调节阀的流量特性、流量调节及调节范围问题解析

当前，调节阀被广泛的应用于电站行业，尤其是在锅炉系统中更为常见。例如：锅炉旁路系统、主给水系统、减温水系统等。并且调节阀性能的好坏直接影响着整个系统的运转，因此，合理的设计及选取调节阀对于整个系统的安全性、稳定性、经济性和可靠性有着十分重要的作用。随着电站行业的迅速发展，对调节阀的要求也越来越高，调节阀往往要在一个较大的流量范围内高度精确地调节或控制流体的流动，并且能根据阀杆的规定运动方式预计流量。因此，流量调节、调节范围及调节特性是设计及选取调节阀时所必须考虑的因素。一、流量特性调节阀的流量特性是指介质流过调节阀的流量与阀瓣升程值之间的关系。通常用流量与阀杆位置或升程的关系曲线表示。在实际工况中，由于多种因素的影响，通过阀门的流量可能随压降而变化。为了便于分析，我们先假定阀门的压降不变，然后再引申到真实情况进行分析，前者称为阀门固有流量特性，后者称为阀门工作流量特性。1、固有流量特性我们经常用到的固有流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开特性。图3为这4种流量特性的关系曲线图，图4为不同流量特性的阀瓣形状。图3理想的固有流量特性图4不同流量特性的阀瓣形状直线流量特性是指调节阀的相对流量与阀杆相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。具有此特性的阀门在开度小时流量相对变化大，灵敏度高，不易控制，甚至发生振荡；而在开度大时，流量相对变化值小，调节缓慢，不够及时。等百分比流量特性也称为对数流量特性，它是指阀杆单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。在小开度时，调节平稳缓和；在大开度时，调节灵敏有效，从图3可看出，等百分比特性在直线特性下方，因此，在同一位移时，直线阀通过的流量要比等百分比大。抛物线流量特性是指阀杆单位位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根成正比关系，它介于直线特性与等百分比特性之间，相对来说此特性应用较少。快开特性在开度较小时就有较大的流量，随开度的增大，流量很快达到最大；此后再增加开度，流量变化很小。它的阀瓣形式是平板型的，如图4所示，它的有效位移一般为阀座直径的1/4，当位移在增大时，阀的流通面积不变，失去调节作用。为特定功用选择阀门的一个主要问题是挑选适合于工况的特性。理论上，每一种情况都应做透彻的分析，并相应地挑选阀门调节元件。但是这样既费时、代价又高。对于无需精密调节的场合，可根据经验按表1选择。表1阀门特性的典型用途2、工作流量特性在实际生产过程中，阀门的压差总是变化的，这时流量特性称为工作流量特性，为了描述这一特性我们引进了压降比k（压降比被定义为通过阀门的压降除以总的系统动压降）。工作流量特性就是在恒定压降比下，流量与阀杆升程之间的关系。图5和图6为直线特性和等百分比特性的工作流量特性，从图可以看出当K值越小时，工作流量特性与固有流量特性偏差越大，因此在设计系统时应把系统压降尽可能大的部分分配给调节阀。图5具有线性固有流量特性的工作流量特性图6具有等百分比流量特性的工作流量特性二、流量调节流量即单位时间内通过阀门的流体质量或体积；调节的流量即按照某一规定的规律随时间变化的流量，即使进口端有适当的压力变化，也可以要求流量在有限的范围内变化。例如：在锅炉主给水及旁路系统调节阀来实现锅炉的给水量，在锅炉喷水减温器的喷水管道上调节喷水量以达到调节锅炉介质温度的目的。为了在适当的范围内调节流量，①在设计或选型调节阀时，流量系数应该留有一定的裕量，以便在流量发生波动或比预期的流量大时，流量仍有可调性。一般具有直线调节特性的阀门推荐取计算流量系数的1.15～1.66倍，具有等百分比调节特性的阀门推荐取计算流量系数的1.22～2倍。②考虑调节阀必需的或规定的压降值，系统压降的分配需要根据具体情况而定。③选定阀门阀瓣的调节特性以满足工况的需要。最后应该考虑流量范围，阀门必须在整个流量范围内保持有效调节。三、调节范围调节范围是用来描述阀门在整个流量范围保持必要调节的能力的一个参数，调节范围的大小也可用可调比来表示，调节阀的可调比就是调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比。若以R来表示，则R=Qmax/Qmin，最小流量Qmin是指可调流量的下限值，它与泄漏量是不同的。阀门的可调比取决于阀门类别、阀门增益和阀门调节元件的特性。例如：单座调节阀、双座调节阀、蝶阀、或球阀，最小可调流量系数被认为是，在此系数下，阀门的增益显著地大于由阀瓣特性决定的值。因此，调节范围取决于阀门的增益（增益即为流量的变化除以阀瓣升程的变化）。一般认为具有良好调节作用的阀门可调比应该大于50，但由于阀瓣结构设计及加工方面的限制，最小可调流量Qmin不能太小，因此，理想可调比一般均小于50。目前我国统一设计是时取R=30。选择合适的调节阀，以便产生需要的调节范围。首先，计算出工况所需要的调节范围。其次，选取需要的阀门，查看阀瓣升程90%的流量系数与阀瓣升程10%的流量系数之比，是否等于或大于需要的调节范围，如果小于所需要的调节范围可重新选择另外的阀门，需要的话也可选择两台阀门并联。但是，在多数生产过程中，调节阀不是与管路串联就是与旁路阀并联，随管路系统的阻力变化或旁路阀开启程度的不同，调节阀的可调比也产生相应的变化，这时的可调比就成为实际可调比R’。图1调节阀与管道串联图2调节阀与管道并联当调节阀与管道串联时如图1，由于流量的增加，管道的阻力损失也增加。若系统的总压差△PS不变，则分配到调节阀的压差△P就相应的减小，这就使调节阀所能通过的最大流量减小，这时实际可调比，s=△P/△Ps。由此式可以看出，串联管道时调节阀实际可调比会降低。当调节阀与管道并联时如图2，实际可调比R’=Qmax/Q2，可以看出并联实际可调比与调节阀固有的可调比无关，调节阀的最小流量一般比旁路流量小得多，故其可调比实际是总管最大流量与旁路流量的比值。由此得出，串联或并联管道都使实际可调比下降，所以在选择调节阀和组成系统时不应使S值太小，并且尽量避免打开并联管路的旁路阀，以保证调节阀有足够的可调比。四、结论与常规阀门相比，调节阀的选型及设计更为复杂。要使调节阀能够实现预期的目的，在设计及选型时不仅要考虑上述三方面的因素，工况对泄露量等级的要求、介质对材料的腐蚀及汽蚀和闪蒸现象对材料的破坏等都是不可忽视的。参考文献：