調(diào)節(jié)閥流量特性分析及應(yīng)用選擇

1、調(diào)節(jié)閥流量特性分析及應(yīng)用選擇作 者：楊世忠 邢麗娟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。 控制過程是否平穩(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)?shù)恼{(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，

2、價(jià)格低，維護(hù)方便， 防火防爆等優(yōu)點(diǎn)， 在許多控制系統(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

3、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 Z AZ 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）。電動(dòng)

4、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。2.2 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

5、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

6、行程為090 。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) 閥的流量可表示為式中： Q - 調(diào)節(jié)閥某一開度的流量， mm3/sP1- 調(diào)節(jié)閥進(jìn)口壓力， MPaP2- 調(diào)節(jié)閥

7、出口壓力， MPaA- 節(jié)流截面積， mm2-調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)-流體密度， kg/mm3由式（ 1）可知，當(dāng) A 一定， P=P1-P2也恒定時(shí)，通過閥的流量 Q 隨阻力系數(shù) 變化，即阻力系數(shù) 愈大， 流量愈小。 而阻力系數(shù) 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： Qmax- 調(diào)節(jié)閥全開時(shí)流量， mm3/sL 調(diào)節(jié)閥某一開度的行程， mmLmax- 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

8、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)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行程范圍內(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)拋物線特性介于

9、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

10、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， 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)?直線特性。 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

11、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

12、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)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 P1m和系統(tǒng)差壓 P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

13、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（ 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

14、。（ 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 口徑選擇調(diào)節(jié)閥口徑是根據(jù)工藝要求的流通能力確定的， 要根據(jù)提供的工藝條件計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的流 通能力， 再依據(jù)其流通能力選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。 流通能力是指當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開， 閥兩端壓差為 9.81 104Pa，流體的密度為 1g/cm3 時(shí)，每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量值，該值以m3/h 或 kg/h為單位。 調(diào)節(jié)閥的流通能力是合理選擇閥門及閥門口徑的一個(gè)重要參數(shù)， 通過對(duì)調(diào)節(jié)閥流通 能力的計(jì)算， 對(duì)比廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定閥門口徑的大小。 對(duì)于自動(dòng)控制系

15、統(tǒng)來說， 水是 流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的常見的介質(zhì)之一，所以以水為例介紹調(diào)節(jié)閥的流通能力 C實(shí)際工程中，閥門口徑是分級(jí)的， 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)

16、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)?現(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門是否匹配盤管依 賴于它的內(nèi)在特性和流量