調(diào)節(jié)閥流量特性分析及其應(yīng)用選擇

1、調(diào)節(jié)閥流量特性分析及應(yīng)用選擇1 概述在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是其常用的執(zhí)行器?？刂七^程是否平穩(wěn)取決于調(diào)節(jié)閥能否準(zhǔn)確動(dòng)作， 使過程控制體現(xiàn)為物料能量和流量的精確變化。所以，要根據(jù)不同的需要選擇不同的調(diào)節(jié)閥。選擇恰當(dāng) 的調(diào)節(jié)閥是管路設(shè)計(jì)的主要問題，也是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。2 調(diào)節(jié)閥的組成調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成， 接受調(diào)節(jié)器或計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)， 用來改變被控介質(zhì)的流量， 使被調(diào)參數(shù)維持在所要求的范圍內(nèi)，從而達(dá)到過程控制的自動(dòng)化。2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照驅(qū)動(dòng)形式分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)3 種。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，價(jià)格低，維護(hù)方便，防火防爆等優(yōu)點(diǎn)，在許多控

2、制系統(tǒng)中獲得了廣泛地應(yīng)用。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)雖 然不利于防火防爆，但其驅(qū)動(dòng)電源方便可取，且信號(hào)傳輸速度快，便于遠(yuǎn)距離傳輸，體積小，動(dòng)作可靠， 維修方便，價(jià)格便宜。液動(dòng)執(zhí)行器的推力最大，調(diào)節(jié)精度高，動(dòng)作速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，但由于設(shè)備體積 大，工藝復(fù)雜，所以目前使用不多。執(zhí)行機(jī)構(gòu)不論是何種類型， 其輸出力都是用于克服負(fù)荷的有效力 （主要是指不平衡力和不平衡力 矩、摩擦力、密封力及重力等有關(guān)力的作用）。因此，為了使調(diào)節(jié)閥正常工作，配用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能產(chǎn) 生足夠的輸出力來克服各種阻力，保證高度密封和閥門的開啟。對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力確定后。應(yīng)根據(jù)工藝 使用環(huán)境要求，選擇相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)有防爆要求時(shí)，應(yīng)選

3、用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，且接線盒 為防爆型。如果沒有防爆要求，則氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都可選用，但從節(jié)能方面考慮，應(yīng)盡量選用電動(dòng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)于要求調(diào)節(jié)精度高，動(dòng)作速度快和運(yùn)行平穩(wěn)的工況，應(yīng)選用液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。綜合各類執(zhí)行器的特點(diǎn)，自動(dòng)控制系統(tǒng)普遍采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的ZAZ直行程類及ZAJ角行程類，3610L（ R）型電子式及 SKD型多轉(zhuǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)盡管在結(jié)構(gòu)上 不完全相同，但基本結(jié)構(gòu)都包括放大器、可逆電機(jī)、減速裝置、推力機(jī)構(gòu)、機(jī)械限位組件、彈性聯(lián)軸器 和位置反饋等部件（圖 1）。SI1電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方框圖電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般需要與伺服放大器配套，接受調(diào)節(jié)器的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過

4、伺服放大器放大后轉(zhuǎn)換為三位繼電信號(hào)，控制可逆電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使閥開啟或關(guān)閉。22調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥門是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，它根據(jù)控制信號(hào)的要求而改變閥門開度的大小來調(diào)節(jié)流量，是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。調(diào)節(jié)閥門主要由上下閥蓋、閥體、閥瓣、閥座、填料及壓板等部件組 成。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，閥門主要的調(diào)節(jié)介質(zhì)為水和蒸汽等。在壓力比較低，使用情況單一的情況下， 常用的調(diào)節(jié)閥有直通調(diào)節(jié)閥、三通調(diào)節(jié)閥和蝶閥等。直通閥有直通單座閥和雙座閥之分。單座閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，關(guān)閉時(shí)泄漏量小，但由于閥座 前后存在的壓差對(duì)閥瓣產(chǎn)生的不平衡力較大，所以適用于低壓差的場(chǎng)合，例如供水管或回水管中。雙座 閥有兩

5、個(gè)閥瓣閥座，在其關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)閥瓣的受力可部分抵消，閥瓣所受的不平衡力小，但是由于 熱脹冷縮效應(yīng)，其同時(shí)關(guān)閉性較差，造價(jià)也較高，只適用于閥前后壓差較高但密閉要求不高的場(chǎng)合，例 如供水或回水之間的壓差旁通閥。三通閥有三個(gè)出入口與管道相連，總進(jìn)水量較恒定，適用于定水量系統(tǒng)中，并要求有固定的安裝 方向，不宜反裝，不適于溫差較大場(chǎng)合。三通調(diào)節(jié)閥有合流閥與分流閥之分。合流閥是將來自兩個(gè)入口 的流體混合至一個(gè)出口。分流閥則是將一個(gè)入口的流體分別由兩個(gè)口送出。蝶閥結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，由閥體、蝶板軸及軸封等部分組成， 其行程為0° 90°。蝶閥有兩位式控制和 比例控制2種方式。蝶閥的特點(diǎn)是阻力損

6、失小，體積小，質(zhì)量輕，安裝方便，并且開啟閥門和關(guān)閉閥門 的允許壓差較大，但其調(diào)節(jié)性能和關(guān)閥密閉性能較差，通常用于壓差較大但調(diào)節(jié)性能要求不高的場(chǎng)所。 除用作兩通閥外，還可以用兩個(gè)蝶閥組合，完成三通閥的功能。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，開/關(guān)型電動(dòng)蝶閥常用于冷水和熱水系統(tǒng)中，作為水路的連通和關(guān)斷控制。3性能3.1工作原理根據(jù)流體力學(xué)可知，調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對(duì)不可壓縮流體，調(diào)節(jié)閥的流 量可表示為(1)式中：Q -調(diào)節(jié)閥某一開度的流量，mAisPi-調(diào)節(jié)閥進(jìn)口壓力， MPa P2-調(diào)節(jié)閥出口壓力， MPa2 A-節(jié)流截面積，mmE -調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù) P -流體密度，kg/mm3由式（1）可

7、知，當(dāng)A一定， P=R-P2也恒定時(shí)，通過閥的流量 Q隨阻力系數(shù)E變化，即阻力系 數(shù)E愈大，流量愈小。而阻力系數(shù)E則與閥的結(jié)構(gòu)和開度有關(guān)。所以調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)控制閥門的開或關(guān)，可改變閥的阻力系數(shù)，從而改變被調(diào)介質(zhì)的流量。3.2流量特性調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開度之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（2）式中：QaL 調(diào)節(jié)閥全開時(shí)流量，mrl/sL-調(diào)節(jié)閥某一開度的行程，mmL max-調(diào)節(jié)閥全開時(shí)行程，mm調(diào)節(jié)閥的流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指在調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓差固定不變情況下的流量特性，有直線、等百分比、拋物線及快開4種特性（表1 ）。表1調(diào)

8、節(jié)閥4種理想流量特性流量特性性質(zhì)特點(diǎn)直線調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開度呈直線 關(guān)系，即單位相對(duì)行程變化引起的相對(duì)流量變化 是一個(gè)常數(shù) 小開度時(shí)，流量變化大，而大開度時(shí)流量變化小 小負(fù)荷時(shí)，調(diào)節(jié)性能過于靈敏而產(chǎn)生振蕩， 大負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)遲緩而不及時(shí) 適應(yīng)能力較差等百分比單位相對(duì)行程的變化引起的相對(duì)流量 變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比 單位行程變化引起流量變化的百分率是相等的 在全仃程范圍內(nèi)工作都較平穩(wěn)，尤其在大開度時(shí)， 放大倍數(shù)也大。工作更為靈敏有效 應(yīng)用廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)拋物線持性介于直線特性和等百分比特性之間，使用上常以等百分比特性代之 特性介于直線特性與等百分比特性之間 調(diào)節(jié)性能較理想但閥瓣加工較困難快開

9、在閥行程較小時(shí)，流量就有比較 大的增加，很快達(dá)最大 在小開度時(shí)流量已很大，隨著行程的增大，流量很快 達(dá)到最大 一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制在實(shí)際系統(tǒng)中，閥門兩側(cè)的壓力降并不是恒定的，使其發(fā)生變化的原因主要有兩個(gè)方面。一方面,由于泵的特性，當(dāng)系統(tǒng)流量減小時(shí)由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加。另一方面，當(dāng)流量減小時(shí)，盤管上的阻力 也減小，導(dǎo)致較大的泵壓加于閥門。因此調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口的壓差通常是變化的，在這種情況下，調(diào)節(jié)閥相 對(duì)流量與相對(duì)開度之間的關(guān)系。稱為工作流量特性1。具體可分為串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性和并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性。（1）串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)時(shí)，因調(diào)節(jié)閥開度的變化會(huì)引起流量的變化

10、，由流體力學(xué)理論可知，管道的阻 力損失與流量成平方關(guān)系。調(diào)節(jié)閥一旦動(dòng)作，流量則改變，系統(tǒng)阻力也相應(yīng)改變，因此調(diào)節(jié)閥壓降也相 應(yīng)變化。串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性與壓降分配比有關(guān)。閥上壓降越小，調(diào)節(jié)閥全開流量相應(yīng)減小，使 理想的直線特性畸變?yōu)榭扉_特性，理想的等百分比特性畸變?yōu)橹本€特性。在實(shí)際使用中，當(dāng)調(diào)節(jié)閥選得 過大或生產(chǎn)處于非滿負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)閥則工作在小開度，有時(shí)為了使調(diào)節(jié)閥有一定的開度，而將閥門 開度調(diào)小以增加管道阻力，使流過調(diào)節(jié)閥的流量降低，實(shí)際上就是使壓降分配比值下降，使流量特性畸 變，惡化了調(diào)節(jié)質(zhì)量。（2）并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性調(diào)節(jié)閥與管道并聯(lián)時(shí)，一般由閥支路和旁通管支路組成，調(diào)節(jié)閥安

11、裝在閥支路管路上。調(diào)節(jié)閥在 并聯(lián)管道上，在系統(tǒng)阻力一定時(shí)，調(diào)節(jié)閥全開流量與總管最大流量之比隨著并聯(lián)管道的旁路閥逐步打開 而減少。此時(shí)，盡管調(diào)節(jié)閥本身的流量特性無變化，但系統(tǒng)的可調(diào)范圍大大縮小，調(diào)節(jié)閥在工作過程中 所能控制的流量變化范圍也大大減小，甚至起不到調(diào)節(jié)作用。要使調(diào)節(jié)閥有較好的調(diào)節(jié)性能，一般認(rèn)為 旁路流量最多不超過總流量的20%4調(diào)節(jié)閥的選擇4.1流量特性選擇流量特性2的選擇方法有兩種，一種是通過數(shù)學(xué)計(jì)算的分析法，另一種是在實(shí)際工程中總結(jié)的經(jīng) 驗(yàn)法。由于分析法既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)，所以一般工程上都采用經(jīng)驗(yàn)法。具體來說，應(yīng)該從調(diào)節(jié)質(zhì)量、工況條 件、負(fù)荷及特性幾個(gè)方面考慮。（1）根據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)

12、節(jié)質(zhì)量根據(jù)自動(dòng)控制原理中的特性補(bǔ)償原理，為了使系統(tǒng)保持良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量，希望開環(huán)總放大系數(shù)與各環(huán)節(jié)放大系數(shù)之積保持常數(shù)。這樣，適當(dāng)選擇閥的特性，以閥的放大系數(shù)變化來補(bǔ)償對(duì)象放大系數(shù)的 變化，從而使系統(tǒng)的總放大系數(shù)保持不變。(2) 根據(jù)管道系統(tǒng)壓降變化情況 Pim和系統(tǒng)差壓 P調(diào)節(jié)閥的壓降比S定義為該調(diào)節(jié)閥可控制的最大流量所對(duì)應(yīng)閥門進(jìn)出口差壓 之比(3)調(diào)節(jié)閥流量特性與壓降比 S有密切的關(guān)系(表 2)。表2管道系統(tǒng)壓降選擇調(diào)節(jié)閥特性管道系統(tǒng)壓降比S10.60.60.30.30實(shí)際工作流量特性直線等百分比直線等百分比調(diào)節(jié)不適宜所選流量特性直線等百分比等百分比等百分比（4）實(shí)際工程中，閥門口徑是分級(jí)的

13、，C值通常也不是連續(xù)值（公式計(jì)算的C值是連續(xù)的）。不同廠商的同類型產(chǎn)品有不同的 C值與口徑對(duì)應(yīng)表。在計(jì)算出期望的C值后，就可以查閱生產(chǎn)商的相應(yīng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表來決定所需的閥門口徑。選取閥門口徑的原則應(yīng)盡可能接近或大于計(jì)算結(jié)果，不應(yīng)小于計(jì)算結(jié)果。4.3選用注意事項(xiàng)（1）調(diào)節(jié)閥直接按照接管管徑選取是不合理的。閥門的調(diào)節(jié)品質(zhì)與接管流速或管徑?jīng)]有關(guān)系， 閥門的調(diào)節(jié)品質(zhì)僅與水的阻力及流量有關(guān)。亦即一旦系統(tǒng)設(shè)備確定之后，理論上適合該系統(tǒng)的閥門只有 一種理想的口徑，而不會(huì)出現(xiàn)多種選擇。（2）調(diào)節(jié)閥口徑不能過小。選擇的閥門口徑過小，一方面會(huì)增加系統(tǒng)的阻力，甚至?xí)霈F(xiàn)閥門 口徑100%開啟時(shí)，系統(tǒng)仍無法達(dá)到設(shè)定的容量

14、要求，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。另一方面閥門將需要通過系統(tǒng)提供 較大的壓差以維持足夠的流量，加重泵的負(fù)荷，閥門易受損害，對(duì)閥門的壽命影響很大。（3）調(diào)節(jié)閥口徑不能過大。選擇的閥門口徑過大，不僅增加工程成本，而且還會(huì)引起閥門經(jīng)常運(yùn)行在低百分比范圍內(nèi)，引起調(diào)節(jié)精度降低，使控制性能變差，而且易使系統(tǒng)受沖擊和振蕩。（4 ）為了保證系統(tǒng)控制品質(zhì)，最好的方法是在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)選擇能獲得較大壓力降的閥門 口徑，使閥門在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中壓力降的變化值盡可能小。閥門全開狀態(tài)下的壓力降占全泵壓百分比越高， 則閥門壓力降相對(duì)變化值越小，閥門的安裝特性就越接近其內(nèi)在特性。（5）控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡可能工作于恒定的壓力降條件下，因?yàn)殚y

15、門是否匹配盤管依賴于它 的內(nèi)在特性和流量因子，而這些閥門參數(shù)取決于恒定的閥門壓力降。5結(jié)語(yǔ)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥時(shí)，要求對(duì)調(diào)節(jié)閥的組成、分類和特性有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，并在此基礎(chǔ)上掌握正確的 選擇方法。而且，對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)配置調(diào)節(jié)閥時(shí)，還需要對(duì)整個(gè)管系環(huán)路進(jìn)行詳盡的分析，綜合考慮 各種因素。只有這樣，才能正確地選擇調(diào)節(jié)閥，保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。(3)根據(jù)負(fù)荷變化直線閥在小開度時(shí)流量變化大，調(diào)節(jié)過于靈敏，易振蕩。在大開度時(shí)，調(diào)節(jié)作用又顯得微弱，造 成調(diào)節(jié)不及時(shí)，不靈敏。因此在壓降比S較小，負(fù)荷變化大的場(chǎng)合不宜采用直線閥。等百分比閥在接近關(guān)閉時(shí)工作緩和平穩(wěn)，而接近全開狀態(tài)時(shí)，放大系數(shù)大，工作靈敏有效，因此它適用于負(fù)荷變化幅度大 的場(chǎng)合。快開特性閥在行程較小時(shí)，流量就較大，隨著行程的增大，流量很快達(dá)到最大，它一般用于雙 位調(diào)節(jié)和程序控制的場(chǎng)合。(4)根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性一般有自平衡能力的調(diào)節(jié)對(duì)象都可選擇等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，不具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對(duì)象則選擇直線流量特性的調(diào)節(jié)閥。4.2 口徑選擇