控制阀流量特性改进及选用

苗同立，王超

(无锡市亚迪流体控制技术有限公司，江苏 无锡 214161)

流量特性是控制阀非常重要的性能指标，每台控制阀的流量曲线选择不合适，轻则增加成本，影响阀门的实际开度，重则导致阀门出现喘振，使寿命降低等。大部分生产厂家提供的控制阀标准流量曲线基本上都存在缺陷，导致某些工况下，控制阀无法满足介质的实际调节要求。

更改流量曲线的方式很多，笔者在控制阀流量特性改进应用中，根据介质的实际需求，选择不同的流量特性曲线与之相匹配，使控制阀起到了稳定调节，满足现场实际使用的目的。

1 标准流量曲线介绍及分析

根据GB/T 17213.10—2005《工业过程控制阀第2—4部分： 流通能力固有流量特性和可调比》的规定，一般控制阀采用的标准流量曲线为线性和等百分比2种，因此根据标准流量曲线公式，控制阀相对流量与相对行程之间的关系可用线性流量曲线(式(1))和等百分比流量曲线(式(2))表达。

(1)

φ=R(h-1)

(2)

式中：φ—相对流量系数；R—固有可调比，指最大流量系数与最小流量系数之比；h—相对行程。

1.1 固有可调比

R是控制阀曲线设计的基础，以球形阀单座阀为例，一般R最大可以设计到50。由式(1)和式(2)可以看出，R为阀门全开时的相对流量系数φ1与阀门关闭时的相对流量系数φ0的比值，当h=0时，φ0=1/R；当h=100%时，φ1=1；则R=φ1/φ0。

1.2 实际阀门可调比

根据1.1节的介绍，可以得知R仅是理论上的最大可调比，且流量曲线是在压差恒定状态下设计的，因此与应用工况下的实际阀门可调比Ra有所不同。由于控制阀存在调节死区，考虑到相对行程不合适，则会导致控制阀寿命变短，因此在SH/T 3005—2016 《石油化工自动化仪表选型设计规范》10.1.4.3中指出，对于直行程阀而言，线性流量曲线的h推荐值为15%～80%、等百分比流量曲线的h推荐值为30%～90%，且h最小值不得低于10%。因此，正是由于h值的范围限制，使得阀门的Ra远小于R。

1.3 标准流量曲线分析

根据式(1)和式(2)，φ与h之间的关系如图1所示；针对不同的流量曲线，φ与h的对应关系见表1所列；标准等百分比和线性流量曲线的特性见表2所列；标准等百分比和线性流量曲线的优缺点见表3所列。

图1 不同流量曲线中φ与h之间的关系示意

表1 不同流量曲线中φ与h的对应关系(R=50) %

表2 标准等百分比和线性流量曲线的特性

表3 标准等百分比和线性流量曲线的优缺点

根据以上分析可以看出,标准等百分比和线性流量曲线的特性是不一样的：

1)在调节性能方面，2种曲线各有利弊。

2)在可调比方面，2种曲线的可调比与流量有关：

a)小流量情况下，等百分比曲线可大幅提高小流量下的实际开度，增加小流量下阀门的动作稳定性；而线性曲线可调比小，且小流量下的开度较小，不适合宽范围的调节以及小流量的调节。

b)大流量情况下，等百分比曲线调节性能较差，因为曲线的斜率是逐步增大的，因此单位行程变化引起的流量变化太大，不容易实现精确调节；而线性曲线在大流量时的调节性能却很好，基本上和开度成正比关系。

从表2数据可以看出，在最大开度限制的情况下，同样的工况条件，等百分比曲线需要更大的额定流量系数值；而线性曲线，则需要的额定流量系数值较小。因此，设计等百分比曲线往往需要更大的行程或更大的阀芯尺寸，阀芯尺寸增大或行程增大，则会增加阀体成本或执行机构的成本。

2 改进后流量曲线特征及说明

综上所述，标准流量曲线虽然可以直接用于设计阀芯曲线和窗口尺寸，但是由于各种曲线均存在自身的优缺点，因此除了这两种最常用的曲线之外，最好能设计出一种结合两种曲线优点的特殊曲线，以满足尽可能大的宽范围调节，且同时可以降低设计制造成本，改良流量曲线φ与h之间的关系如图2所示，改进后的流量曲线公式如式(3)和式(4)所示，改良曲线1和改良曲线2中φ与h的关系见表4所列，各种曲线的特性对比见表5所列。

图2 改良流量曲线中φ与h之间的关系示意

(3)

(4)

表4 改良曲线1和改良曲线2中φ与h的关系(R=50) %

表5 各种曲线特性对比

从以上可以看出，改良曲线既利用了等百分比曲线在小开度下调节性能好的特点，又利用了线性曲线大开度下调节性能好的优点，因此改良曲线使得整体调节性能均得到了提高，可调比较大，满足了大部分工况下的调节要求；同时，由于需要的额定流量系数值接近线性曲线，同样介质参数下，所需要的额定流量系数值较小，因此降低了阀芯尺寸及控制阀所需推力，从而在整体上降低了控制阀的成本。

3 大可调比流量曲线的设计特征

从以上对标准曲线以及改良曲线的分析可以看出，改良后的流量曲线提高了控制阀的流通能力和可调比，扩大了普通控制阀的使用范围，满足了大部分的实际应用场合，提高了小流量的开度和大流量下的调节稳定性，并且减少了对控制阀额定流量系数值的要求，大幅提高了控制阀的使用性能，降低了控制阀成本且延长了控制阀的使用寿命和动作可靠性。

但是，从表5也可以看出，如果控制阀的h在10%～90%，最大实际可调比仅能达到28.6。如果Ra大于该值时，控制阀将很难实现调节，此时若降低开度限制要求，如最小相对行程达5%，最大相对行程达95%，但在该开度范围内长期工作，对于控制阀是非常危险的，而且容易产生介质的乱流振动和冲刷严重问题。如果一味提高控制阀的实际行程，以提高小开度下的行程，则也会大幅增加控制阀的成本。因此研究Ra>30以上的控制阀至关重要。

对于Ra很大的场合，一般被称为大可调比调节场合，很多设计院和阀门厂家都会选择2台控制阀进行分程控制，小流量时采用小控制阀，大流量采用大控制阀，该方案一方面会带来投资成本的增加，另一方面2台控制阀共同调节时，大小控制阀的切换也是很大的问题。由于生产厂家很难做到大小控制阀流量曲线的无缝对接，实际调节时可能会出现小阀芯全开时，大阀芯开启瞬间会产生较大的流量的问题，因此很难精确调节拐点处的流量。

因此，无锡市亚迪流体控制技术有限公司设计了1台内部具有1个小阀芯和1个大阀芯的控制阀，虽然双阀芯结构与分程控制的原理相同，但是由于在1台控制阀内部实现，大、小阀芯的流量匹配性高，流量可以做到无缝对接，大幅提高了Ra的范围，最大可以达到150，实现了精细调节。

大可调比的流量精确调节结构曲线如图3所示，φ90%/φ10%下的可调比达到250，φ80%/φ20%下的可调比可达70。

图3 大可调比结构的φ与h之间的关系示意

4 结束语

通过分析各种标准流量曲线以及改进后的流量曲线，尤其是改进后的流量曲线可以大幅扩大控制阀的使用范围，实际选型时，应根据实际工况条件选择不同的流量曲线，比如锅炉启动汽包液位控制阀，小流量时压差很高，大流量时压差又很小，因此要求阀门设计时需要很大的可调比，此时标准的流量曲线就无法满足实际要求，应选择改良曲线或大可调比结构的曲线。如果实际工况中流量调节变化不大，且压差恒定，此时选择标准曲线就可以满足要求。

该公司研制的改良流量曲线以及大可调比结构曲线，已经被广泛应用到实际使用中，取得了很好的使用效果，大幅降低了用户的投资成本，同时也获得了国家发明专利，并获得国家创新基金的支持。