调节阀流量特性分析及应用选择

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1、概述

在自动控制系统中，调节阀是其常用的执行器。控制过程是否平稳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的精确变化。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。

1.1 工作原理

根据流体力学可知，调节阀是一个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：

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 也恒定时，通过阀的流量 Q 随阻力系数 ξ 变化，即阻力系数 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 流向特性

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：

式中：Qmax–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（表1）。

表1 调节阀 4 种理想流量特性

流量特性

性质

特点

直线

调节阀的相对流量与相对开度呈直线关系，即单位相对行程变化引起的相对流量变化是一个常数

① 小开度时，流量变化大，而大开度时流量变化小② 小负荷时，调节性能过于灵敏而产生振荡，大负荷时调节迟缓而不及时③ 适应能力较差

等百分比

单位相对行程的变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比

① 单位行程变化引起流量变化的百分率是相等的② 在全行程范围内工作都较平稳，尤其在大开度时，放大倍数也大。工作更为灵敏有效③ 应用广泛，适应性强

抛物线

特性介于直线特性和等百分比特性之间，使用上常以等百分比特性代之

① 特性介于直线特性与等百分比特性之间② 调节性能较理想但阀瓣加工较困难

快开

在阀行程较小时，流量就有比较大的增加，很快达最大

① 在小开度时流量已很大，随着行程的增大，流量很快达到最大② 一般用于双位调节和程序控制

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，一种是通过流量公式计算法，另一种是在实际工程中总结的经验法。具体来说，应该从调节流量、工况条件、压力及温度、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：

调节阀流量特性与压降比S有密切的关系（表2）。

（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（KV值），再依据其流通能力选择调节阀的口径。

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。

调节阀的控制系统强调三个基本性能：安全性、稳定性和精确性。为了选择正确的控制阀，需要详细了解应用和制程本身的需求

（2）调节阀口径不能过小。

选择的阀门口径过小，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流量要求，导致流量不够严重后果。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，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）现场安全性的要求。

例如：A、在电源故障时阀门应该处于阀开还是阀关的状态？也就是阀门选型时需要说明是“气开”还是“气关”。B、是否需要高位和低位报警？

（5）控制系统中调节阀应尽可能工作于恒定的压力降条件下。

（6）流经控制阀的介质是什么（蒸汽、水、油等），其流量是多少？温度多少？的压力多少等。

3、结语

选用调节阀时，要求对调节阀的组成、分类和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质量。