调节阀的选择及流量特性分析

2018-04-25刘宇

科学与技术 2018年13期

刘宇

摘要：调节阀是自动控制系统中常用的执行器，用来完成被控对象流量的调节。正确地选择调节阀，是调节系统控制品质的保证。就调节阀的组成分类、流量特性进行了详细描述，并给出调节阀的选择方法和应注意的问题。

关键词：调节阀；流量特性

选择调节阀是自动控制系统中常用的执行器，是自动控制的终端主控元件，直接控制被测介质的输送量。调节阀由执行机构和调节机构组成，接受调节器或计算机的控制信号，用来改变被控介质的流量，使被调参数维持在所要求的范围内，从而达到过程控制的自动化。在自动控制领域中，控制过程是否平稳直接取决于调节阀能否准确动作，使过程控制体现为物料能量和流量精确变化。所以，要根据不同的需要选择不同的调节阀。选择恰当的调节阀是管路设计的主要问题，也是保证调节系统安全和平稳运行的关键。

1选择调节阀性能

1.1 工作原理

根据流体力学可知，调节阀是一個局部阻力可以变化的节流元件。对不可压缩流体，调节阀的流量可表示为

Q= （1）

式中Q-调节阀某一开度的流量，mm3/s

P1-调节阀进口压力，MPa

P2-调节阀出口压力，MPa

A-节流截面积，mm2

ξ-调节阀阻力系数

ρ-流体密度，kg/mm3

由式（1）可知，当A一定，ΔP=P1-P2也阻力系数ξ愈大，流量愈小。而阻力系数ξ则与阀的结构和开度有关。所以调节器输出信号控制阀门的开或关，可改变阀的阻力系数，从而改变被调介质的流量。

1.2 流量特性

调节阀的流量特性是指被调介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。其数学表达式为 = （2）

式中 Qm

ax———调节阀全开时流量，mm3/s

L———调节阀某一开度的行程，mm

Lmax———调节阀全开时行程，mm

调节阀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调节阀进出口压差固定不变情况下的流量特性，有直线、等百分比、抛物线及快开4种特性。在实际系统中，阀门两侧的压力降并不是恒定的，使其发生变化的原因主要有两个方面。一方面，由于泵的特性，当系统流量减小时由泵产生的系统压力增加。另一方面，当流量减小时，盘管上的阻力也减小，导致较大的泵压加于阀门。因此调节阀进出口的压差通常是变化的，在这种情况下，调节阀相对流量与相对开度之间的关系。称为工作流量特性。具体可分为串联管道时的工作流量

特性和并联管道时的工作流量特性。

（1）串联管道时的工作流量特性。调节阀与管道串联时，因调节阀开度的变化会引起流量的变化，由流体力学理论可知，管道的阻力损失与流量成平方关系。调节阀一旦动作，流量则改变，系统阻力也相应改变，因此调节阀压降也相应变化。串联管道时的工作流量特性与压降分配比有关。阀上压降越小，调节阀全开流量相应减小，使理想的直线特性畸变为快开特性，理想的等百分比特性畸变为直线特性。在实际使用中，当调节阀选得过大或生产处于非满负荷状态时，调节阀则工作在小开度，有时为了使调节阀有一定的开度，而将阀门开度调小以增加管道阻力，使流过调节阀的流量降低，实际上就是使压降分配比值下降，使流量特性畸变，恶化了调节质量。

（2）并联管道时的工作流量特性。调节阀与管道并联时，一般由阀支路和旁通管支路组成，调节阀安装在阀支路管路上。调节阀在并联管道上，在系统阻力一定时，调节阀全开流量与总管最大流量之比随着并联管道的旁路阀逐步打开而减少。此时，尽管调节阀本身的流量特性无变化，但系统的可调范围大大缩小，调节阀在工作过程中所能控制的流量变化范围也大大减小，甚至起不到调节作用。要使调节阀有较好的调节性能，一般认为旁路流量最多不超过总流量的20%。

2 调节阀的选择

2.1 流量特性选择

流量特性的选择方法有两种，一种是通过数学计算的分析法，另一种是在实际工程中总结的经验法。由于分析法既复杂又费时，所以一般工程上都采用经验法。具体来说，应该从调节质量、工况条件、负荷及特性几个方面考虑。

（1）根据自动调节系统的调节质量。根据自动控制原理中的特性补偿原理，为了使系统保持良好的调节质量，希望开环总放大系数与各环节放大系数之积保持常数。这样，适当选择阀的特性，以阀的放大系数变化来补偿对象放大系数的变化，从而使系统的总放大系数保持不变。

（2）根据管道系统压降变化情况。调节阀的压降比S定义为该调节阀可控制的最大流量所对应阀门进出口差压ΔP1m和系统差压ΔP之比

S= （3）

（3）根据负荷变化。直线阀在小开度时流量变化大，调节过于灵敏，易振荡。在大开度时，调节作用又显得微弱，造成调节不及时，不灵敏。因此在压降比S较小，负荷变化大的场合不宜采用直线阀。等百分比阀在接近关闭时工作缓和平稳，

而接近全开状态时，放大系数大，工作灵敏有效，因此它适用于负荷变化幅度大的场合。快开特性阀在行程较小时，流量就较大，随着行程的增大，流量很快达到最大，它一般用于双位调节和程序控制的场合。

2.2 口径选择

调节阀口径是根据工艺要求的流通能力确定的，要根据提供的工艺条件计算出调节阀的流通能力，再依据其流通能力选择调节阀的口径。流通能力是指当调节阀全开，阀两端压差为9.81×104Pa，流体的密度为1g/cm3时，每小时流经调节阀的流量值，该值以m3/h或kg/h为单位。调节阀的流通能力是合理选择阀门及阀门口径的一个重要参数，通过对调节阀流通能力的计算，对比厂家提供的技术参数确定阀门口径的大小。对于自动控制系统来说，水是流经调节阀的常见的介质之一，所以以水为例介绍调节阀的流通能力C

C= = （4）

实际工程中，阀门口径是分级的，C值通常也不是连续值（公式计算的C值是连续的）。不同厂商的同类型产品有不同的C值与口径对应表。在计算出期望的C值后，就可以查阅生产商的相应产品数据表来决定所需的阀门口径。选取阀门口径的原则应尽可能接近或大于计算结果，不应小于计算结果。

2.3 选用注意事项

（1）调节阀直接按照接管管径选取是不合理的。阀门的调节品质与接管流速或管径没有关系，阀门的调节品质仅与水的阻力及流量有关。亦即一旦系统设备确定之后，理论上适合该系统的阀门只有一种理想的口径，而不会出现多种选择。

（2）调节阀口径不能过小。选择的阀门口径小，一方面会增加系统的阻力，甚至会出现阀门口径100%开启时，系统仍无法达到设定的容量要求，导致严重后果。另一方面阀门将需要通过系统提供较大的压差以维持足够的流量，加重泵的负

荷，阀门易受损害，对阀门的寿命影响很大。

（3）调节阀口径不能过大。选择的阀门口径过大，不仅增加工程成本，而且还会引起阀门经常运行在低百分比范围内，引起调节精度降低，使控制

性能变差，而且易使系统受冲击和振荡。

（4）为了保证系统控制品质，最好的方法是在系统允许的范围内选择能获得较大压力降的阀门口径，使阀门在运转过程中压力降的变化值尽可能小。阀门全开状态下的压力降占全泵压百分比越高，则阀门压力降相对变化值越小，阀门的安装特性就越接近其内在特性。

3结束语

综上所述，进行调节阀设计的目是最大限度地保证系统控制的品质要求，这就要求对调节阀的组成、分类、特性有一个清楚的认识，并在此基础上掌握正确的选择方法。而且，对于一个实际系统配置调节阀时，还需要对整个管系环路进行详尽的分析，综合考虑各种因素。只有这样，才能正确地选择调节阀，保证调节系统的控制品质。

参考文献