控制阀发展及现状
姜爱华， 程鼐 ，崔舒怡
（黎明化工研究设计院有限责任公司，河南 洛阳 471000）
摘 要：随着工业自动化发展的深入加快了控制阀在工业控制各个领域的应用，本文介绍了控制阀的国内外发展过程、对我国几十年来在控制阀领域中的研究成果进行梳理，提出实际应用中存在的问题，并就控制阀的发展前景和研究方向进行展望。
关键词：控制阀；发展现状；应用中问题；展望
Control valve development and current situation
Author: Jiang -Ai Hua1, Cheng -Nai2, Cui -shu yi3
Abstract: With the development of industrial automation has accelerated the application of control valves in various fields of industrial control, This paper introduces the development history of control valve at home and abroad, the research results of our decades in the field of control valve combing, The problems existing in the practical application of the control valve, as well as the development prospect and research direction of the control valve are prospected.
Key words: control valve; Current situation of development; Problems in application; Looking forward to
0 引言
控制阀是一种应用于改变基本过程控制系统中的被控介质的性能参数包括温度、压力、流量、液位等，一般根据控制系统给出的温度、压力、流量、液位的设定值调节控制阀门的开度从而达到控制系统中的温度、压力、流量、液位等工艺参数的要求。调节阀的动力操作装置它包括阀门本体及其所连接的气动、电动、液压等执行机构，执行机构根据控制系统给出的工艺参数设定值改变阀门中流量控制元件的位置[1]。控制阀普遍应用于石油炼化、化工医药、食品加工、造纸等各个行业，在工业自动化领域中有不可替代的作用。
1 国内外控制阀的发展及现状
1.1 国外控制阀的发展及现状
早在古罗马时期人们就开始在水道上使用一种铜制的旋塞阀，整个19世纪控制阀伴随着蒸汽时代的发展而发展。1880威廉.费希尔发明了一种自力式调节阀，是目前认为最早的调节阀，是一种泵调节器，并创立费希尔控制公司用于生产这种阀门， 1907年这些调节器已经应用于美国、英国的多个电厂。 20世纪初期，调节阀以球型阀为主，1930年福克斯波罗公司的阀门产品样本中介绍了V型通道和等百分比流量特性的产品。40年代相继出现了角形调节阀适用于高压介质的调节、隔膜调节阀用于腐蚀性介质的调节和蝶阀用于大流量介质的调节等。50-60年代出现了多用于配比控制三通控制阀，随后出现了套筒调节阀适用于大压差的工况同时缓解了受力不平衡现象达到了降低工作场景噪声的目的。70年代套筒调节阀已经被广泛应用于工业控制的各个领域，80年代，日本的Cv3000系列阀门和精小型控制阀是这个时代最大的贡献，阀门整体原理构造上并没有改变，重要的改变是将执行结构由单弹簧气动薄膜执行机构换为多弹簧薄膜执行机构，它的主要优点是完成了调节阀的重量和外形高度的降低。为适应良好密封性、较低的成本、高的流通能力、较大压差场合等各种复杂工况，凸轮挠曲阀应运而生。凸轮挠曲阀包含了球阀和蝶阀的部分结构上的优点。随着工业自动化领域的发展对阀门控制精确度的要求的逐步提升和微处理器的广泛应用，进而应运而生了各种智能电气阀门定位器[2]。
1.2 国内控制阀的发展历史
我国调节阀制造业开始的比较较晚，60年代国内开始对各种类型阀门的仿造，然后通过标准化统一而形成了我国的一整个系列的阀门型号。仿制初期由于我国工业基础薄弱机械加工制造误差难以保持，存在着严重的阀门泄漏量过大，内漏严重，但是仍然可以满足当时的工业控制精度要求。随着自动化水平的提高、工业生产装置的大型化工业过程控制的精度要求也越来越高。我国也开始引进大型石油炼化装置的同时引进了一些调节阀例如平衡笼式套筒阀、凸轮挠曲阀阀等。随着引进技术的开始我国的调节阀研发和制造也开启了一个新的篇章。上世纪的70年代末，我国开始生产自己的凸轮闹区阀等产品。80年代跟随者改革开放的步伐，一些调节阀厂家开始了一些国外知名阀门厂家的技术合作阶段，开始了我国的中外合资阀门制造时代，这个阶段的开始是我国的调节阀从产品类别、质量、稳定性等方面都有的大幅度提高。例如不同类别的套筒阀门、凸轮挠曲阀、小口径单座调节阀等。随着阀门应用领域的拓展对执行机构的要求也越来越多，先后开发出了各种电液执行机构、气缸执行结构、长行程执行机构等以满足力矩大、行程长等特殊工况要求。90年，调节阀制造厂商在引进和吸收国外技术的基础上也有了自己的一些创新，合资阀门出现了突飞猛进的发展，也在我国控制领域一些困难问题上做出了自己的贡献，满足了国内多种工况对控制阀的要求。在21世纪初，阀门的附件产品也有了很大的发展，很多阀门从传统的电气阀门定位器更改为只能阀门定位器，并在国内的一些新建装置上开始应用，只能阀门定位器的应用很好的改善了阀门的控制参数，国内一些厂商也开始研制有关产品[3]。
2 调节阀应用中的一些问题
2.1调节阀的发展历程
追溯调节阀的发展历程，不难发现调节阀制造工业的发展就是一个不断的解决掉主要问题的过程，大概调节阀制造工业的主要解决问题步骤如下：
1、随着工业装置规模的扩大，调节阀出现了前后压差大，流通系数增加大等问题。针对压差过大的不平衡力，导致阀门振动严重、使用寿命缩短、阀门噪声急剧增大、内漏问题更突出等：普通的单座阀阀芯阀座的不平衡力增大明显，不能满足阀前后压差不断增高的稳定控制需求，进而应运而生了平衡笼阀芯的套筒阀；因为阀门口径的增大，阀前后压差的增大等等调节阀的噪声已经成为工业噪声污染的一个重原因，为了解决这个问题不同的阀门制造厂商制造了除了很多阀门降噪的阀内组件如改进阀门内部流路、迷宫式减压阀芯等；为了适应工业控制领域的一些高温、低温、严禁泄露等特殊工况、阀门在细分种类中又增加了高温、低温的伸长型阀盖、适用于防泄漏工况的波纹管密封的阀盖以及管夹阀等特殊种类。
2、调节阀制造工业的发展是一个不断提高产品质量、节约能源消耗、产品种类更加细分的过程
从阀门本体结构上可以分为单座阀、双座阀、夹套阀、球阀、分流/合流三通阀、套筒阀、管夹阀、隔膜阀、迷宫式阀门、凸轮挠曲阀、滑板阀、盘阀、蝶阀等；从执行结构可分为执行机构有气动多弹簧薄膜执行机构、气动活塞执行机构、自力式、电动执行机构、电液执行机构、齿轮齿条执行机构等；阀门定位器从最初的气动阀门定位器到电气阀门定位器、智能电气阀门定位器等。
3、调节阀随之制造业的发展而发展，调节阀在工业控制领域应用更加方便、稳定。调节阀的选型计算更加符合实际流通情况；调节阀的阀内流路、
阀芯阀座材质、阀内各组件的配合误差等越来越方便维护和组装从而使其在工业领域的越来越广泛可靠地应用。
2.2 调节阀目前应用中的问题与挑战
1、调节阀产品种类繁多，规格各异。调节阀就其应用场合来讲存在不同的过程温度、前后压差、阀阻比、流通系数、口径、腐蚀特性等，因而需要不同种类、规格的产品以适应上述工况。目前调节阀均为订制品，进而造成调节阀型号不通用、供货周期较长、调节阀外形尺寸差别巨大且前期无法提供精确尺寸、安装空间各异、因为订制品每台阀门均有自己的维护特性从而造成日常维护复杂、管理不便等问题。
2、调节阀的稳定性不统一。调节阀因为局部截流所以呈现调节阀局部流体形态特殊，甚至引起阀门振动等。调节阀投入使用一段时间后特性曲线将发生很大的变化，即便完全相同的温度、压力、压差等工况也会存在因为安装、使用情况的不同而存在很大差异，常常出现泄漏量增大、噪声变大、特性曲线变化等，给长期保持初始的投用性能带来了很大的困难[4]。调节阀阀内组件长期在系统内被被控介质冲刷，从而使原有的机械性能变化，阀门的特性曲线也一直处于变化中，上述种种原因造成调节阀的调节性一直处于变化中，所以对稳定的工艺应用带来了困难。
3、随着工业规模的扩大，大尺寸调节阀也越来越多，大尺寸调节阀往往因为需要更大的执行力所以随之也带来更大的执行结构，导致整体调节阀的重量越来越大，给安装维护、运输库存等带来不便。通常调节阀重量是一般仪表的几倍甚至上百倍，如DN250的调节阀可重达500kg左右，安装维护、运输库存都需要机械设备才能完成，因而调节阀的应用、检维修等因为重量的问题而增加了困难。
4、调节阀控制过程中控制回路控制特性变差。调节阀固有流量特性即阀门本身阀芯流路等在恒定压降下，阀门固定行程与通过阀门的流量系数之间的关系，出厂时已经确定，安装流量特性是在压力降不是恒定的系统操作条件下的实际行程与流量的关系，并且每一个具体的安装系统都会呈现阀门处流体的唯一特性，因为也就容易出现阀门固有的流量特性与被控工程参数特性的不匹配情况，并导致调节阀的控制回路控制品质变差[5]。
5、调节阀已经成为目前工业装置中一个重要的噪声污染源头。降低调节阀噪声已经成为调节阀的一个重要的研究课题[6]，以此满足职业卫生和环保的要求。
6、调节阀能耗较高，系统中的流体流经调节阀必然会有能量损失，这也是调节阀的工作原理。
调节阀随着投用使用的时间的延长，自身泄漏量一直在增加而存在阀门内漏现象，类似于阀门不能拿完全关闭，泄漏引发阀前压力下降从而造成压力损失。工业场所普遍采用气动执行结构，气动执行机构要始终保持一定的压力才能动作，这样就增加了一部分仪表气的能耗。因为这样的消耗就增加了装置生产产品的成本，同时也浪费能源，如何能降低产品的成本，提高能源的利用率也是一个重要问题。
3 小结与展望
总结当下调节阀应用于工业控制领域当中的问题，调节阀将向着智能化、标准化、旋转化、精小化、节能化的方向发展。
3.1 智能化和标准化。目前阀门的智能化，主要体现在只能阀门定位器的应用，通过只能阀门定位器实现自诊断、运行状态的远程通信等功能，常规的阀门故障都能通过自诊断而发现降低了对仪表维护人员的要求，同时也方便仪表设备的管理。智能阀门定位器具有改善调节阀控制精度的作用。目前阀门广泛使用的HART通讯协议使现场仪表维护人员更方便的查看更改阀门参数。在HART等通讯写的应用的基础上一些阀门实现了阀门定位器的开度控制信号和阀位反馈信号、PID控制功能等结合，使控制这部分在仪表现场侧实现达到了危险的分散，不讲危险集中于机柜间削弱了机柜间出现危险对整个装置的影响，同时控制方面由于减少的传输过程使控制更加及时、快速。标准化体现在减少产品品种、缩短阀门的供货周期。只能阀门定位器的应用可以在阀门自身流量特性发生变化时候通过定位器方便的去调节，从而提高阀门控制回路的控制精度。因此，对调节阀流量特性的要求可趋于标准化，同样尺寸和规格的调节阀（即便生产与不同的厂家）通过智能模块的流量特性与控制特性的匹配，通过调节阀门定位器而实现阀门互换。通过统一的通讯协议基础等规定达到不同的阀门生产厂家的不同产品能够和其它制造商的产品协同工作。自诊断软件和其它辅助软件的标准化，使的不同制造厂商生产的调节阀可以通过一样的软件实现运行状态的诊断，运行数据的分析等[7]。标准化的选型程序。采用标准化的计算程序步骤通过工艺数据的输入例如阀前后压力、最大流量、温度、管道直径、介质、黏度等参数只要输入参数是一样的将输出同样的合适的阀体、阀芯、阀内件、填料等，达到了设计过程的标准化统一化，有利于将设计质量控制在高水平。标准化同样体现在未来阀门有可能按照模块化的设计思路，可以通过不同的标准配件的组合而达到组装成所要求的流通能力的控制阀门，从而实现了阀门缩短订货周期、统一外型尺寸、方便后期维护检修等。
3.2 旋转化和精小化，旋转化由于旋转类调节阀，采用精小型执行机构。通过基础材料学的发展和基础制造业的发展，使得各种新的材料层出不穷，通过采用满足刚度、韧性、腐蚀性等行的新材料的应用达到大大降低阀门本体重量的目的。各种新的执行机构的应用达到减轻重量和降低外型尺寸的要求如多弹簧播磨执行结构的应用在降低重量减小尺寸的同时提高了流通能力。改变阀门结构、改变流体流路的设计如：将阀门由直行程改为角行程等使阀门缩小体积、减小重量、增大流通能力例如蝶阀、偏心旋转阀等，如近些年出现的双偏心蝶阀、三偏心蝶阀通过结构的改变优化阀门受力情况从而在既有相对体积较小、流路阻力较小、可调比较大的基础上实现了长期运行密封性、运行的稳定性的较大提升。正因为旋转类阀门有着上述优点，在大口径管道工业控制方面的应用比例逐年升高。
3.3 节能化，调节阀的能耗问题随着装置规模的增大和资源的日益紧张而凸显，调节阀工作原理通过消耗能量而实现控制，能量消耗的副产物是噪声和振动同时带来了环境和安全问题，人们也尝试了一些方法，如变频泵替代调节阀，但由于转速的变化同样影响扬程在流程工业中其可调比范围就因此受到了限制，目前阀门本身的节能化探索主要有一下几个方面的研究：1、通过调整阀门内部组件的结构，使流体经过阀门时候阻抗较小，并操持在较小压差的情况下实现调节阀目的，从而减小能耗。2、提高阀门密封性，采用迷宫式密封面、更换阀座填料材质等达到提高密封型的目的。3、通过平衡结构阀芯的应用，达到减小执行结构力矩的需求，进而缩小膜头或气缸的气室，减小能源消耗4、一些地方通过使用电动执行结构以达到既能的目的。5、自力式调节阀的应用。例如，对于干净的工艺介质的调节作用直接采用阀后介质的压力作为阀门动作的动力源组成自力式控制系统，实现阀后压力控制。节能化仍然是流程工业控制中的一个总要的研究方向。
调节阀与工业生产过程控制的发展同步进行，相信在不远的将来调节阀作为控制的一个重要部分也会功能越来越成熟，应用维护越来越便捷。
参考文献：
[1] Wing.P.,“What Is a Control Valve ?”Instruments and Control Systems,November 1978.
[2] MULLER M.Modeling,Design and control of forced-feedback metering poppet valve system[D].Columbia:University of Missouri-Columbia,2006.
[3] JIAHAI H,XIAONA W,HAO W,et al.Performance of a flow control valve with digital flow compensator[J].Flow Measurement and Instrumentation,2019.
[4] 戴连奎，张建明，谢磊.过程控制工程.第4版.北京：化学工业出版社，2020.
[5] 张玉润。低压降比调节阀与节能[M].北京：化学工业出版社，1994.
[5] 谢玉东.基于参数化定义的调节阀阀芯优化设计与阀腔形态特性研究.济南.山东大学，2022.
[7] 蒿纪星. 气动薄膜式调节阀的智能故障诊断方法及实验验证.徐州市.中国矿业大学，2019.
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