調(diào)節(jié)閥流量特性分析及應(yīng)用選擇
在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是其常用的執(zhí)行器�？刂七^程是否平穩(wěn)取決于調(diào)節(jié)閥能否準(zhǔn)確動(dòng)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(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)閥是管路設(shè)計(jì)的主要問題，也是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。
2 調(diào)節(jié)閥的組成
調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，接受調(diào)節(jié)器或計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)，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(dá)到過程控制的自動(dòng)化。
2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照驅(qū)動(dòng)形式分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)3種。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，價(jià)格 低，維護(hù)方便，防火防爆等優(yōu)點(diǎn)，在許多控制系統(tǒng)中獲得了廣泛地應(yīng)用。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)雖然不利于防火防爆，但其驅(qū)動(dòng)電源方便可取，且信號(hào)傳輸速度快，便于遠(yuǎn)距 離傳輸，體積小，動(dòng)作可靠，維修方便，價(jià)格便宜。液動(dòng)執(zhí)行器的推力最大，調(diào)節(jié)精度高，動(dòng)作速度快，運(yùn)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(jī)構(gòu)不論是何種類型，其輸出力都是用于克服負(fù)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(jī)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(duì)執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)。例如，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)有防爆要求時(shí)，應(yīng)選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，且接線盒為防爆型。如果沒有防爆要求，則氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都可選用，但從節(jié)能方面考慮，應(yīng) 盡量選用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)于要求調(diào)節(jié)精度高，動(dòng)作速度快和運(yùn)行平穩(wěn)的工況，應(yīng)選用液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 綜合各類執(zhí)行器的特點(diǎn)，自動(dòng)控制系統(tǒng)普遍采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。各類執(zhí)行機(jī)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(jī)、減速裝置、推力機(jī)構(gòu)、機(jī)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方框圖 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般需要與伺服放大器配套，接受調(diào)節(jié)器的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過伺服放大器放大后轉(zhuǎn)換為三位繼電信號(hào)，控制可逆電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使閥開啟或關(guān)閉。
2.2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
調(diào)節(jié)閥門是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，它根據(jù)控制信號(hào)的要求而改變閥門開度的大小來調(diào)節(jié)流量，是一個(gè)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(dòng)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(jiǎn)單，價(jià)格低廉，關(guān)閉時(shí)泄漏量小，但由于閥座前后存在的壓差對(duì)閥瓣產(chǎn)生的不平衡力較大，所以適用于低壓差的場(chǎng) 合，例如供水管或回水管中。雙座閥有兩個(gè)閥瓣閥座，在其關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)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(shí)關(guān)閉 性較差，造價(jià)也較高，只適用于閥前后壓差較高但密閉要求不高的場(chǎng)合，例如供水或回水之間的壓差旁通閥。 三通閥有三個(gè)出入口與管道相連，總進(jìn)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(chǎng)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(gè)入口的流體混合至一個(gè)出口。分流閥則是將一個(gè)入口的流體分別由兩個(gè)口送出。 蝶閥結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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(diǎn)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(chǎng)所。除用作兩通閥外，還可以用兩個(gè)蝶閥組合，完成三通閥的功能。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，開/關(guān)型電動(dòng)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(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對(duì)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(jìn)口壓力，MPa P2–調(diào)節(jié)閥出口壓力，MPa A–節(jié)流截面積，mm2ξ–調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù) ρ–流體密度，kg/mm3由式（1）可知，當(dāng) A 一定，ΔP=P1-P2 也恒定時(shí)，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(hào)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(duì)流量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開度之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中：Qmax–調(diào)節(jié)閥全開時(shí)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(shí)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(jìn)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(diǎn) |
|---|---|---|
| 直線 | 調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開度呈直線關(guān)系，即單位相對(duì)行程變化引起的相對(duì)流量變化是一個(gè)常數(shù) | ① 小開度時(shí)，流量變化大，而大開度時(shí)流量變化小 ② 小負(fù)荷時(shí)，調(diào)節(jié)性能過于靈敏而產(chǎn)生振蕩，大負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)遲緩而不及時(shí) ③ 適應(yīng)能力較差 |
| 等百分比 | 單位相對(duì)行程的變化引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)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(shí)，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(qiáng) |
| 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(shí)，流量就有比較大的增加，很快達(dá)最大 | ① 在小開度時(shí)流量已很大，隨著行程的增大，流量很快達(dá)到最大 ② 一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制 |
在實(shí)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(gè)方面。一方面，由于泵的特性，當(dāng)系統(tǒng)流量減小時(shí)由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加。另一方面，當(dāng)流量減小時(shí)，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(jìn)出口的壓差通常是變化的，在這種情況下，調(diào)節(jié)閥相對(duì)流量與相對(duì)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(shí)的工作流量特 性和并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性。 （1）串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性 調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)時(shí)，因調(diào)節(jié)閥開度的變化會(huì)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(dòng)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(shí)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(shí)際使用中，當(dāng)調(diào)節(jié)閥選得過大或生產(chǎn)處于非滿負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)閥則工作在小開度，有時(shí)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(shí)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(shí)的工作流量特性 調(diào)節(jié)閥與管道并聯(lián)時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(rèn)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(jì)算的分析法，另一種是在實(shí)際工程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)法。由于分析法既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)，所以一般工程上都采用經(jīng)驗(yàn)法。具體來說，應(yīng)該從調(diào)節(jié)質(zhì)量、工況條件、負(fù)荷及特性幾個(gè)方面考慮。 （1）根據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量 根據(jù)自動(dòng)控制原理中的特性補(bǔ)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(dāng)選擇閥的特性，以閥的放大系數(shù)變化來補(bǔ)償對(duì)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(duì)應(yīng)閥門進(jìn)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(shí)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(fù)荷變化 直線閥在小開度時(shí)流量變化大，調(diào)節(jié)過于靈敏，易振蕩。在大開度時(shí)，調(diào)節(jié)作用又顯得微弱，造成調(diào)節(jié)不及時(shí)，不靈敏。因此在壓降比S較小，負(fù)荷變化大的場(chǎng)合不 宜采用直線閥。等百分比閥在接近關(guān)閉時(shí)工作緩和平穩(wěn)，而接近全開狀態(tài)時(shí)，放大系數(shù)大，工作靈敏有效，因此它適用于負(fù)荷變化幅度大的場(chǎng)合�？扉_特性閥在行程 較小時(shí)，流量就較大，隨著行程的增大，流量很快達(dá)到最大，它一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制的場(chǎng)合。 （4）根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性 一般有自平衡能力的調(diào)節(jié)對(duì)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(duì)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(jì)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(dāng)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(shí)，每小時(shí)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(gè)重要參數(shù)，通過對(duì)調(diào)節(jié)閥流通能力的計(jì)算，對(duì)比廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定閥門口徑的大小。對(duì)于自動(dòng)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(shí) 際工程中，閥門口徑是分級(jí)的，C 值通常也不是連續(xù)值（公式計(jì)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(duì)應(yīng)表。在計(jì)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(jì)算結(jié)果，不應(yīng)小于計(jì)算結(jié)果。
4.3 選用注意事項(xiàng)
（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(huì)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(huì)增加系統(tǒng)的阻力，甚至?xí)霈F(xiàn)閥門口徑 100% 開啟時(shí)，系統(tǒng)仍無法達(dá)到設(shè)定的容量要求，導(dǎo)致嚴(yán)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(fù)荷，閥門易受損害，對(duì)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(huì)引起閥門經(jīng)常運(yùn)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(yùn)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(duì)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?yàn)殚y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。
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