楼宇自动化系统中执行器的选择与安装

楼宇自动化系统中执行器的选择与安装

2011-5-25 23:44:53 点击量45



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标题：楼宇自动化系统中执行器的选择与安装



作者：郑



在楼宇自动化系统(BAS)中，执行器处于最后一个环节，是各种控制系统中不可缺少的一部分，它的重要性不言而喻。合理选择与正确使用执行器将对智能技术的实现起积极作用。执行器是自动控制系统的末端部件，例如，调节阀、风门、电加热器的调整装置和电磁阀等，其中调节阀是智能建筑中使用最广泛的一种执行器。在供热、通风和空调系统中使用了大量控制阀门。执行器的好坏直接影响到系统是否能正常工作。



由于执行器的原理比较简单，人们在设计中常忽视这一环节。事实上，执行器处在生产现场的环境中，长期和生产介质接触，要保证它的安全运行并非一件易事，它也是楼宇自动化系统中最薄弱的一个环节。由于设计时对执行器选择不当或运行时维护不善，常使整个自动控制系统工作不正常，或严重影响调节品质而导致整个系统失灵。在目前已竣工的智能建筑工程中，相当部分的控制系统不尽人意，虽不全是执行器引起的问题，但的确占有相当比例。因此在楼字自动化系统中必须对执行器的选择与应用给予加倍的重视，从设计阶段就应该重视执行器的选用，精心考虑应用的要求直至安装细节，注意考虑各种因素，包括人为因素，客观评价方案的先进性。造价时应力求做到技术领先、价格合理，使配置满足要求。这样做可以真正做到部件与系统的无缝连接。优化的工程设计方案是实现预期目的和效果的重要保证。



1 控制阀门的选择



在楼字系统的供热、通风和空调系统中经常采用各种控制阀门，如冷冻水、热水等的控制。控制阀门的选型主要包括阀的口径选择、型号选择、阀的流量特性选择以及阀的材质选择，包括阀体、阀芯、阀座。同时阀门的防护等级、控制信号、电源、额定功率、泄漏、最大压差和环境温度等也需考虑。



1.1 调节阀口径的选择



根据工艺参数计算调节阀的流通能力，从而确定口径大小。假设控制特性优良，则调节阀口径的选择就成了控制品质好坏的关键。有些设计人员凭经验估计阀口径大小，不加以认真计算和核对，有时难免选择不够合理。还有一种情况，就是做暖通空调的工程师把这部分工作完全委托给控制工程师做，这样也会出现一些问题，控制工程师选择调节阀时通常对控制品质考虑较多，可能导致口径偏小。实际上，由暖通工程师选择调节阀更好，因为他们更熟悉被控对象及管道特性。调节阀的流通能力、控制品质都要考虑，设计时各方要沟通、协调。多数工程中常用的原则是在满足流通能力的条件下，尽可能选口径小的阀门。



调节阀的口径主要是根据工艺要求的流通能力来确定的。调节阀的流通能力直接反映调节阀的容量，它是设计、选用调节阀的主要参数。调节阀的流量与阀芯、阀座的结构、阀前后的压差、流体的特性等因素有关。流通能力的计算是确定调节阀口径的最主要的理论依据，但其计算方法国内外目前尚未统一。我国规定的流通能力的定义为：当阀门全开时，阀两端压差为0.1Mpa、流体密度为100kS/m3时每小时流经调节阀的流量数(m3/h)，以C表示。工程计算中都通过计算流通能力来确定调节阀的口径，有的阀门制造商在用户应用手册中提供一些选择阀门口径的计算表格。在暖通空调系统中，流过调节阀的介质主要是水、蒸汽，可以在设计手册上查相关C值的计算公式。



1.2 调节阀流量特性的选择



阀门的流量特性是否恰当，直接关系到阀门工作的好坏，应根据工艺对象的特点，选择阀芯的流量特性。调节阀的流量特性是指被调介质流过阀的相对流量与阀门的相对开度之间的关系。根据阀芯的形状不同，主要分为直线、等百分比和快开三种。一般情况下，由于等百分比流量特性的调节阀能适应负荷变化较大的场合，故常优先考虑选用。



针对调节对象的特性，考虑阀门流量特性与对象的配合，对于改善整个系统的特性极为重要。对象负荷变化情况、配管情况及调节品质情况都要考虑。例如，控制热水加热器时或管道阻力较大时或系统负荷大幅度变化时，都应选百分比流量特性。如果控制的是蒸汽加热器或阀前后压差一定或负荷变化小，则应选直线流量特性。



1.3 阀体结构型号的选择



除了阀的口径需要根据应用场合计算确定外，调节阀结构型号的选择也十分重要。有不少场合，由于阀结构型号选择不当导致控制系统不能正常运行或运行失败。为此，应根据工艺状况及流体性质综合考虑，合理选择调节阀结构形式。楼字自动化系统中常用的调节阀为：直通单座阀、直通双座阀和三通阀。另外，由于套筒阀、偏心旋转阀、球阀和蝶阀的性能优良，其应用也日趋广泛。



1.3.1 直通单座阀



直通单座阀的主要特点是：平衡力大，泄漏量小，容易关断，许用压差小，流通能力小。这种阀适用于要求泄漏量小和压差较小的场合（当压差大时必须选用推力大的执行机构或配用阀门定位器）。



1.3.2 直通双座阀



直通双座阀的主要特点是：不平衡力很小，泄漏量大，许用压差大，流通能力大，适用于对泄漏量要求不严和压差较大的场合。但直通双座阀由于阀体流路复杂，故不适用于高粘度和含纤维介质的场合。



1.3.3 三通阀



三通阀按作用方式可分为合流阀和分流阀。合流阀用得最多，它是指两种流体通过混合产生第三种流体，或者两种不同温度的流体通过阀后混合成温度介于前两者之间的第三种流体。它有两个进口，一个出口。当阀芯关小一个入口的同时，就开大另一个人口。分流阀是把一种流体通过阀后变成两路，故它有一个人口和两个出口，在关小一个出口的同时，会开大另一个出口。在暖通空调系统中，三通阀一般用于热交换器的旁通调节，流体温度一般为300℃以下，两种流体温差不大于150℃。



1.3.4 蝶阀



蝶阀又叫翻板阀，其优点是流通能力大，约为同口径双座阀的1.5~2倍，价格便宜，特别是在口径较大时，它的结构简单、紧凑，安装空间很小，适用于大口径、大流量、低压差的场合。但这种阀泄漏量较大，操作转矩大，如口径较大或压差高时，需配用较大的执行机构。蝶阀特别适用于低压差、大口径、大流量的气体。目前大口径管路用的主要是蝶阀。在转角小于70°时，流量特性与等百分比特性相似。蝶阀分为常温蝶阀（-20℃~450℃）、高温蝶阀（450℃~600℃和600℃~850℃）、低温蝶阀（-40℃~-200℃）和高压蝶阀（PN≤3200kPa）四种。



1.3.5 套筒阀



套筒阀兼有单、双座阀的优点，在稳定性、寿命、装卸、维修方面又优于单、双座阀，因此它已成为调节阀的主流。其主要优点是：稳定性好、互换性和通用性强，许用压差大和热膨胀影响小，维修方便、寿命长、噪声低。



1.3.6 偏心旋转阀



偏心旋转阀又称凸轮挠曲阀，它综合了球、蝶阀的长处，适用于含固体悬浮物和高粘度的流体。其特点是流通能力较大，比同口径的单、双座阀大10%~30%，阀座密封可靠，泄漏量小于0.01%Cv。



1.3.7 球阀



球阀应用相当普遍，其主要优点是流通能力大，比普通阀高2倍以上，控制特性好，为等百分比流量特性。但大口径球阀价格贵，相比之下，蝶阀较便宜，大口径蝶阀更是如此。球阀、蝶阀都是用于开/关控制的理想设备。O型球阀的阀芯为球形，可起调节和切断作用，常用于开/关控制，故又称为开关球阀。其最大特点是流路简单，全开时形成直通道，压力损失最小，特别适用于高粘度等流体。



1.4 阀体及阀芯材料的选择



选择阀体材料时，应根据工艺介质的温度、压力、腐蚀性、气蚀、冲刷等因素考虑。铸钢阀能满足一般工业要求，应用中常采用普通不锈钢（1Crl8Ni9Ti），耐蚀要求较高时可选用钼二钛不锈钢（Crl8Nil2M02Ti），此外还可选用适用于大多数腐蚀介质的全钛材质。调节阀的使用温度范围及压力等级一般在铭牌和产品技术性能指标中有明确标注。



2 气动执行器的选择



2.1 气动执行机构的选择



在易燃易爆场合，应选用气动执行机构或防爆型电动执行机构。气动执行器是以压缩空气为能源的执行器，习惯上称气动调节阀，它一般由气动执行机构和调节机构两部分组成，有时还配有阀门定位器等附件。它的主要特点是：结构简单、动作可靠、性能稳定、故障率低、价格便宜、维修方便、防爆、容易做成大功率等。它不仅能与气动单元仪表配套使用，而且可以通过电—气转换和电—气阀门定位器控制，还能与电动单元组合仪表配套使用。与电动执行器相比，性能优越，广泛应用于楼字自动化系统中。



气动执行器分为气动执行机构和调节阀两部分，气动执行机构又有多种形式，实际应用中广泛采用的是薄膜执行机构和活塞机构。气动薄膜执行机构按动作方式可分为正作用式和反作用式。气动薄膜执行机构的行程规格有10mm、16mm、25mm、40mm、60mm、100mm等，膜的有效面积有200cm2、280cm2、400cm2、630cm2、1000cm2、1600cm2等六种规格。其中弹簧和膜片是影响执行机构线性特性的关键零件。



气动薄膜执行机构由于波纹膜片受的压力一般为20~l00kPa，但为了得到较大推力就要求使用较大的薄膜面积，使膜片盒显得很庞大，对中小口径的阀就不相称。活塞式执行机构属于一种强力气动执行机构，由于气缸允许操作压力高达0.5Mpa，且无弹簧撤消推力，因此具有很大的输出推力，特别适用于高静压、高压差、大口径的场合。它的输出特性有两位式和比例式。活塞行程一般为25~100mm，适用于位式控制。比例式指推杆的行程与输入压力信号成正比，它带有阀门定位器，特别适用于调节质量要求较高的控制系统。



气动执行器另一部分调节阀实际上是一个可变阻力的节流元件。通过阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的节流面积，从而改变了被测介质的流量。调节阀分正作用和反作用两种。注意，阀芯直径DN<25mm的结构为单导向，只能是正装。



2.2 气动执行器的气开或气关形式的选择



气开、气关的选择主要从生产安全角度考虑。当断电或意外事故引起压力信号中断时，调节阀的开、关状态应避免伤害人身和损坏设备，若阀门在此时打开，则危险小，为此，宜选气关式执行器；反之，则可选用气开式执行器。例如，锅炉汽包水位控制系统中的给水阀必须选气关式；燃气热水器系统中的燃气阀必须选气开式。



2.3 选择合适的气动执行器附件



选择合适的气动执行器附件，如阀门定位器、阀位传送器、附加自锁装置等。凡属重要的控制系统，应在执行机构上安装阀门定位器，这样可以提高调节精度。附加阀位传送器后可以根据传送器发出的数据知道调节阀的工作位置。附加自锁装置，在信号中断后可以保持调节阀的原有位置。



3 阀门的安装



安装中最常见的问题是阀门的方向不对，即调节阀的人口当出口用，出口又当人口用。一般蝶阀的结构是对称的，不分人口和出口，所以不存在装反的问题。但其它结构的调节阀，如果人口和出口装反了，则会影响阀的流量特性，引起流通能力的改变，有时还容易使盘根处泄漏。对于单座阀，如装反会使不平衡力改变方向，甚至影响阀的稳定性。在高压调节阀中，如流向选择不当，还会影响使用寿命。直通、三通阀都要考虑流向，一般厂家在阀体上都标注有指示流向的箭头标志。



安装位置考虑：调节阀应垂直、正立安装在水平管道上。安装位置的选择应便于操作和维修。另外，阀门安装前应先检查校验，确认性能合格，内部无异物，并将管道吹扫干净后再行安装。



安装电动阀时，除调节阀安装的一般要求外，还应注意以下问题：严格按电气安装有关施工要求进行，为保证安全和正常运行，使用前应对阀的基本性能进行检查。



参考文献



1Hegberg，M．C．Control valve selection for hydronicsystems．ASHEAEJoumal．November 2000

2Avery,G．Slecting Valves and Piping Coils．ASHEAEJoumal．April2000

3Honeywell楼宇自控产品应用手册，2000

4西门子楼宇产品应用手册，2002