調(diào)節(jié)閥流量特性分析及應(yīng)用選擇
1 概述
在自動控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是其常用的執(zhí)行器。控制過程是否平穩(wěn)取決于調(diào)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?shù)恼{(diào)節(jié)閥是管路設(shè)計的主要問題，也是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運行的關(guān)鍵。
2 調(diào)節(jié)閥的組成
調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成，接受調(diào)節(jié)器或計算機的控制信號，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)，從而達到過程控制的自動化。
2.1 執(zhí)行機構(gòu)
執(zhí)行機構(gòu)按照驅(qū)動形式分為氣動、電動和液動3種。氣動執(zhí)行機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)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(yīng)用。電動執(zhí)行機構(gòu)雖然不利于防火防爆，但其驅(qū)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)行器的推力最大，調(diào)節(jié)精度高，動作速度快，運行平穩(wěn)，但由于設(shè)備體積大，工藝復(fù)雜，所以目前使用不多。
執(zhí)行機構(gòu)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(guān)力的作用）。因此，為了使調(diào)節(jié)閥正常工作，配用的執(zhí)行機構(gòu)要能產(chǎn)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(gòu)輸出力確定后。應(yīng)根據(jù)工藝使用環(huán)境要求，選擇相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。例如，對于現(xiàn)場有防爆要求時，應(yīng)選用氣動執(zhí)行機構(gòu)，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(gòu)都可選用，但從節(jié)能方面考慮，應(yīng)盡量選用電動執(zhí)行機構(gòu)。對于要求調(diào)節(jié)精度高，動作速度快和運行平穩(wěn)的工況，應(yīng)選用液動執(zhí)行機構(gòu)。
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(gòu)。如結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)等。各類執(zhí)行機構(gòu)盡管在結(jié)構(gòu)上不完全相同，但基本結(jié)構(gòu)都包括放大器、可逆電機、減速裝置、推力機構(gòu)、機械限位組件、彈性聯(lián)軸器和位置反饋等部件（圖 1）。
圖1 電動執(zhí)行機構(gòu)的方框圖
電動執(zhí)行機構(gòu)一般需要與伺服放大器配套，接受調(diào)節(jié)器的信號，該信號經(jīng)過伺服放大器放大后轉(zhuǎn)換為三位繼電信號，控制可逆電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，帶動調(diào)節(jié)機構(gòu)，使閥開啟或關(guān)閉。
2.2 調(diào)節(jié)機構(gòu)
調(diào)節(jié)閥門是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機構(gòu)，它根據(jù)控制信號的要求而改變閥門開度的大小來調(diào)節(jié)流量，是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。調(diào)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(diào)節(jié)介質(zhì)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(diào)節(jié)閥有直通調(diào)節(jié)閥、三通調(diào)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(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，關(guān)閉時泄漏量小，但由于閥座前后存在的壓差對閥瓣產(chǎn)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(guān)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(yīng)，其同時關(guān)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(diào)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(jié)構(gòu)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(zhì)量輕，安裝方便，并且開啟閥門和關(guān)閉閥門的允許壓差較大，但其調(diào)節(jié)性能和關(guān)閥密閉性能較差，通常用于壓差較大但調(diào)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(guān)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(guān)斷控制。
3 性能
3.1 工作原理
根據(jù)流體力學(xué)可知，調(diào)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(diào)節(jié)閥的流量可表示為：
式中：Q–調(diào)節(jié)閥某一開度的流量，mm3/s
P1–調(diào)節(jié)閥進口壓力，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 A 一定，ΔP=P1-P2 也恒定時，通過閥的流量 Q 隨阻力系數(shù) ξ 變化，即阻力系數(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。
3.2 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)閥的相對流量與調(diào)節(jié)閥的相對開度之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達式為：
式中：Qmax–調(diào)節(jié)閥全開時流量，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(diào)節(jié)閥 4 種理想流量特性 流量特性 性質(zhì) 特點
直線 調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度呈直線關(guān)系，即單位相對行程變化引起的相對流量變化是一個常數(shù) 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(diào)節(jié)性能過于靈敏而產(chǎn)生振蕩，大負荷時調(diào)節(jié)遲緩而不及時
③ 適應(yīng)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(nèi)工作都較平穩(wěn)，尤其在大開度時，放大倍數(shù)也大。工作更為靈敏有效
③ 應(yīng)用廣泛，適應(yīng)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(diào)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，很快達最大 ① 在小開度時流量已很大，隨著行程的增大，流量很快達到最大
② 一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制
在實際系統(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方面。一方面，由于泵的特性，當系統(tǒng)流量減小時由泵產(chǎn)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(dǎo)致較大的泵壓加于閥門。因此調(diào)節(jié)閥進出口的壓差通常是變化的，在這種情況下，調(diào)節(jié)閥相對流量與相對開度之間的關(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(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)時，因調(diào)節(jié)閥開度的變化會引起流量的變化，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。在實際使用中，當調(diào)節(jié)閥選得過大或生產(chǎn)處于非滿負荷狀態(tài)時，調(diào)節(jié)閥則工作在小開度，有時為了使調(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)管道時的工作流量特性
調(diào)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(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，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，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，一般認為旁路流量最多不超過總流量的 20%。
4 調(diào)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(shù)學(xué)計算的分析法，另一種是在實際工程中總結(jié)的經(jīng)驗法。由于分析法既復(fù)雜又費時，所以一般工程上都采用經(jīng)驗法。具體來說，應(yīng)該從調(diào)節(jié)質(zhì)量、工況條件、負荷及特性幾個方面考慮。
（1）根據(jù)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量
根據(jù)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(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，適當選擇閥的特性，以閥的放大系數(shù)變化來補償對象放大系數(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應(yīng)閥門進出口差壓 ΔP1m 和系統(tǒng)差壓 ΔP 之比：
調(diào)節(jié)閥流量特性與壓降比S有密切的關(guān)系（表2）。
表2 管道系統(tǒng)壓降選擇調(diào)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(diào)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(jù)負荷變化
直線閥在小開度時流量變化大，調(diào)節(jié)過于靈敏，易振蕩。在大開度時，調(diào)節(jié)作用又顯得微弱，造成調(diào)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(guān)閉時工作緩和平穩(wěn)，而接近全開狀態(tài)時，放大系數(shù)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，流量很快達到最大，它一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制的場合。
（4）根據(jù)調(diào)節(jié)對象的特性
一般有自平衡能力的調(diào)節(jié)對象都可選擇等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，不具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對象則選擇直線流量特性的調(diào)節(jié)閥。
4.2 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，每小時流經(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重要參數(shù)，通過對調(diào)節(jié)閥流通能力的計算，對比廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定閥門口徑的大小。對于自動控制系統(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：
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(chǎn)品有不同的 C 值與口徑對應(yīng)表。在計算出期望的 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算結(jié)果，不應(yīng)小于計算結(jié)果。
4.3 選用注意事項
（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。選擇的閥門口徑過小，一方面會增加系統(tǒng)的阻力，甚至?xí)霈F(xiàn)閥門口徑 100% 開啟時，系統(tǒng)仍無法達到設(shè)定的容量要求，導(dǎo)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(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，而且還會引起閥門經(jīng)常運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，則閥門壓力降相對變化值越小，閥門的安裝特性就越接近其內(nèi)在特性。
（5）控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥應(yīng)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(nèi)在特性和流量因子，而這些閥門參數(shù)取決于恒定的閥門壓力降。
5 結(jié)語
設(shè)計調(diào)節(jié)閥時，要求對調(diào)節(jié)閥的組成、分類和特性有一個清楚的認識，并在此基礎(chǔ)上掌握正確的選擇方法。而且，對于一個實際系統(tǒng)配置調(diào)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(diào)節(jié)閥，保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。
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