調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)參數(shù)及其流量特性探析

羅 偉

（神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤炭化學(xué)工業(yè)分公司研發(fā)中心 寧夏 靈武 750411）

0 引言

調(diào)節(jié)閥與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的發(fā)展同步進(jìn)行，為提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，對(duì)組成控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)提出了更高要求。例如，對(duì)檢測(cè)元件和變送器要求有更高的檢測(cè)和變送精確度，要有更快的響應(yīng)和更高的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性；對(duì)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器要求有更小的死區(qū)和摩擦，有更好的復(fù)現(xiàn)性和更短的響應(yīng)時(shí)間，并能夠提供補(bǔ)償對(duì)象非線(xiàn)性的流量特性等。同時(shí)，由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的大型化和精細(xì)化，對(duì)調(diào)節(jié)閥等也提出了更高要求。

1 調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)參數(shù)

1.1 調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)

流量系數(shù)表示流體流經(jīng)閥門(mén)產(chǎn)生單位壓力損失時(shí)流體的流量，是衡量閥門(mén)流通能力的指標(biāo)。 由于單位的不同，流量系數(shù)有不同的代號(hào)和量值。

采用國(guó)際單位制時(shí)，流量系數(shù)用Kv表示。 流量系數(shù)Kv的定義為:

調(diào)節(jié)閥兩端壓差為0.1MPa 時(shí)，溫度為278K-313K（5℃-40℃）的水每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的立方米數(shù)，以m3/h 表示。流量系數(shù)隨閥門(mén)尺寸、形式及結(jié)構(gòu)而變化，該系數(shù)值越大說(shuō)明流體流過(guò)閥門(mén)時(shí)的壓力損失越小。

調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv值，是調(diào)節(jié)閥的重要參數(shù)，它反映調(diào)節(jié)閥通過(guò)流體的能力， 也就是調(diào)節(jié)閥的容量。 根據(jù)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)Kv的計(jì)算，就可以確定選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。

1.2 阻力系數(shù)

流體通過(guò)彎管和截面突變的地方時(shí)，會(huì)有擾動(dòng)、攪拌，形成氣穴、漩渦和尾流，或使流體質(zhì)點(diǎn)相互撞擊，產(chǎn)生較大的能量損耗。 可以認(rèn)為，調(diào)節(jié)閥體腔內(nèi)的每個(gè)元件都可以看作為一個(gè)產(chǎn)生阻力的元件系統(tǒng)（流體轉(zhuǎn)彎、擴(kuò)大、縮小、再轉(zhuǎn)彎等），調(diào)節(jié)閥內(nèi)的阻力損失等于調(diào)節(jié)閥各個(gè)元件阻力損失的總和。調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)就是表征調(diào)節(jié)閥對(duì)流體產(chǎn)生的阻力損失大小的量，該系數(shù)取決于閥門(mén)產(chǎn)品的尺寸、結(jié)構(gòu)以及內(nèi)腔形狀等。 流體通過(guò)閥門(mén)時(shí)，其流體阻力損失通常以閥門(mén)前后的流體壓力降△p 表示，即△p＝ξρv2/2。

1.3 壓力恢復(fù)系數(shù)

圖1 流體通過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)壓力和流速的變化

在建立流量的計(jì)算公式時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將調(diào)節(jié)閥模擬為節(jié)流孔板來(lái)推導(dǎo)公式，沒(méi)有考慮閥門(mén)結(jié)構(gòu)對(duì)流量的影響，認(rèn)為當(dāng)流體流過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)壓力由閥前壓力p1直接變化到閥后壓力p2， 而實(shí)際上當(dāng)流體流過(guò)時(shí)的壓力變化如圖1 所示。 由圖1 可知在閥芯、閥座處由于節(jié)流作用而在附近的下游處產(chǎn)生一個(gè)縮流，其流體的流速最大，但靜壓最小。 在遠(yuǎn)離縮流處，隨著閥內(nèi)的流通面積的增大，流體的流速減小，由于相互摩擦，部分能量轉(zhuǎn)變成內(nèi)能，大部分靜壓被恢復(fù)，形成了閥門(mén)壓差如。換言之，流體在節(jié)流處的壓力急劇下降，并在其后的節(jié)流通道中逐漸恢復(fù)，但己經(jīng)不能恢復(fù)到原來(lái)的p1值。 這便是壓力恢復(fù)現(xiàn)象。

壓力恢復(fù)系數(shù)FL表示調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流經(jīng)縮流處后， 動(dòng)能轉(zhuǎn)換為靜壓的恢復(fù)能力。 FL值是閥體內(nèi)部幾何形狀的函數(shù)，各種閥門(mén)因結(jié)構(gòu)不同， 其壓力恢復(fù)能力和壓力恢復(fù)系數(shù)也不相同。 一般，F(xiàn)L=0.5-0.98。 壓力恢復(fù)系數(shù)FL越小，表示該調(diào)節(jié)閥流路設(shè)計(jì)好，流動(dòng)阻力小，其壓力恢復(fù)能力也越好，即經(jīng)縮流后，靜壓能夠恢復(fù)到接近進(jìn)口壓力，這類(lèi)閥門(mén)被稱(chēng)為高壓力恢復(fù)閥，如球閥、蝶閥等。 壓力恢復(fù)系數(shù)FL調(diào)節(jié)閥越大，表示該閥門(mén)流路復(fù)雜、流阻大、摩擦損失大、進(jìn)口壓力經(jīng)調(diào)節(jié)閥后的降低大，因此，壓力恢復(fù)能力差，被稱(chēng)為低壓力恢復(fù)閥，如單座閥、雙座閥等。

2 閃蒸、空化及其影響

在調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動(dòng)的液體，常常出現(xiàn)閃蒸和空化兩種現(xiàn)象。 如圖1所示，當(dāng)壓力為P1的液體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流處時(shí)，流速突然急劇增加，而靜壓力驟然下降， 當(dāng)閥后壓力P2達(dá)到或者低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓時(shí)，部分液體就汽化成氣體，形成氣液兩相共存的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為閃蒸。 閃蒸造成氣液兩相流，氣體與液體同時(shí)流過(guò)閥芯和下游管道，造成沖刷，其特點(diǎn)是閥芯呈現(xiàn)平滑拋光的外形?？梢?jiàn)產(chǎn)生閃蒸時(shí)，對(duì)閥芯、閥座材料己開(kāi)始有侵蝕破壞作用；并且閃蒸也影響液體流量計(jì)算公式的正確性，使計(jì)算復(fù)雜化。

如果產(chǎn)生閃蒸之后，P2不是保持在飽和蒸汽壓以下， 而是在離開(kāi)節(jié)流處之后又驟然上升，這時(shí)氣泡產(chǎn)生破裂并轉(zhuǎn)化為液態(tài)，這個(gè)過(guò)程即為空化作用。 由此可見(jiàn)，空化作用是一種兩階段現(xiàn)象，第一個(gè)階段，是液體內(nèi)部形成空腔或氣泡，即閃蒸階段；第二個(gè)階段，是這些氣泡的破裂，即空化階段?？栈饔脮?huì)使調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生阻塞流和汽蝕。許多氣泡集中在閥的節(jié)流孔后，阻礙流體的流動(dòng)，自然影響了流量的增加，產(chǎn)生了阻塞情況。

3 調(diào)節(jié)閥的流量特性

3.1 理想可調(diào)比

調(diào)節(jié)閥前后壓差保持不變時(shí)的可調(diào)比，稱(chēng)為理想可調(diào)比，其計(jì)算公式為R=Qmax/Qmin=Kvmax/Kvmin。可以看出，理想可調(diào)比等于Kvmax（最大流量系數(shù)）與Kvmin（最小流量系數(shù)）之比。 它反映了調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)能力的大小。如果單從自控角度考慮，希望可調(diào)比越大越好，但由于受到調(diào)節(jié)閥閥瓣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝的限制，Kvmin不能太小，一般國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)取R=30 或R=50。

3.2 流量特性

調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與相對(duì)位移（閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度）之間的關(guān)系。 用數(shù)學(xué)的表達(dá)數(shù)表示Q/Qmin=f（l/L），式中Q/Qmax為相對(duì)流量，即調(diào)節(jié)閥在某一開(kāi)度時(shí)流量Q 與全開(kāi)流量Qmax之比； l/L 為相對(duì)位移，即調(diào)節(jié)閥在某一開(kāi)度時(shí)閥芯位移l 與全開(kāi)位移L 之比。

通常來(lái)說(shuō)，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯與閥座之間的流通截面積，便可控制流量。但在實(shí)際工況中，由于多種因素的影響，通過(guò)閥門(mén)的流量可能隨壓降而變化。為了便于分析，設(shè)定閥門(mén)的壓降不變，然后再引申到真實(shí)情況進(jìn)行分析，前者稱(chēng)為閥門(mén)固有流量特性，后者稱(chēng)為閥門(mén)工作流量特性。

3.2.1 固有流量特性

閥門(mén)的固有流量特性指的是在閥前、閥后壓差保持不變時(shí)，介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與相對(duì)位移（閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度）之間的關(guān)系。閥門(mén)的固有流量特性不同于結(jié)構(gòu)特性（閥的結(jié)構(gòu)特性是指閥芯位移與流體通過(guò)的截面積之間的關(guān)系，不考慮壓差的影響，純粹由閥芯大小和幾何形狀決定）。

3.2.2 工作流量特性

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，閥門(mén)的壓差總是變化的，這時(shí)流量特性稱(chēng)為工作流量特性。因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥往往和工藝設(shè)備、管道等串聯(lián)或并聯(lián)適用，流量因阻力損失的變化而變化，在實(shí)際工作中因閥門(mén)前后壓差的變化而使理想流量特性畸變成工作特性。

3.2.3 流量特性的選擇準(zhǔn)則

生產(chǎn)過(guò)程中常用的調(diào)節(jié)閥的理想流量特性有直線(xiàn)、等百分比和快開(kāi)三種。 拋物線(xiàn)流量特性介于直線(xiàn)與百分比之間，一般可用等百分比來(lái)代替，而快開(kāi)特性主要用于二位調(diào)節(jié)及程序控制中。因此，調(diào)節(jié)閥的特性選擇實(shí)際上是指如何選擇直線(xiàn)和等百分比流量特性。

調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇可以通過(guò)理論計(jì)算，但使用的方法和方程都很復(fù)雜，而且由于干擾的不同，高階響應(yīng)方程計(jì)算就更加繁雜。 因此，目前對(duì)調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇多采用經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。 可從如下幾個(gè)方面來(lái)考慮：

（1）從調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量分析并選擇；

（2）從工藝配管情況考慮并選擇；

（3）從負(fù)荷變化情況分析和選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

調(diào)節(jié)閥作為一種常用閥門(mén)，在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，其性能的提高對(duì)流程工藝效益的提高以及能源消耗的降低有著不可忽視的作用。 因此，研究調(diào)節(jié)閥的流量特性具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

［1］吳國(guó)熙.調(diào)節(jié)閥使用與維修[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

［2］楊世忠，邢麗娟. 調(diào)節(jié)閥流量特性分析及應(yīng)用選擇[J].閥門(mén)，2006（05）.