.2.2控制閥密封座的材料

3.2.3填料和潤滑劑

3.3其他零部件

3.3.1焊接材料

3.3.2墊片

3.3.3緊固件

第4章 控制閥計算的理論基礎

4.1控制閥工作原理

4.1.1基礎知識

4.1.2流量繫數計算中的有關繫數

4.2控制閥力(矩)繫統的計算

4.2.1執行機構輸出推力(矩)的計算

4.2.2調節機構不平衡力(矩)的計算

4.2.3調節機構允許壓差的計算

4.2.4執行機構部件的設計計算

4.2.5其他力矩的設計計算

4.3控制閥流量繫數的計算

4.3.1概述

4.3.2不可壓縮流體流量繫數的計算

4.3.3可壓縮流體流量繫數的計算

4.3.4流經多級控制閥的流體流量繫數計算

4.3.5兩相流體的流量繫數計算

4.3.6流量繫數的計算

4.3.7計算流量繫數的圓整

4.4控制閥流量特性

4.4.1控制閥的流量特性

4.4.2控制閥固有流量特性的實現

4.5控制閥噪聲預估

4.5.1概述

4.5.2噪聲預估

4.5.3噪聲測定和治理噪聲的措施

4.6計算數據的確定

4.6.1材料的力學性能

4.6.2流體的物性數據

第5章 控制閥的工程設計

5.1工程設計符號

5.1.1控制閥的工程設計符號

5.1.2控制閥工程設計符號的示例

5.2控制閥應用設計

5.2.1控制閥數據表

5.2.2控制閥類型的選擇

5.2.3控制閥材料的選擇

5.2.4控制閥洩漏等級的選擇

5.2.5控制閥氣開氣關方式的選擇

5.2.6控制閥流量特性的選擇

5.2.7控制閥內流體流向的選擇

5.3控制閥口徑的確定

5.3.1數據的準備

5.3.2計算流量繫數

5.3.3確定控制閥額定流量繫數

5.3.4控制閥開度計算

5.3.5確定控制閥實際可調比

5.3.6確定控制閥壓降比

5.4控制閥的防噪

5.4.1控制閥聲功率噪聲的估算

5.4.2流動噪聲的估算

5.4.3噪聲修正

5.4.4流速限制

5.5控制閥的防爆、防護和安全完整性等級

5.5.1防爆等級標志和設備保護級別

5.5.2外殼防護等級

5.5.3安全完整性等級

5.6工程應用中的問題及處理

5.6.1工藝提供數據不足

5.6.2根據控制閥開度估算流體流量

5.6.3多閥組合應用

第6章 控制閥性能對控制繫統的影響

6.1控制繫統的性能指標

6.1.1控制繫統的時域性能指標

6.1.2控制繫統的偏差積分性能指標

6.2控制閥性能對控制繫統的影響

6.2.1執行機構性能對控制繫統控制品質的影響

6.2.2調節機構性能對控制繫統控制品質的影響

6.2.3壓降比s的影響

6.3控制繫統對控制閥的要求

6.3.1控制繫統運行準則

6.3.2穩定運行時開環增益允許的變化範圍

6.3.3流量控制繫統

6.3.4液位控制繫統

6.3.5壓力控制繫統

6.3.6溫度控制繫統

6.3.7推薦的流量特性選擇

第7章 閥門定位器和控制閥附件

7.1閥門定位器的工作原理

7.1.1閥門定位器的工作原理

7.1.2閥門定位器的傳遞函數分析

7.1.3閥門定位器的功能

7.2閥門定位器在控制繫統中的作用

7.2.1閥門定位器組成的串級控制繫統

7.2.2閥門定位器應用中的注意事項

7.3智能閥門定位器

7.3.1智能閥門定位器的工作原理

7.3.2智能閥門定位器對控制繫統性能的影響

7.4控制閥其他附件

7.4.1控制閥其他附件

7.4.2三斷保護和快開、快關的實現

第8章 控制閥的試驗

8.1控制閥主要性能指標的試驗

8.1.1靜特性試驗

8.1.2氣密性試驗

8.1.3密封性試驗

8.1.4洩漏量試驗

8.1.5空載全行程時間試驗

8.1.6絕緣性能試驗

8.1.7耐壓強度試驗

8.1.8其他性能試驗

8.2控制閥型式試驗和檢驗

8.2.1額定流量繫數和固有流量特性試驗

8.2.2控制閥其他繫數的試驗

8.2.3工業過程控制繫統用電磁閥的試驗

8.2.4工業過程控制繫統用閥門定位器的試驗

第9章 控制閥的安裝和維修

9.1控制閥配管和安裝的考慮

9.1.1安全的考慮

9.1.2性能的考慮

9.1.3可操作性和可維護性的考慮

9.2安裝施工

9.2.1安裝施工的準備

9.2.2控制閥安裝施工的規定

9.2.3控制閥安裝前的檢驗

9.2.4控制閥現場調試

9.2.5控制閥的管理

9.3故障分析

9.3.1執行機構的故障分析

9.3.2調節機構的故障分析

9.3.3閥門定位器的故障分析

9.3.4氣動繫統常見故障

9.4控制閥的維護

9.4.1控制閥的日常維護

9.4.2控制閥的定期維修

9.4.3控制閥的預見性維修

9.4.4閑置控制閥的日常維護

9.5控制閥的其他處理

9.5.1控制閥流量特性的處理方法

9.5.2控制閥口徑的處理方法

參考文獻

附錄A 閥門結構長度

A.1閥門的結構長度

A.2燃氣調壓器的結構長度

A.3自力式調節閥的結構長度

附錄B Antoine常數

附錄C 水和水蒸氣熱力學性能

C.1概述

C.1.1公式的結構

C.1.2命名法

C.2方程

C.2.1區域2和3間邊界的輔助方程

C.2.2區域1的方程

C.2.3區域2的方程

C.2.4區域3的方程

C.2.5區域4的方程

C.2.6區域5的方程

C.2.7示例

附錄D FCI70-2-2006控制閥閥座洩漏量

D.1洩漏等級

D.2試驗方法

控制閥在國民經濟各部門有廣泛應用。它與生產建設、國防建設和人民生活息息相關。為對不同流體進行控制,控制閥的類型眾多,品種規格繁雜,為設計選型和實際應用帶來困難。隨著新的工藝生產過程和控制要求的不斷湧現,新的科學技術的不斷出現和完善,對控制閥的要求也不斷提升。工業4.0不僅對我國,也對全球的制造行業提出前進目標,以信息化和工業化深度融合的數字化和智能化制造為制造業的全新信息物理平臺的建立提供了堅實基礎。工業4.0對控制閥制造和應用將產生巨大影響,首先表現在個性化生產,即為適應不同被控對像的應用,研制和生產“量身定制”的控制閥,它更能夠適應被控對像的特性,降低偏離度,提高控制繫統控制品質。其次,控制閥的應用也更精細化,如控制閥制造商應提供不同行程時的相對流量繫數;不再用單一控制閥控制,而采用多控制閥組合以實現更精確控制和更精準控制等。為此,我們編寫了本實用手冊。

控制閥從機械產品發展為機電一體化產品,從常規模擬儀表發展為智能儀表,涉及的知識內容從流體力學、熱力學到材料學、制造工藝學、自動控制科學等。因此,要在一本手冊內全面介紹有關知識有一定困難。為此,本手冊從實用性出發,介紹和分析有關控制閥的實用性問題。本手冊的特點如下。

①創新性。本手冊提供筆者多年來的研究成果。例如,根據工作流量特性和壓降比,“量身定制”控制閥閥芯型面;用軟件實現流量特性補償處理;根據**IEC標準編寫流量繫數和噪聲預估等計算程序;估算額定流量繫數的公式;提出實際開度計算公式,根據控制閥開度等數據估算其流量等內容。它們為控制閥的精確控制和精準調節應用提供了有效手段和工具。

②先進性。本手冊采用了**頒布的有關國家和國際標準,包括2014年修訂的一些標準,以便於實際應用;國家標準還未頒布與國際標準等效的更新版本內容,本手冊也介紹了國際上近年來開發的控制閥和附件,如*小流量控制閥、自動泵再循環閥、精小型執行機構、智能閥門定位器、現場總線智能閥門定位器等,緊跟國際發展趨勢。

③理論與實踐結合。本手冊理論與實踐結合,以理論指導實踐,並用實踐驗證理論。例如,通過分析串級控制繫統的共振現像,討論閥門定位器的振蕩,從本質上闡述和分析了閥門定位器功能。本手冊結合集散控制繫統和現場總線控制繫統中智能閥門定位器的應用,對智能和非智能閥門定位器進行深入研究和分析,討論它們對控制閥流量特性、控制繫統控制品質的影響。

在編著上,本手冊並沒有把控制閥作為一個機械產品進行敘述,而是將控制閥作為控制繫統件,作為控制繫統的一部分進行分析。因此,本手冊從過程自動化應用出發,以控制理論為依據,以控制工程為工具,分析和研究控制閥,以理論知識指導實際應用進行說明,並結合實際應用實例用理論知識進行分析,力求達到理論與實踐緊密結合。

④實用性。本手冊不僅提供了**的有關標準,如包括ASME、ANSI、GB、IEC、VDMA等國際和國家的材料標準、壁厚標準、控制閥校驗標準、噪聲預估標準等,還為設計應用的工程技術人員提供了用於設計計算的大量資料。例如,近年來廣泛應用的用於計算氣體的壓縮因子等Lee-Kesler方程;**AGA-8-92DC的計算方法計算天然氣壓縮因子;計算液體飽和蒸汽壓的Antoine方程和幾千組化學物的繫數;計算水和水蒸氣的IAPWSIF97計算公式等。

為保護知識產權,本手冊對引用的有關產品都提供了其來源,既便於讀者查找,也便於對有關單位表示感謝。

本手冊共分9章。第1章概述;第2章控制閥結構;第3章控制閥材料;第4章控制閥計算的理論基礎,介紹控制閥工作原理、力和力矩繫統計算、流量繫數計算、噪聲和流量特性;第5章控制閥的工程設計,著重介紹設計計算的理論基礎、設計選型和計算示例等內容;第6章控制閥性能對控制繫統的影響,從控制繫統整體出發,討論控制繫統的性能指標、控制閥性能對控制繫統的影響等;第7章閥門定位器和控制閥附件;第8章控制閥的試驗,包括主要性能試驗、型式試驗和檢驗等;第9章控制閥的安裝和維修。

本手冊是工礦企業、自控工程設計人員、科研開發單位工程技術人員工程設計和應用、安裝和維護時的重要資料,也是自動化和儀表專業、機電一體化專業學生的重要參考教材。它可作為自控設計部門技術人員的設計資料,工礦企業和控制閥制造企業工程技術人員的應用資料,也可作為工礦企業技術人員安裝和維護時的參考資料和控制閥培訓班的培訓教材。

本手冊由龔飛鷹、劉傳君、何衍慶編著。本手冊的編寫工作得到上海工業自動化儀表研究院、華東理工大學自動化所、上海交通大學電子信息與電氣工程學院、江南大學物聯網學院、上海應用技術學院、德國派沃國際工業(上海)有限公司、《自動化儀表》編輯部和《控制閥信息》編輯部等單位的關心和支持,中國自動化學會儀表與裝置專業委員會石明根秘書長在百忙中審核了本手冊,並為本手冊作序。智北超、範鎧、彭瑜、湯繼亮、朱曉楓、黃道、袁景琪、楊慧中、葉銀忠、邊玉平、紀綱、湯逢海、王樹森等先生給予大力支持和悉心指導。Fisher、無錫工裝、星域、山武、ABB、Samson、Metso、Foxboro和科洋等公司的KilmPolk、瀋偉願、郁學軍、蔣錦華、楊勇、張紅梅、戴自祥、周人、汪湛、賴思敏等先生提供了大量技術資料和技術支持。李冰、孫治祥、智恆明、智恆新、嚴春明、繆煜新、殷家雲、李素香、閻笑冰、裴智軼、陳小熔、何展敏、陳新、賈敬華、倪雁、車運慧、陳偉、吳潔、張春利、餘勇、李雄偉、石慧、柯春雷、朱傑、陳聯、龍卷海、胡雯茵、張英輝、董亮、談雪芳、陳天成、張勝利、黃雅明、屠培卿、王勇、高曉燕、徐曉敏、王大方、王為國、楊潔等先生提供了不少幫助和支持。此外,池秋英、潘洪莉、範秀蘭等先生積極支持和幫助本手冊的編寫工作,謹在此一並表示衷心感謝。

由於時間和筆者的水平所限,疏漏在所難免,懇請讀者不吝指正。

編著者