控制閥流量特性解析

1、控制閥流量特性解析控制閥的流量特性是控制閥重要技術指標之一，流量特性的偏差大小直接影響自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用單位希望所選用的控制閥具有標準的固有流量特性，而控制閥生產企業(yè)要想制造出完全符合標準的固有流量特性控制閥是非常困難的，因直線流量特性相對簡單，且應用較少，所以本文重點對等百分比流量特性進行討論。控制閥的流量特性是指介質流過閥門的相對流量與相對行程之間的關系，數學表達式為Q/Qmax = f(l/L),式中:Q/Qmax相對流量。指控制閥在某一開度時的流量Q與全開流量Qmax之比；l/L相對行程。指控制閥在某一開度時的閥芯行程l與全開行程L之比一般來講，改變控制閥的流通面積便可以控制流

2、量。但實際上由于多種因素的影響，在節(jié)流面積發(fā)生變化的同時，還會產生閥前、閥后壓力的變化，而壓差的變化又將引起流量的變化，為了便于分析，先假定閥前、閥后壓差不變，此時的流量特性稱為理想流量特性。理想流量特性主要有等百分比（也稱對數）、直線兩種常用特性，理想等百分比流量特性定義為：相對行程的等值增量產生相對流量系數的等百分比增加的流量特性，數學表達式為Q/Qmax = R(l/L-1)。理想直線流量特性定義為：相對行程的等值增量產生相對流量系數的等值增量的流量特性，數學表達式為Q/Qmax=1/R1+（R-1）l/L式中R固有可調比，定義為在規(guī)定偏差內的最大流量系數與最小流量系數之比。常見的控制閥

3、固有可調比有30、50兩種。當可調比R=30和R=50時，直線、等百分比的流量特性在相對行程10%100%時各流量值見表一表一可調比R相對行程%10203040506070809010030等百分比4.686.589.251318.325.73650.671.2100502.964.376.479.5614.120.930.945.767.610030直線1322.732.44251.761.37180.690.31005011.821.631.441.25160.870.680.490.2100由上表可以看出，直線流量特性在小開度時，流量相對變化大，調節(jié)作用強，容易產生超調，可引起震蕩，在大

4、開度時調節(jié)作用弱，及時性差。而等百分比流量特性小開度時流量小，流量變化也小，在大開度時流量大，流量變化也大，調節(jié)作用靈敏有效。由于上述原因，在實際工況中多數場合優(yōu)選等百分比流量特性。GB/T4213-2008氣動調節(jié)閥標準5.11.2條規(guī)定，等百分比流量特性的斜率偏差：在相對行程h=0.10.9之間，任意相鄰流量系數測量值的十進對數（lg）差值應符合表二規(guī)定。表二可調比RlgKvn lgKvn-1h=0.20.8h0.8斜率偏差30%斜率偏差+80% -30%斜率偏差30% -80%300.190.100.260.100.190.03500.220.120.300.120.220.03由表二可

5、以看出當相對行程h0.8不在遵守斜率偏差必須在30%范圍內，而是擴大到了當相對行程h0.8時，斜率偏差可達，這樣在不影響自動控制系統(tǒng)調節(jié)功能的前提下，為控制閥生產制造單位的設計制造提供了方便。天津精通控制儀表技術有限公司的前身是天津市自動化儀表四廠，在1985年將原JB17901795-76氣動薄膜調節(jié)閥標準中的流量特性偏差“單、雙座閥實際流量特性與理論流量特性之間偏差應不超過10%，（按1976年氣動薄膜調節(jié)閥標準執(zhí)行時會出現當相對行程增加10%時，相對流量不增加也定為合格產品的現象）改為流量特性嚴格按照斜率偏差30%的要求執(zhí)行，歷時兩年多的閥芯修正也只能保證理想直線特性各點合格率為98%,

6、理想等百分比特性各點合格率在90%左右。GB/T4213-2008氣動調節(jié)閥引用了GB/T 17213工業(yè)過程控制閥部分內容，GB/T 17213工業(yè)過程控制閥又全部引用了IEC60534工業(yè)過程控制閥的內容，也就是說我們控制閥行業(yè)執(zhí)行的GB/T4213-2008氣動調節(jié)閥就是在執(zhí)行IEC60534工業(yè)過程控制閥的部分內容?？刂崎y生產企業(yè)凡真正具有流量試驗室并進行流量試驗的單位都知道，理想等百分比流量控制閥達到斜率偏差30%是非常困難的，特別是當相對行程h0.8時，幾乎是不可能的，所以IEC60534工業(yè)過程控制閥對相對行程h0.8進行了放寬偏差處理，當相對行程h0.8時允許相對流量適當減小。

7、為了檢測方便，GB/T4213-2008氣動調節(jié)閥標準中將原斜率偏差換算成了對數數值lgKvn lgKvn-1，具體數字轉換見表三：表三相對行程%102030405060708090100流量系數Kv2.964.376.469.5614.1220.930.945.767.6100lgKv0.470.640.810.981.151.321.491.661.832標準lgKvn-lgKvn-10.170.170.170.170.170.170.170.170.17斜率偏差+80%-30%30%+30%-80%實際lgKvn-lgKvn-10.300.120.220.120.220.03美國艾默生過

8、程管理公司的Fisher公司就充分利用了IEC60534工業(yè)過程控制閥標準中關于固有流量特性的基本要求，也可以說IEC60534工業(yè)過程控制閥標準是以Fisher公司產品為基型編制而成的。下面我們以Fisher公司生產的DN100 ET型籠式閥為例，看一下Fisher公司是如何利用IEC60534工業(yè)過程控制閥標準的。實際流量系數具體數值見表四表四相對行程%102030405060708090100理論流量系數Cv6.639.814.521.431.646.869.2102.4151.4224實際流量系數Cv5.8511.618.330.249.779.7125171205224lgKvn l

9、gKvn-10.2930.20.220.220.200.200.130.080.04Fisher公司DN100 ET籠式閥等百分比流量系數與標準等百分比流量系數對比，見圖一相對流量相對行程圖一我們根據Fisher產品選型軟件上發(fā)布的相對行程與相對流量數值，計算ET、EZ兩大系列十多種控制閥的曲線，也基本遵守這個原則。所以各控制閥生產企業(yè)不要刻意追求理想等百分比流量特性各點均符合斜率偏差30%，而應在不影響用戶使用前提下，充分利用標準規(guī)定的相對行程h0.8斜率偏差的要求，可使設計和生產制造過程大大簡化。目前，國內各大、中型項目的采購普遍采取招標的方式進行。在招投標過程中技術分又占有絕對比重，各控

10、制閥生產廠經常遇到設計單位、使用單位與生產制造單位核對控制閥開度情況，核對過程都是按照標準理想流量特性核對的。由于各個控制閥生產制造企業(yè)所生產的控制閥的實際流量特性曲線非常不一致，與理想流量特性相差甚遠。還以Fisher公司生產的DN100 ET型籠式閥為例，在相對流量為100、125、150時，相對行程都有15%左右的誤差（見圖一）。因此核對控制閥開度即不科學又無任何實質意義。設計、使用單位要想得到實際控制閥開度，就要根據控制閥生產企業(yè)實際流量特性曲線進行核對?？刂崎y的合理選用是一門綜合性科學；需要控制閥設計單位、使用單位和生產企業(yè)邊學習、邊實踐以達到滿意的使用效果。流量系數計算公式匯總表流

11、體判別條件計算公式符號及單位液體一般QL-液體體積流量，m3/hQg氣體標準狀態(tài)體積流量，Nm3/hWL-液體質量流量，kg/hWs-蒸汽質量流量，kg/hWg-氣體質量流量，kg/hp1-閥前絕對壓力，kPap2-閥后絕對壓力，kPap-閥前后壓差，kPapv-飽和蒸汽壓，kPaL-液體密度，g/cm3g-氣體密度（1、T1條件下）N-氣體標準狀態(tài)密度，kg/Nm31-蒸汽閥前密度kg/m3e-兩相流的有效密度kg/m3m-兩相流的入口密度kg/m3Z-壓縮系數y-膨脹系數 X-壓差比 X=p/p1XT-臨界壓差比FL-壓力恢復系數FK-比熱比系數 FK=k/1.4k-氣體絕熱指數（對空氣k

12、=1.4）FF-臨界壓力比系數閃蒸及空化氣體蒸汽兩相流液體與非液化氣體液體與蒸汽氣液兩相流流量系數的計算流量系數Kv是指溫度為540溫度范圍內的水在105Pa（1 bar）壓降下，在規(guī)定行程下每小時內流過閥的立方米數?，F在也有很多廠家習慣使用Cv值表示，流量系數Cv是指用40100F的水，保持閥門兩端壓差為1psi情況下,閥全開狀態(tài)下每分鐘通過閥的美加侖數。 Cv與Kv的換算公式為： Cv=1.156 Kv。在對控制閥進行選型時，最關鍵的是根據所給工況條件正確計算流量系數，根據計算的流量系數合理選用閥門口徑.介質為單純液體、氣體、蒸汽時都有正確的計算公式，在這里就不再敘述了，計算時只要區(qū)分是否

13、為阻塞流的情況，按照公式很容易計算。當介質為氣液兩相流時，各個控制閥制造廠家也有不同的計算方法，過去一般都采用分別計算液體和氣體（蒸汽）的Kv值，然后相加作為閥門總的流量系數值，這種分別計算液體及氣體的流量系數，然后相加的方法是基于兩種流體單獨流動的觀點，沒有考慮到他們的相互影響。實際上，當氣相大大多于液相時，液相成為霧狀，具有近似于氣相的性質；當液相大大多于氣相時，氣相成為氣泡夾雜在液相中間，這時具有液相性質，此時用上述方法計算誤差就很大，前者偏大而后者偏小。因此對兩相流介質進行流量系數計算時必須要考慮到兩相流動互相影響，找出更準確有效的計算方法，本文現介紹兩種不同的兩相流流量系數的計算方法

14、即有效密度法和修正系數法。一、 有效密度法目前國內大部分廠家都采用這種方法。計算前提是：氣、液兩相介質必須均勻混合，而且其中每一單相流體均未達到阻塞流條件，判決條件如下： 液體PFL2(P1-FFPv)，氣體X FkXT，P1 閥前壓力kPaA P 閥前后壓差 kPa X 壓差比 P/P1 FL 無附接管件控制閥的液體壓力恢復系數，無量綱（見表1）XT阻塞流條件下無附接管件控制閥的壓差比系數，無量綱（見表1） Fk 比熱比系數，Fk=k/1.4 (k是氣體的絕熱指數) FF臨界壓力比系數 FF=0.96-0.28PvPcP v液體的飽和蒸汽壓力kPaA Pc液體的臨界壓力kPaA表1 壓力恢復

15、系數FL和臨界壓差比XT閥的類型閥內件流動方向FLXT單座閥柱塞型流開/流關0.9/0.80.72/0.55窗口型任意0.90.75套筒型流開/流關0.9/0.80.75/0.7雙座閥柱塞型任意0.850.7窗口型任意0.90.75角形閥柱塞型流開/流關0.9/0.80.72/0.65套筒型流開/流關0.85/0.80.65/0.6球閥0型球閥任意0.550.15V型球閥任意0.60.25偏心旋轉閥偏心球塞流開/流關0.85/0.680.6/0.4蝶閥(中心式)60全開任意0.700.4290全開任意0.600.20注：上表所列數值為典型值，實際數值以制造商提供為準。符合以上條件后，兩相流流體

16、流量系數計算公式如下：（1） 液體與非液化性氣體KV=Wg+WL3.16P e式中e為兩相流密度：e=Wg+WLWggy2+WL103l或e=Wg+WLWgT12.64y2P1NZ+WL103l 式中 y 膨脹系數，y = 1- X3FKXT Wg 氣體質量流量kg/hWL 液體質量流量kg/h g 氣體操作密度kg/m3 T1 入口絕對溫度，K Z 壓縮系數 N 標準狀態(tài)下氣體密度kg/N.m3 l 液體密度g/cm3 注：當氣體所給流量單位是Nm3/h時，可用下式進行換算kg/h = Nm3/h1.292 氣體比重（2） 液體與蒸汽當蒸汽占絕大部分的兩相混合流體用液體與非液化性氣體所給公式

17、進行計算。對液體占絕大部分的兩相混合流體，計算公式為：KV=Wg+WL3.16FLP1 m(1-FF)式中m為兩相流密度：m=Wg+WLWgg+WL103l或m=Wg+WLWgT12.64P1N+WL103l例1，在兩相流介質中，流體是空氣和水的混合流體，P1=1100kPaA, P=300kPa,T1 =353K,水質量流量=20000kg/h,空氣質量流量=240 kg/h，空氣密度為1.293kg/Nm3,水的密度為0.972g/cm3。查關資料的壓縮系數Z為1.01選用氣動薄膜單座閥FL=0.9，XT=0.72,PC=22120kPa,PV=47.36 kPa（1）首先判別液體或氣體是

18、否有阻塞流，對液體，PT=FL2(P1-FFPv)=0.92（1100-0.94747.36）= 854.67 kPa式中，PT 無阻塞流時最大允許壓差，kPaFF=0.96-0.28PvPc =0.96-0.2847. = 0.947由于P=300kPaPT，所以不產生阻塞流。對氣體，X=P/P1=300/1100=0.27FkXT=10.72=0.72(其中空氣K=1.4，Fk=k/1.4=1)所以空氣也不產生阻塞流。（2）計算流量系數膨脹系數：y=1-X3FKXT=1-0.2730.720.875有效密度：e=Wg+WLWgT12.64y2P1NZ+WL103l=240+3532.640

19、.875211001.2931.01+0.972 = 406.8把膨脹系數y和有效密度e帶入KV計算值 KV=Wg+WL3.16P e = 240+.16300 406.8=18.33如果采用分別計算液體和氣體的流量系數，然后相加可得：經計算，液體KV= 11.85 氣體KV=1.39(計算過程略)總KV=11.85+1.39=13.24用此方法和有效密度的計算方法相比，計算結果相差27.8%。例2，在兩相流介質中，流體是蒸氣和水的混合流體，P1=800kPaA, P=80kPa,T1=438K,水質量流量4000kg/h,蒸氣質量流量2000 kg/h，蒸氣密度為4.085kg/m3,水的密

20、度為0.907g/cm3。選用氣動薄膜單座閥FL=0.9，XT=0.72,PC=22120kPa,PV=700.77 kPa（1）首先判別液體或蒸汽是否有阻塞流，對液體，PT=FL2(P1-FFPv)=0.92（800-0.91700.77）=131.5kPa式中，PT 無阻塞流時最大允許壓差，kPaFF=0.96-0.28PvPc =0.96-0.28700. = 0.91由于P=80kPaPT，所以不產生阻塞流。對蒸汽，X=P/P1=80/800=0.1FkXT=10.72=0.72所以蒸汽也不產生阻塞流。（2）計算流量系數有效密度m：m=Wg+WLWgg+WL103l=2000+.085

21、+0.907 = 12.14把有效密度m帶入計算KV值KV=Wg+WL3.16FLP1 m(1-FF) =2000+40003.160.9800 12.14(1-0.91) = 71.36如果采用分別計算液體和蒸氣的流量系數，然后相加可得：液體KV= 4.7 蒸汽KV=37.33 （計算過程略）總KV=4.7+37.33=42.03用此方法和有效密度的計算方法相比，計算結果相差69.8%二、修正系數法現Fisher公司采用這種計算方法具體方法是按照單一狀態(tài)分別計算氣體（蒸汽）和液體的CV值，然后通過氣體容積率Vr與Fm曲線（見圖1），找出修正系數Fm數值，再按照公式1進行計算。1）兩相混合流體

22、的流量系數計算公式為：Cvr=( Cvl+ Cvg) (1+Fm) （公式1）2）液體和氣體混合的平均容積計算公式為：Vr = VgVl+Vg= Qg284Q1P1T1+Qg3)液體和蒸汽混合的平均容積計算公式為：Vr=VgVg+Vl(1-XX)式中 Cvr 兩相混合流體的CV值 Cvl 液體部分的CV值Cvg 氣體部分的CV值FmCV值修正系數P1 閥前壓力psiaT1 入口溫度R（R蘭金溫標度= F+460） Qg標準氣體流量 立方英尺/小時（SCFH） Ql液體流量 美加侖/分鐘（gpm）Vr 氣體容積率 Vg 氣體流量 立方英尺/秒 (ft3/S) Vl液體流量 立方英尺/秒 (ft3

23、/S)X蒸汽質量與兩相流整體質量的比值4）如果壓差比（P/P1 ）超過了圖2所要求的范圍，那么就很可能是其中的液體產生了阻塞流，因此必須對液體阻塞流進行判斷，并相應計算Cv值。判別公式為PT=FL2(P1-FFPv)Fm氣體容積率Vr 圖1 Fm與Vr關系曲線圖P/P1C1圖2 C1與（P/P1）曲線圖注：圖2中C1=39.76XT例3，在兩相流介質中，流體是空氣和水的混合流體，P1 =1100kPaA=159.5psia, P=300kPa=43.5psi,T1 =353K=636R,水質量流量=20000kg/h=88.18gpm,空氣質量流量=240 kg/h=6922.07 scfh.

24、選用氣動薄膜單座閥FL=0.9，XT=0.72, PC =22120kPaA ,PV =47.36kPaA(1)首先判斷是否存在阻塞流，P/P1=43.5/159.5=0.27C1=39.76XT =39.760.72 =33.737由圖2曲線可以看C1=33.737時，P/P1為0.52，由于P/P1=0.270.52,因此無阻塞流產生。(2)計算液體和氣體混合的平均容積：Vr = VgVl+Vg= Qg284Q1P1T1+Qg= 6922.0728488.18159.5636+6922.07 =0.524由圖1曲線可以得出當Vr =0.524時Fm=0.48(3)分別計算單獨流動情況下的CV值經計算，液體Cvl=13.7 氣體 Cvg =1.61（計算過程略）總Cvr Cvr=( Cvl+ Cvg) 1+Fm= (13.7+1.61) 1.48=22.66(KV=19.6)這樣分別計算液體和氣體的流量系數并相加的總CV =15.31與修正系數法計算的CV相差48%。例4，在兩相流介質中，流體是蒸氣