調節(jié)閥流量特性

                        上海申弘閥門有限公司

1 概述
在自動控制系統(tǒng)中，調節(jié)閥是其常用的執(zhí)行器?？刂七^程是否平穩(wěn)取決于調節(jié)閥能否準確動作，使過程控制體現(xiàn)為物料能量和流量的變化。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。所以，要根據不同的需要選擇不同的調節(jié)閥。選擇恰當的調節(jié)閥是管路設計的主要問題，也是保證調節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運行的關鍵。
2 調節(jié)閥的組成
調節(jié)閥由執(zhí)行機構和調節(jié)機構組成，接受調節(jié)器或計算機的控制信號，用來改變被控介質的流量，使被調參數維持在所要求的范圍內，從而達到過程控制的自動化。
2.1 執(zhí)行機構
執(zhí)行機構按照驅動形式分為氣動、電動和液動3種。氣動執(zhí)行機構具有結構簡單，動作可靠，性能穩(wěn)定，價格低，維護方便，防火防爆等優(yōu)點，在許多控制系統(tǒng)中獲得了廣泛地應用。電動執(zhí)行機構雖然不利于防火防爆，但其驅動電源方便可取，且信號傳輸速度快，便于遠距離傳輸，體積小，動作可靠，維修方便，價格便宜。液動執(zhí)行器的推力大，調節(jié)精度高，動作速度快，運行平穩(wěn)，但由于設備體積大，工藝復雜，所以目前使用不多。
執(zhí)行機構不論是何種類型，其輸出力都是用于克服負荷的有效力（主要是指不平衡力和不平衡力矩、摩擦力、密封力及重力等有關力的作用）。因此，為了使調節(jié)閥正常工作，配用的執(zhí)行機構要能產生足夠的輸出力來克服各種阻力，保證高度密封和閥門的開啟。對執(zhí)行機構輸出力確定后。應根據工藝使用環(huán)境要求，選擇相應的執(zhí)行機構。例如，對于現(xiàn)場有防爆要求時，應選用氣動執(zhí)行機構，且接線盒為防爆型。如果沒有防爆要求，則氣動或電動執(zhí)行機構都可選用，但從節(jié)能方面考慮，應盡量選用電動執(zhí)行機構。對于要求調節(jié)精度高，動作速度快和運行平穩(wěn)的工況，應選用液動執(zhí)行機構。
綜合各類執(zhí)行器的特點，自動控制系統(tǒng)普遍采用電動執(zhí)行機構。如結構簡單、體積小的 ZAZ 直行程類及 ZAJ 角行程類，3610L（R） 型電子式及SKD型多轉電動執(zhí)行機構等。各類執(zhí)行機構盡管在結構上不*相同，但基本結構都包括放大器、可逆電機、減速裝置、推力機構、機械限位組件、彈性聯(lián)軸器和位置反饋等部件（圖 1）。
電動執(zhí)行機構的方框圖
圖1 電動執(zhí)行機構的方框圖
電動執(zhí)行機構一般需要與伺服放大器配套，接受調節(jié)器的信號，該信號經過伺服放大器放大后轉換為三位繼電信號，控制可逆電機正轉或反轉，帶動調節(jié)機構，使閥開啟或關閉。
2.2 調節(jié)機構
調節(jié)閥門是調節(jié)閥的調節(jié)機構，它根據控制信號的要求而改變閥門開度的大小來調節(jié)流量，是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。調節(jié)閥門主要由上下閥蓋、閥體、閥瓣、閥座、填料及壓板等部件組成。在自動控制系統(tǒng)中，閥門主要的調節(jié)介質為水和蒸汽等。在壓力比較低，使用情況單一的情況下，常用的調節(jié)閥有直通調節(jié)閥、三通調節(jié)閥和蝶閥等。
直通閥有直通單座閥和雙座閥之分。單座閥結構簡單，價格低廉，關閉時泄漏量小，但由于閥座前后存在的壓差對閥瓣產生的不平衡力較大，所以適用于低壓差的場合，例如供水管或回水管中。雙座閥有兩個閥瓣閥座，在其關閉狀態(tài)時，兩個閥瓣的受力可部分抵消，閥瓣所受的不平衡力小，但是由于熱脹冷縮效應，其同時關閉性較差，造價也較高，只適用于閥前后壓差較高但密閉要求不高的場合，例如供水或回水之間的壓差旁通閥。
三通閥有三個出入口與管道相連，總進水量較恒定，適用于定水量系統(tǒng)中，并要求有固定的安裝方向，不宜反裝，不適于溫差較大場合。三通調節(jié)閥有合流閥與分流閥之分。合流閥是將來自兩個入口的流體混合至一個出口。分流閥則是將一個入口的流體分別由兩個口送出。
蝶閥結構較簡單，由閥體、蝶板軸及軸封等部分組成，其行程為 0°~90°。蝶閥有兩位式控制和比例控制 2 種方式。蝶閥的特點是阻力損失小，體積小，質量輕，安裝方便，并且開啟閥門和關閉閥門的允許壓差較大，但其調節(jié)性能和關閥密閉性能較差，通常用于壓差較大但調節(jié)性能要求不高的場所。除用作兩通閥外，還可以用兩個蝶閥組合，完成三通閥的功能。在自動控制系統(tǒng)中，開/關型電動蝶閥常用于冷水和熱水系統(tǒng)中，作為水路的連通和關斷控制。閥門/調節(jié)閥流量系數（CV值）與開度是兩個不同的概念，CV值名稱起源于西方的工業(yè)流程控制領域對于閥門流量系數的定義。在中國通常稱為：KV值，KV表示的是閥門的流通能力，其定義是：當調節(jié)閥全開時，閥門前、后兩端的壓差ΔP為100KPa，流體重度r為1gf/cm3（即常溫水）時，每小時流經調節(jié)閥的流量數，以m3/h或t/h計。
（例如一臺Kv=50的調節(jié)閥，則表示當閥兩端壓差為100KPa時，每小時的水量為50m3/h。）
閥門開度是指閥門在調節(jié)的時候，閥芯（或閥板）改變流道節(jié)流面積時閥芯（或閥板）運動的位置，通常用百分比表示，關閉狀態(tài)為0%，全開為99%。
單位換算

Kv與Cv值的換算
國外，流量系數常以Cv表示，其定義的條件與國內不同。Cv的定義為：當調節(jié)閥全開，閥兩端壓差ΔP為1磅/英寸²，介質為60℉清水時每分鐘流經調節(jié)閥的流量數，以加侖/分計。由于Kv與Cv定義不同，試驗所測得的數值不同，它們之間的換算關系為：Cv=1.167Kv
試驗系統(tǒng)

閥門的流量系數是衡量閥門流通能力的指標,流量系數值大,說明閥門的流通能力大,流體流過閥門時的壓力損失小。在用試驗進行閥門流量系數的測試時,由于測量裝置和方法的不同,會使試驗結果相差很大。因此測定壓降差時,應考慮取壓點的位置、閥門前后的配管狀況、流體的雷諾數和可壓縮氣體的馬赫數等因素的影響。本文論述按JB/T 5296- 91進行流量試驗時要注意的事項,并與BS EN1267 - 1999進行比較,以實例說明雷諾數對閥門流量試驗結果的影響。由于國內流量試驗裝置的限制,只能進行DN600以下閥門的流量試驗,更大口徑的閥門可以采用空氣進行試驗,本文不討論。
流量試驗系統(tǒng)(圖1)由流量計、溫度計、節(jié)流閥、試驗閥和壓差測量裝置等組成。系統(tǒng)中上游節(jié)流閥用來控制試驗段的入口壓力,其與下游節(jié)流閥一起用來控制取壓口之間的壓差,并使下游壓力保持穩(wěn)定,下游節(jié)流閥的公稱尺寸可大于試驗閥門的公稱尺寸,以確保產生阻塞流時,阻塞流是發(fā)生在試驗閥內。
3 性能
3.1 工作原理
根據流體力學可知，調節(jié)閥是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對不可壓縮流體，調節(jié)閥的流量可表示為：

調節(jié)閥流量公式
式中：Q–調節(jié)閥某一開度的流量，mm3/s
P1–調節(jié)閥進口壓力，MPa
P2–調節(jié)閥出口壓力，MPa
A–節(jié)流截面積，mm2
ξ–調節(jié)閥阻力系數
ρ–流體密度，kg/mm3
由式（1）可知，當 A 一定，ΔP=P1-P2 也恒定時，通過閥的流量 Q 隨阻力系數 ξ 變化，即阻力系數 ξ 愈大，流量愈小。而阻力系數 ξ 則與閥的結構和開度有關。所以調節(jié)器輸出信號控制閥門的開或關，可改變閥的阻力系數，從而改變被調介質的流量。
3.2 流量特性
調節(jié)閥的流量特性是指被調介質流過調節(jié)閥的相對流量與調節(jié)閥的相對開度之間的關系。其數學表達式為：
調節(jié)閥的相對流量與調節(jié)閥的相對開度之間的關系
式中：Qmax–調節(jié)閥全開時流量，mm3/s
L—-調節(jié)閥某一開度的行程，mm
Lmax–調節(jié)閥全開時行程，mm
調節(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節(jié)閥進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（表1）。
表1 調節(jié)閥 閥門流量系數
    流量系數的概念，對于閥門，流量系數的選擇與口徑的選擇是相對應的，閥門流量系數為流量計算時使用之系數,現(xiàn)在使用的符號很雜，其實美國、日本多用Cv這個符號和概念，歐洲多用Kvs這個符號和概念，英國用fp，單位應該是Kv，Kv也是我國調節(jié)閥傳統(tǒng)用流量系數代號。在標準中，Kv值是這樣定義的：指壓力降為1Bar時流過調節(jié)閥的每小時立方米，流量系數的計算有如下的公式：
   式中：Q—大流量m3/h
G—比重（一般用1）
P1—進口壓力bar
P2—出口壓力bar
△P=P1-P2 bar
    而且Cv與Kv的關系如下：
Cv=1.17Kv，實際上準確點說Cv=1.167Kv，而Kv和Kvs是相當的。
    理論上講，在不同的空調回路中，ΔP值是不同的，是一個動態(tài)變化的值，對Cv/Kv計算影響還是比較大的。當閥門公斤級不變時，ΔP選擇的越大，相應的口徑就卻小，對介質的可控制能力就越大，但流通能力卻越小，口徑過小的閥門一方面達不到系統(tǒng)的容量要求，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，加重泵的負荷，閥門易受損害；閥門口徑過大會使控制性能變差，易使系統(tǒng)受沖擊和振蕩，而且投資也會增加。閥門過大過小都會帶來控制閥壽命縮短和維護不便的后果。
    所以我們選擇閥門壓力降時，盡可能選得大一些，而且壓力降的大小在系統(tǒng)運行中能恒定，這樣也能保證閥門的流量特性恒定，能夠保證ＰＩ調節(jié)有好的效果，當壓力降的大小占總供回水壓力降的比重越大時，壓力的波動對于壓力降的大小影響越小時。但壓力降不能太大，要考慮到大允許壓力降和允許的泵壓等。因此，有經驗指出，一般應該這樣來選擇：使閥門全開時的壓力降等于或接近供回水之間總壓力降的50%。一般供回水系統(tǒng)的壓差在 2-4Bar。這樣空調閥門上的壓力降一般選擇為1-2Bar。
    在有了壓力降后我們還要知道閥門的額定流量，有的時候設計院會直接給出，或者我們根據冷量計算出來
    冷量和流量之間可以根據如下公式計算：
    冷量或熱量的計算
    設備（或裝置）的冷量（或熱量）按如下公式計算：
Q=G×C×△t/3600
G=L×ρ
    式中：
Q----冷量或熱量，KW；
L----流體的體積流量，m3/h；
G----流體的質量流量，T/h；
ρ---流體的容重，T/m3；
C----流體的比熱，J/Kg；
△t----進出口流體溫差，℃。
水的比熱是4184 J/Kg.℃
    這樣我們計算出來的Cv/Kv值后就可以選擇閥門了，閥門的額定值比計算值稍大即可

4 種理想流量特性
流量特性    性質    特點
直線    調節(jié)閥的相對流量與相對開度呈直線關系，即單位相對行程變化引起的相對流量變化是一個常數    ① 小開度時，流量變化大，而大開度時流量變化小
② 小負荷時，調節(jié)性能過于靈敏而產生振蕩，大負荷時調節(jié)遲緩而不及時
③ 適應能力較差
等百分比    單位相對行程的變化引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比    ① 單位行程變化引起流量變化的百分率是相等的
② 在全行程范圍內工作都較平穩(wěn)，尤其在大開度時，放大倍數也大。工作更為靈敏有效
③ 應用廣泛，適應性強
拋物線    特性介于直線特性和等百分比特性之間，使用上常以等百分比特性代之    ① 特性介于直線特性與等百分比特性之間
② 調節(jié)性能較理想但閥瓣加工較困難
快開    在閥行程較小時，流量就有比較大的增加，很快達大    ① 在小開度時流量已很大，隨著行程的增大，流量很快達到大
② 一般用于雙位調節(jié)和程序控制
在實際系統(tǒng)中，閥門兩側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方面。一方面，由于泵的特性，當系統(tǒng)流量減小時由泵產生的系統(tǒng)壓力增加。另一方面，當流量減小時，盤管上的阻力也減小，導致較大的泵壓加于閥門。因此調節(jié)閥進出口的壓差通常是變化的，在這種情況下，調節(jié)閥相對流量與相對開度之間的關系。稱為工作流量特性。具體可分為串聯(lián)管道時的工作流量特性和并聯(lián)管道時的工作流量特性。
（1）串聯(lián)管道時的工作流量特性
調節(jié)閥與管道串聯(lián)時，因調節(jié)閥開度的變化會引起流量的變化，由流體力學理論可知，管道的阻力損失與流量成平方關系。調節(jié)閥一旦動作，流量則改變，系統(tǒng)阻力也相應改變，因此調節(jié)閥壓降也相應變化。串聯(lián)管道時的工作流量特性與壓降分配比有關。閥上壓降越小，調節(jié)閥全開流量相應減小，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。在實際使用中，當調節(jié)閥選得過大或生產處于非滿負荷狀態(tài)時，調節(jié)閥則工作在小開度，有時為了使調節(jié)閥有一定的開度，而將閥門開度調小以增加管道阻力，使流過調節(jié)閥的流量降低，實際上就是使壓降分配比值下降，使流量特性畸變，惡化了調節(jié)質量。
（2）并聯(lián)管道時的工作流量特性
調節(jié)閥與管道并聯(lián)時，一般由閥支路和旁通管支路組成，調節(jié)閥安裝在閥支路管路上。調節(jié)閥在并聯(lián)管道上，在系統(tǒng)阻力一定時，調節(jié)閥全開流量與總管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，盡管調節(jié)閥本身的流量特性無變化，但系統(tǒng)的可調范圍大大縮小，調節(jié)閥在工作過程中所能控制的流量變化范圍也大大減小，甚至起不到調節(jié)作用。要使調節(jié)閥有較好的調節(jié)性能，一般認為旁路流量多不超過總流量的 20%。
4 調節(jié)閥的選擇
4.1 流量特性選擇
流量特性的選擇方法有兩種，一種是通過數學計算的分析法，另一種是在實際工程中總結的經驗法。由于分析法既復雜又費時，所以一般工程上都采用經驗法。具體來說，應該從調節(jié)質量、工況條件、負荷及特性幾個方面考慮。
（1）根據自動調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)質量
根據自動控制原理中的特性補償原理，為了使系統(tǒng)保持良好的調節(jié)質量，希望開環(huán)總放大系數與各環(huán)節(jié)放大系數之積保持常數。這樣，適當選擇閥的特性，以閥的放大系數變化來補償對象放大系數的變化，從而使系統(tǒng)的總放大系數保持不變。
（2）根據管道系統(tǒng)壓降變化情況
調節(jié)閥的壓降比 S 定義為該調節(jié)閥可控制的大流量所對應閥門進出口差壓 ΔP1m 和系統(tǒng)差壓 ΔP 之比：
調節(jié)閥的壓降比計算公式
調節(jié)閥流量特性與壓降比S有密切的關系（表2）。
表2 管道系統(tǒng)壓降選擇調節(jié)閥特性
管道系統(tǒng)壓降比 S    1~0.6    0.6~0.3    0.3~0
實際工作流量特性    直線 等百分比    直線 等百分比    調節(jié)不適宜
所選流量特性    直線 等百分比    等百分比 等百分比
（3）根據負荷變化
直線閥在小開度時流量變化大，調節(jié)過于靈敏，易振蕩。在大開度時，調節(jié)作用又顯得微弱，造成調節(jié)不及時，不靈敏。因此在壓降比S較小，負荷變化大的場合不宜采用直線閥。等百分比閥在接近關閉時工作緩和平穩(wěn)，而接近全開狀態(tài)時，放大系數大，工作靈敏有效，因此它適用于負荷變化幅度大的場合?？扉_特性閥在行程較小時，流量就較大，隨著行程的增大，流量很快達到大，它一般用于雙位調節(jié)和程序控制的場合。
（4）根據調節(jié)對象的特性
一般有自平衡能力的調節(jié)對象都可選擇等百分比流量特性的調節(jié)閥，不具有自平衡能力的調節(jié)對象則選擇直線流量特性的調節(jié)閥。

4.2 口徑選擇
調節(jié)閥口徑是根據工藝要求的流通能力確定的，要根據提供的工藝條件計算出調節(jié)閥的流通能力，再依據其流通能力選擇調節(jié)閥的口徑。流通能力是指當調節(jié)閥全開，閥兩端壓差為 9.81×104Pa，流體的密度為 1g/cm3 時，每小時流經調節(jié)閥的流量值，該值以 m3/h 或 kg/h 為單位。調節(jié)閥的流通能力是合理選擇閥門及閥門口徑的一個重要參數，通過對調節(jié)閥流通能力的計算，對比廠家提供的技術參數確定閥門口徑的大小。對于自動控制系統(tǒng)來說，水是流經調節(jié)閥的常見的介質之一，所以以水為例介紹調節(jié)閥的流通能力 C：
調節(jié)閥的流通能力計算公式
實際工程中，閥門口徑是分級的，C 值通常也不是連續(xù)值（公式計算的 C 值是連續(xù)的）。不同廠商的同類型產品有不同的 C 值與口徑對應表。在計算出期望的 C 值后，就可以查閱生產商的相應產品數據表來決定所需的閥門口徑。選取閥門口徑的原則應盡可能接近或大于計算結果，不應小于計算結果。
4.3 選用注意事項
（1）調節(jié)閥直接按照接管管徑選取是不合理的。閥門的調節(jié)品質與接管流速或管徑沒有關系，閥門的調節(jié)品質僅與水的阻力及流量有關。亦即一旦系統(tǒng)設備確定之后，理論上適合該系統(tǒng)的閥門只有一種理想的口徑，而不會出現(xiàn)多種選擇。
（2）調節(jié)閥口徑不能過小。選擇的閥門口徑過小，一方面會增加系統(tǒng)的阻力，甚至會出現(xiàn)閥門口徑 99% 開啟時，系統(tǒng)仍無法達到設定的容量要求，導致嚴重后果。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，加重泵的負荷，閥門易受損害，對閥門的壽命影響很大。
（3）調節(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，而且還會引起閥門經常運行在低百分比范圍內，引起調節(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，的方法是在系統(tǒng)允許的范圍內選擇能獲得較大壓力降的閥門口徑，使閥門在運轉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，則閥門壓力降相對變化值越小，閥門的安裝特性就越接近其內在特性。
（5）控制系統(tǒng)中調節(jié)閥應盡可能工作于恒定的壓力降條件下，因為閥門是否匹配盤管依賴于它的內在特性和流量因子，而這些閥門參數取決于恒定的閥門壓力降。
5 結語
設計調節(jié)閥時，要求對調節(jié)閥的組成、分類和特性有一個清楚的認識，并在此基礎上掌握正確的選擇方法。而且，對于一個實際系統(tǒng)配置調節(jié)閥時，還需要對整個管系環(huán)路進行詳盡的分析，綜合考慮各種因素。只有這樣，才能正確地選擇調節(jié)閥，保證調節(jié)系統(tǒng)的控制質量。與本文相關的論文有：五陽煤礦應用閥門案例