调节阀流量特性

2.4.4控制阀流量特性的选择控制阀的流量特性:指流过控制阀的被控介质的相对流量与阀杆的相对行程（即阀门的相对开度）之间的关系。数学表达式为Llfqqmaxmaxqql/L相对流量:是控制阀某一开度时的流量q与全开时流量qmax之比。相对开度：表示控制阀某一开度下的阀杆行程与全开时阀杆全行程之比。①理想特性：在控制阀两端压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系。它完全取决于阀的结构参数。②工作特性：指在工作条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。阀门是整个管路系统中的一部分。在不同流量下，管路系统的阻力不一样，因此分配给阀门的压降也不同。工作特性不仅取决于阀本身的结构参数，也与配管情况有关1．理想流量特性控制阀两端压差恒定时的流量特性称为理想流量特性，又称固有流量特性。阀门制造厂所提供的流量特性即指理想流量特性。理想流量特性有线性、等百分比（对数）、快开、抛物线特性等几种。这些特性完全取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可得到不同的理想流量特性。不同流量特性的阀芯曲面形状1－线性；2－等百分比；3－快开；4－抛物线控制阀的理想流量特性（R=30）（1）线性流量特性或叫直线流量特性线性流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系。其数学表达式为：KLldqqdmax将上式积分得maxqlKCqL＝＋根据已知边界条件在l＝0时，q=qmin则C＝qmin/qmaxl＝L时，q=qmax则K＝1－C＝1－(1/R)其中R是可调比，即控制阀所能控制的最大流量与最小流量之比。国产阀R=30线性控制阀的流量特性见图2.31中直线1从图曲线可看出：当开度l/L变化10%时，所引起的相对流量的增量总是9.67%，但相对流量的变化量却不同，我们以10%、50%、80%三点为例分析。①10%开度时，流量的相对变化值为②50%开度时，流量的相对变化值为③80%开度时，流量的相对变化值为22.71313-61.351.751.7-90.380.680.6-×100%＝75%×100%＝19%×100%＝11%线性控制阀在小开度时其流量相对变化值大，这时灵敏度过高，控制作用强，易产生振荡；在大开度时其流量相对变化值小，这时灵敏度又太小，控制缓慢，控制作用弱。（2）等百分比流量特性（对数流量特性）。等百分比流量特性是指阀杆位移每增加1%，流量均在原来的基础上约增加3.4%，即单位相对行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系，即控制阀的放大系数KV是变化的，它随相对流量的增加而增加。等百分比流量特性数学式为maxmaxqqKLldqqd右图中曲线2由于等百分比阀的放大系数KV随相对开度的增大而增大，因此，在小开度时等百分比阀的放大系数小，控制平稳缓和；在大开度时放大系数大，控制灵敏有效。自动控制系统中最常用的流量特性。（3）快开流量特性。快开流量特性的数学表达式为快开流量特性在开度较小时就有较大的流量，阀的行程短，故称为快开特性，其特性曲线见右图中的曲线3（4）抛物线流量特性与之间成抛物线关系maxqqlL右图中的曲线4抛物线流量特性介于线性流量特性与等百分比流量特性之间，主要用于三通控制阀及其他特殊场合。制造厂通过设计不同形状的控制阀阀芯来获得不同的流量特性。快开式控制阀为平板结构，线性流量特性控制阀和等百分比流量特性控制阀都为曲面形状。线性流量特性控制阀阀芯曲面的形状较“瘦”，等百分比阀的形状较“胖”。因此，当被控介质含有固体悬浮物、容易造成磨损、影响控制阀的使用寿命时，宜选择线性流量特性控制阀。1－线性；2－等百分比；3－快开；4－抛物线2．工作流量特性在控制阀前后压差变化时，控制阀的相对开度与相对流量之间的关系称为工作流量特性。控制阀总是与工艺设备、阀门、管道等阻力元件串联或并联安装，控制阀流量的变化将会引起管路系统阻力的变化，从而使得阀上的压降也发生变化。（1）串联管道中的工作流量特性系统总压差：与控制阀前后相连设备的恒压点之差。fVppp系统总压差：fVpppS的定义为，控制阀全开时，阀两端的压降占系统总压降的比值。压力比系数S：vminpSp＝图2.34串联管道时控制阀的工作流量特性在S≤1，串联管道中控制阀特性曲线的畸变规律如下：①当系统压降全部损失在控制阀上时（管道阻力损失为零），S＝1，这时工作流量特性与理想流量特性相同。③随着S的减小，控制阀的流量特性发生畸变，线性理想流量特性渐渐接近快开特性；等百分比理想流量特性趋向于线性特性。在实际使用中，S值选得过大或过小都有不妥之处。选得过大，阀上的压降很大，消耗能量过多；选得过小，则控制阀流量特性畸变严重，对控制不利。因此，一般希望S值最小不低于0.3。设计中的S通常为0.3～0.6。fRRS»fRfR②随着S的减小，管道总阻力增大，控制阀全开时的最大流量相应减小，使实际可调比下降。实际可调比与S之间的关系为控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。设置旁路的目的有两个：一是当控制系统失灵或控制阀出现故障时，可用它作手动控制之用，以保证生产的继续进行；二是当生产量提高或控制阀选的较小时，可将旁路阀打开一些，扩大所调节的流量。（2）并联管道中的工作流量特性。图2.35控制阀与管道并联工作示意图1maxmaxqXq＝X代表并联管道中控制阀全开时的流量q1max与总管最大流量qmax之比在X≤1时，并联管道控制阀特性曲线的畸变规律如下：①当旁路阀完全关闭时X＝1，这时控制阀的工作流量特性与理想流量特性一致。②随着X值的逐渐减小，即旁路阀逐渐打开，实际可调比降低。控制阀在实际使用中，总存在着串、并联管道阻力的影响。根据实践经验，一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几，即要求X值最小不低于0.8。综合串、并联管道的情况，可得如下结论：①串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重；②串、并联管道都会使控制阀的实际可调比降低，并联管道尤为严重；③串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加；3．流量特性的选择选择控制阀的流量特性时，不但要依据过程特性，还应结合系统的配管情况考虑。一般是应先选择工作流量特性，然后，根据实际应用选择理想流量特性。流量特性选择的本质是控制系统的非线性补偿问题。在被控对象存在非线性时，控制阀特性应克服对象非线性影响而使广义对象接近为线性特性，如图2.38所示。控制阀选择总的原则：图2.38控制阀特性补偿示意图正确的选择步骤如下：（1）根据过程特性，选择阀的工作流量特性。（2）根据配管情况，从所需的工作流量特性出发，推断出理想流量特性。配管状态S0.60.3＜S＜0.6S＜0.3所需工作流量特性线性等百分比线性等百分比快开不宜控制或宜选用低S控制阀应选理想流量特性线性等百分比等百分比线性如果工艺配管不能精确确定时，一般可选等百分比特性，因为等百分比阀适应性较强，目前使用较多。可以直接根据被控变量和工艺情况选择控制阀的理想特性被控变量对象特性选用的控制阀理想流量特性液位或0.2pv/qmin＜pv/qmin＜2pv/qmin线性pv/qmax＜0.2pv/qmin等百分比pv/qmax＞2pv/qmin快开压力快过程等百分比慢过程pv恒定线性pv/qmax＜0.2pv/qmin等百分比（变送器输出与流量成正比）设定值变化线性负荷变化等百分比（变送器输出与流量平方成正比）串接设定值变化线性负荷变化等百分比旁路连接等百分比温度等百分比2.4.3控制阀气开、气关形式的选择1．控制阀的气开、气关形式气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起来可以实现气开和气关两种作用方式。图2.29气动控制阀气开、气关组合方式图气开阀：有信号时阀开，信号越大，开得越大，没有信号时阀全关；气关阀：有信号时阀关，信号越大，关得越小，没有信号时，阀全开；2．控制阀气开、气关形式的选择在控制阀开、关形式的选择，应根据具体生产工艺的要求，在气源供气中断或控制阀出现故障时，控制阀的阀位处于全开或全关时生产处于安全状态。一般根据以下几条原则进行选择。（1）首先要从生产安全出发。（2）从保证产品质量出发。（3）从降低原料、成品和动力的损耗来考（4）从介质的特点考虑。2.4.5控制阀口径的选择正常工况下，要求控制阀开度处于15%～85%，不宜将控制阀口径选得过小或过大若口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量。若口径选择得过大，不仅会浪费设备投资，而且会使控制阀经常处于小开度的工作状态。在小开度时，阀芯由于受不平衡力的作用，容易产生振荡现象，易损坏阀芯和阀座，造成控制阀失灵。控制阀口径的选择是根据流通能力C值进行选择。流通能力C的定义是：在控制阀全开时，当阀两端压差为100kPa、流体密度为1g/cm3时，每小时流经控制阀的流体流量是控制阀的流通能力C（以m3/h表示）。1．控制阀流量系数CVmax的计算对不可压缩流体，且阀两端的压差p1－p2不太大（即流体为非阻塞流）时，其体积流量12VV111010pppqCC-＝＝当调节阀上的前后差压增大到一定程度，通过阀的流量达到极限值，再增加压差，流量也不会增加时的这种极限流量叫阻塞流.阻塞流：控制阀流量系数CV的计算公式为：V121010Cqqppp-＝＝ρ——流体密度（g/cm3）p1－p2——阀两端的压差（kPa）q——流经控制阀的体积流量（m3/h）如果控制阀两端的压差p1－p2保持为100kPa，则在全开时流经控制阀的水（1g/cm3）的流量q即为该阀的流通能力C值。控制阀的口径可根据其在最大工况流量时的流量系数CVmax值、通过查阅产品手册求得并且由于流过控制阀的介质不同，可能为液体、气体、蒸汽、闪蒸水等，其计算的公式都不一样。2控制阀口径的确定（1）根据生产能力、设备负荷决定出最大流量；（2）根据所选的流量特性及系统特点选定S值，计算出阀门全开时的压差；（3）根据流通能力的计算公式，求得最大流量时的流量系数CVmax；（4）按已求得的流量系数，在控制阀产品的标准系列中，根据所选控制阀的结构类型选取大于CVmax并与之最接近的流通能力C值，从而选取阀门口径；（5）验证控制阀开度和可调比，一般要求最大流量时阀开度不超过90%，最小流量时阀开度不小于10%。验证合格后，根据CVmax确定控制阀的公称通径和阀座直径。2.4.6阀门定位器的正确使用阀门定位器分为气动和电-气阀门定位器两大类。以电-气阀门定位器为例，说明阀门定位器的动作原理1．电-气阀门定位器电-气阀门定位器具有电-气转换和气动阀门定位器的双重作用。一方面可用电动控制器输出的0～10mADC或4～20mADC信号去操纵气动执行机构；另一方面还可以使阀门位置按控制器送来的信号准确定位（即输入信号与阀门位置呈一一对应关系）。改变图2.39中反馈凸轮的形状或安装位置，还可以改变控制阀的流量特性和实现正、反作用调整。1－永久磁钢；2－导磁体；3－主杠杆（衔铁）；4－平衡弹簧；5－反馈凸轮支点；6－反馈凸轮；7－副杠杆；8－副杠杆支点；9－薄膜执行机构；10－反馈杆；11一滚轮；12－反馈弹簧；13－调零弹簧；14－挡板；15－喷嘴；16－主杠杆支点；17－放大器图2.39电-气阀门定位器动作原理图2.40控制阀执行机构的滞环特性当阀杆在上移和下移两种情况下，对应同一阀杆位置其输入气压信号P是不一样的，形成了“回差”。阀门定位器能解决这一问题电-气阀门定位器是按力矩平衡原理工作的。图2.41阀门定位器控制阀框图调零弹簧13用于调整零位。在分程控制时，可通过零位调整和反馈弹簧反馈力的调整，使定位器在输入信号范围内（如0～10mADC或4～20mADC电流等），输出均为20～100kPa。2．阀门定位器的功能1）定位功能：用了阀门定位器后，只要控制器的输出信号稍有变化，经过喷嘴-挡板系统及放大器的作用，就可使通往控制阀膜头的气压大有变动，以克服阀杆的摩擦和消除控制阀不平衡力的影响，从而保证阀门位置按