調節(jié)閥流量特性分析及應用選型

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。控制過程是否平穩(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精確變化。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，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）。

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。

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：

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：

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 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	① 在小開度時流量已很大，隨著行程的增大，流量很快達到 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，一般認為旁路流量最多不超過總流量的 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

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。快開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，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：

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。