調(diào)節(jié)閥的選擇及流量特性分析

劉宇

摘要：調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器，用來完成被控對(duì)象流量的調(diào)節(jié)。正確地選擇調(diào)節(jié)閥，是調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制品質(zhì)的保證。就調(diào)節(jié)閥的組成分類、流量特性進(jìn)行了詳細(xì)描述，并給出調(diào)節(jié)閥的選擇方法和應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)閥；流量特性

選擇調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器，是自動(dòng)控制的終端主控元件，直接控制被測介質(zhì)的輸送量。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。在自動(dòng)控制領(lǐng)域中，控制過程是否平穩(wěn)直接取決于調(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。

1選擇調(diào)節(jié)閥性能

1.1 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

Q= （1）

式中Q-調(diào)節(jié)閥某一開度的流量，mm3/s

P1-調(diào)節(jié)閥進(jìn)口壓力，MPa

P2-調(diào)節(jié)閥出口壓力，MPa

A-節(jié)流截面積，mm2

ξ-調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)

ρ-流體密度，kg/mm3

由式（1）可知，當(dāng)A一定，ΔP=P1-P2也阻力系數(shù)ξ愈大，流量愈小。而阻力系數(shù)ξ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。

1.2 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 Qm

ax———調(diào)節(jié)閥全開時(shí)流量，mm3/s

L———調(diào)節(jié)閥某一開度的行程，mm

Lmax———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。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。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，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%。

2 調(diào)節(jié)閥的選擇

2.1 流量特性選擇

流量特性的選擇方法有兩種，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)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ΔP1m和系統(tǒng)差壓ΔP之比

S= （3）

（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)荷變化幅度大的場合?？扉_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)和程序控制的場合。

2.2 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

C= = （4）

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。

2.3 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。

3結(jié)束語

綜上所述，進(jìn)行調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的目是最大限度地保證系統(tǒng)控制的品質(zhì)要求，這就要求對(duì)調(diào)節(jié)閥的組成、分類、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)的控制品質(zhì)。

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（作者單位：天津聯(lián)維乙烯工程有限公司）