2、控制閥流量特性解析

1、控制閥流量特性解析性。使用單且應用較少，控制閥的流量特性是控制閥重要技術(shù)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， 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(chǎn)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， 所以本文重點對等百分比流量特性進行討論?？刂崎y的流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對流量與相 對行程之間的關(guān)系，數(shù)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之比生閥前、閥后壓力的變

2、化，而壓差的變化又將性。一般來講，改變控制閥的流通面積便可以控制流量。 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(chǎn) 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，理想流量特性主要有等百分比（也稱對數(shù)）、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(chǎn)生相對流量系數(shù)的等百分比增加的流量特性，數(shù) 學表達式為Q/Qmax = Rl/L-1）。理想直線流量特性定義為：相對行程的等值增量產(chǎn)生 相對流量系數(shù)的等值增量的流量特性，數(shù)學表達式為 Q/Qmax=1/R1+( R-1) I/L式中F固有可調(diào)比，定義為在規(guī)定偏差內(nèi)的

3、最大流 量系數(shù)與最小流量系數(shù)之比。常見的控制閥固有可調(diào)比有 30、50兩種當可調(diào)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%寸各流量值見表一表一可調(diào)比相對行程%R170809010030等百分比4.68 (6.58 9251318.3 :25.73650.671.2 100502.96 -4.37 647 9.5；6 14.11 20.930.9 45.7 67'.6 10()30直線1322.732.44251.7 (51.37180.690.3 1005011.8 :21.6 31.4 41.25160.870.6 80.4 90.2 100性。由

4、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(diào)節(jié)作用強，容易產(chǎn)生超調(diào)，可引起震蕩，在大開 度時調(diào)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(diào)節(jié)作用靈敏有效。由于上述原因，在實際工況中 多數(shù)場合優(yōu)選等百分比流量特，GB/T4213-2008氣動調(diào)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(shù)測量值的十進對數(shù)（Ig ）差值應符 合表二規(guī)定。表可調(diào)比RIgKvn - IgKvn-1h=0.2 0.8h<0.2h>0.8斜率偏差± 30%斜率偏

5、差+80%-30%斜率偏差30%-80%300.19 0.100.26 0.100.19 0.03500.22 0.120.30 0.120.22 0.0380%30% ?30%80% ?由表二可以看出當相對行程 h<0.2和h>0.8不在遵守 斜率偏差必須在± 30%£圍內(nèi)，而是擴大到了當相對行程 h<0.2時斜率偏差可達30%，當相對行程h>0.8時，斜率偏 差可達30%，這樣在不影響自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能的前提下， 為控制閥生產(chǎn)制造單位的設計制造提供了方便。天津精通控制儀表技術(shù)有限公司的前身是天津市自動 化儀表四廠，在1985年將原JB17901

6、795-76氣動薄膜 調(diào)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(diào)節(jié)閥標準執(zhí)行時會出現(xiàn)當相對行程增加 10%時，相對流量不增加也定為合格產(chǎn)品的現(xiàn)象）改為流量特性嚴格按照斜率偏差± 30%勺要求執(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%理想等百分比特性各點合格率在 90%右。GB/T4213-2008氣動調(diào) 節(jié)閥引用了 GB/T 17213工業(yè)過程控制閥部分內(nèi)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(nèi)容，也就是說我們控制閥行業(yè)執(zhí)行的 G

7、B/T4213-2008氣動調(diào)節(jié)閥就是在執(zhí)行 IEC60534工 業(yè)過程控制閥的部分內(nèi)容?？刂崎y生產(chǎn)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h<0.2和h>0.8時， 幾乎是不可能的，所以IEC60534工業(yè)過程控制閥對相 對行程h<0.2和相對行程h>0.8進行了放寬偏差處理，當 相對行程h<0.2允許相對流量適當增大；當相對行程h>0.8 時允許相對流量適當減小。為了檢測方便，GB/T4213-2008氣動調(diào)節(jié)閥標準中 將原斜率偏差換算成了對數(shù)數(shù)值IgKv

8、n - IgKvn-1，具體 數(shù)字轉(zhuǎn)換見表三：表二相對行程%1708090100流量系數(shù)Kv2.964.376.469.5614.1220.930.945.767.610CigKv0.470.640.810.981.151.321.491.661.832標準IgKvn-IgKv n-10.170.170.170.170.170.170.170.170.17斜率偏差+80%-30%± 30%+30%-80%實際IgKvn-IgKv n-10.30 0.120.22 0.120.22 0.03美國艾默生過程管理公司的Fisher公司就充分利用 了 IEC60534工業(yè)過程控制閥標準中關(guān)于

9、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(chǎn)品為基型編制而成的。下面我們以 Fisher公司生產(chǎn)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(shù)具體數(shù)值見表四表四相對行程1708090100理論流量系數(shù)Cv6.639.814.521.431.646.869.2102.4151.4 224實際流量系數(shù)Cv5.8511.618.330.249.779.7125171205224gKvn TgKv n-10.2930.20.220.220.200.200.130.080.04Fish

10、er公司DN100 ET籠式閥等百分比流量系數(shù)與標準等百分比流量系數(shù)對比，見圖相對流量225200175150125100755025J/ /r>/J/zZ/J/.X41-1020 3040 5060 708090 100-標準值+ FISHER相對行程我們根據(jù)Fisher產(chǎn)品選型軟件上發(fā)布的相對行程與相對流量數(shù)值，計算ETEZ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(chǎn)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80%30% ?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 h<0.2,斜率偏差30%，h>0.8斜率

11、偏差30%的要求，可使設計 和生產(chǎn)制造過程大大簡化。目前，國內(nèi)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(shù)分又占有絕對比重，各控制閥 生產(chǎn)廠經(jīng)常遇到設計單位、使用單位與生產(chǎn)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(chǎn)制造企業(yè)所生產(chǎn)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(chǎn)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注右的誤差 （見圖一）。因此核對控制閥開度即不科學又無任何實質(zhì)意 義。設計、使用單位要想得到實際控制閥開度，就要根據(jù) 控制閥生

12、產(chǎn)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(chǎn)企業(yè)邊學習、邊實踐以達到滿意的 使用效果。蒸八、判別條件閃蒸及空PPtX V FkXtXFkXtX V FkXtXFkXt液體與非液化氣體液體與蒸流量系數(shù)計算公式匯總表計算公式Kv 10QJ'-pKv 10Ql2Pv Fl（P1 FfPv）Kv 5.19p1y V/_gNZKv 2.9pKXt3.16yYxp1 sKv WS冷Wg WlKV 3.147Wg Wl/2/3Wg/ gy Wl/ l10符號及單位QL-液體體積流量，rm/h，Qg -氣體標準狀態(tài)體積流量,W液體質(zhì)量流量，w蒸

13、汽質(zhì)量流量,W氣體質(zhì)量流量,Pi-閥前絕對壓力,Nrr/hkg/hkg/hkg/hkPaP2-閥后絕對壓力， P-閥前后壓差，pv-飽和蒸汽壓，kPaP l-液體密度，g/cm3P g-氣體密度（p 1、T1條件下）P N-氣體標準狀態(tài)密度，kg/Nm p 1-蒸汽閥前密度kg/m3 p e-兩相流的有效密度P m-兩相流的入口密度Z-壓縮系數(shù)y-膨脹系數(shù)X-壓差比 X=Xt-臨界壓差比kPakPakg/m3kg/m31歳 p/p 1KvWg Wl3.16FJ mP/1 Ff）Wg Wl/M3WgS Wl，l10Fl-壓力恢復系數(shù)Fk-比熱比系數(shù)FK=k/1.4k-氣體絕熱指數(shù)（對空氣k=1.

14、4）Ff-臨界壓力比系數(shù)氣液兩相流流量系數(shù)的計算流量系數(shù)Kv是指溫度為540C溫度范圍內(nèi)的水在105Pa （1 bar ）壓降下，在規(guī)定行程下每小時內(nèi)流過閥的立方米數(shù)。現(xiàn)在也有很多廠家習慣使用Cv值表示，流量系數(shù)Cv是指用40-100° F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(shù)。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(guān)鍵的是根據(jù)所給工況條件正確計算流量系數(shù)，根據(jù)計 算的流量系數(shù)合理選用閥門口徑.介質(zhì)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)分是否為阻塞流的情況，按照公式很容易計

15、算。當介質(zhì)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(shù)值，這種分別計算 液體及氣體的流量系數(shù)，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(zhì)；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(zhì)，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(zhì)進行流量系數(shù) 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(xiàn)介紹兩種 不同的兩相流流量系數(shù)的計算方法即有效密度法和修正

16、系數(shù)法。有效密度法目前國內(nèi)大部分廠家都采用這種方法。計算前提是：氣、液兩相介質(zhì)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：Pl液體 PV% 2(P1-Ff5），氣體 XV FkXT，閥前壓力kPaA P 閥前后壓差kPaX 壓差比 P/P】%無附接管件控制閥的液體壓力恢復系數(shù)，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(shù)，無量綱（見表1）比熱比系數(shù)，F(xiàn)|c=k/1.4 （k是氣體的絕熱指數(shù)）Fp = 0.96 - 0.28 X (Pv-液體的飽和蒸汽壓力kPaAPl液體的臨界壓力kPaA表1壓力恢復系數(shù)Fl和臨界壓差比右閥的類型閥內(nèi)件流動方向%Xt單

17、座閥柱塞型流開/流關(guān)0.9/0.80.72/0.55窗口型任意0.90.75套筒型流開/流關(guān)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(guān)0.9/0.80.72/0.65套筒型流開/流關(guān)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(zhuǎn)閥偏心球塞流開/流關(guān)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(shù)值為典型值，實際數(shù)值以制造商提供為準。符合以上條件后，兩相流流體流量系數(shù)計算公式如下:(1)液體

18、與非液化性氣體式中pu為兩相流密度：Wf/ +訂£ =WWgW2 +5 fP g X y 10 X p IWg X TjWl2.64 X y X Pl X pN X E 1(J X p 1式中刖一膨帳系數(shù)I, y = 1-3 XXFk X XtWM 氣體質(zhì)量流量kg/h叫液體質(zhì)量流量kg/hPg 氣體操作密度kg/m3T入口絕對溫度，K壓縮系數(shù)Pn標準狀態(tài)下氣體密度kg/N.m3P 1| 液體密度g/cm3注：當氣體所給流量單位是N/h時，可用下式進行換算1.2923kg/h = Nm /h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進行計算。對

19、液體占絕大部分的兩相混合流體，計算公式為:旳+ W,呵=31占 X SJP X pm(l 昭 式中u rn為兩相流密度：IVg + WpemWgWP 百 W X plp in =+ WlWg X T 亦斗X % X葉+心X PlT例1，在兩相流介質(zhì)中，流體是空氣和水的混合流體，P】=1100k PaA, P=300k Pa,=353K，水質(zhì)量流量=20000kg/h,空氣質(zhì)量流量=240 kg/h，空氣密度為1.293kg/Nm3,水的密度為0.972g/cm3。查關(guān)資料的壓縮系數(shù)Z為1.01選用氣動薄膜單座閥 Fl=0.9 , X-=0.72,PC=22120kPaP =47.36 kPa(

20、1)首先判別液體或氣體是否有阻塞流,對液體,Pt=Fl2( P1- Ff X Fv)=0.9 2( 1100-0.947其 47.36) = 854.67 kPa式中，P彳一無阻塞流時最大允許壓差,kPa0.28 X=0.96-k7,36J2212O = 0.947P由于 P=300k pg丁，所以不產(chǎn)生阻塞流。對氣體,rjX=AP/P1=300/1100=0.27 < FkXT=1 * 0.72 = 072(其中空氣 K=1.4, k=k/1.4=1)所以空氣也不產(chǎn)生阻塞流。0,27(2)計算流量系數(shù)X膨脹系數(shù):=3 X Fk X Xjl 3 X 0.720.875有效密度:Wg X

21、TjWl2.64 X y X Pj X pN X E W X p 1240 + 2000020000+ W臺X哪2240 X 3532.64 X 0-875 X 1100 X L293 X 1X)1=406.8把膨脹系數(shù)y和有效密度D亡帶入計算;們旳十Wl”"3.16 X Jap X pc =240 + 200003J6 X M頑 X 40氐8 =匹M如果采用分別計算液體和氣體的流量系數(shù)，然后相加可得:經(jīng)計算，液體心=11出氣體© = 1.39(計算過程略)總 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(jié)果相差27.8%。例2,在兩相流介

22、質(zhì)中，流體是蒸氣和水的混合流體，P 1=800kPaA, P=80kPa,T1=438K水質(zhì)量流量4000kg/h,蒸氣質(zhì)量流量2000 kg/h，蒸氣密度為4.085kg/m3,水的密度為 0.907g/cm3。選用氣動薄膜單座閥 Fl=0.9，衍=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, p7=fL P1-尺嚴卩#)=0.9 2 (800-0.91 X 700.77) = 131.5kPa1700.770.28 X L =0.96-22120 = 0.91式中， PT 無阻塞流時最大允許壓差，kPaFp = 0.96 -

23、 0.28 X J由于 p=80k Pa< PT, 所以不產(chǎn)生阻塞流。對蒸汽,X= P/P1=80/800=0.1 < FkXT=1 X 0.72=072所以蒸汽也不產(chǎn)生阻塞流。(2) 計算流量系數(shù)=W官W+ QP 百 W X pl2000 + 4000=40004*025103 X 僅907=12.14把有效密度3 rn帶入計算K川Wfj + w.2000 + 40003.16 X 0心00 X 1乙14(1 - 091)=71.36如果采用分別計算液體和蒸氣的流量系數(shù)，然后相加可得:液體K廠4.7蒸汽心=37.33（計算過程略）V =總 卩=4.7 + 37.33 = 42.0

24、3用此方法和有效密度的計算方法相比，計算結(jié)果相差 69.8%、修正系數(shù)法現(xiàn)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G值，然后通過氣體容積率V與Fm曲線（見圖1），找出修正系數(shù)Fm數(shù)值，再按照公式1進行計算。1）兩相混合流體的流量系數(shù)計算公式為:Gr=( Cvl+ Cvg) X(l+Fim (公式 1)2）液體和氣體混合的平均容積計算公式為:VI + Vg 284Q1 X Pl+ QgT13）液體和蒸汽混合的平均容積計算公式為:VgJ+r式中 C vr兩相混合流體的C/值C vl液體部分的C值CVg氣體部分的G值Fm CV值修正系數(shù)Pl 閥前壓力psia

25、T1 入口溫度。R （° R蘭金溫標度=° F+460）念一標準氣體渝拉立方英尺/小時（SCFH）；Q1液體前謨 知川侖/分神（gpm）V 氣體容積率Vg-（體流星立方英尺/秒（ft 3/S）一液體流量立方英尺/杪（ft 3/S）X蒸汽質(zhì)量與兩相流整體質(zhì)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(chǎn)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-% K P¥)Fm氣體容積率Vr圖1 Fm與V關(guān)系曲線圖 P/P1C1圖2 C1與（P/P1）曲線圖注：圖2中C1=39.76Xt例3,

26、在兩相流介質(zhì)中，流體是空氣和水的混合流體，卩1 =1100kPaA=159.5psia, P=300kPa=43.5psi, 丫1 =353K=636° R,水質(zhì)量流量=20000kg/h=88.18gpm,空氣質(zhì)量流量=240 kg/h=6922.07 scfh.選用氣動薄膜單座閥Fl=0.9，X丁=0.72,=22120kPaA ,卩¥ =47.36kPaA(1) 首先判斷是否存在阻塞流, P/P1=43.5/159.5=0.27C1=39.76j T =39.76=33.737由圖2曲線可以看C1=33.737時， P/P1為0.52，由于 P/P1=0.27 <0.52,因此無阻塞流產(chǎn)生。(2) 計算液體和氣體混合的平均容積:V1 +Vg 2S4Q1 X PlT17；+ QgV =6922.07284 x 88.18 X 159.5636+ 6922.07 =0.524由圖1曲線可以得出當 V =0.524時Fm=0.48(3) 分別計算單獨流動情況下的CV值經(jīng)計算，液體G=13.7氣體Cvg=1.61 (計算過程略)總 CzrC vr=( C vl+ Cvg)+ FlTl)=(13.7+1.61)X L4