調節閥的選擇及流量特性分析

劉宇

摘要：調節閥是自動控制系統中常用的執行器，用來完成被控對象流量的調節。正確地選擇調節閥，是調節系統控制品質的保證。就調節閥的組成分類、流量特性進行了詳細描述，并給出調節閥的選擇方法和應注意的問題。

關鍵詞：調節閥；流量特性

選擇調節閥是自動控制系統中常用的執行器，是自動控制的終端主控元件，直接控制被測介質的輸送量。調節閥由執行機構和調節機構組成，接受調節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。在自動控制領域中，控制過程是否平穩直接取決于調節閥能否準確動作，使過程控制體現為物料能量和流量精確變化。所以，要根據不同的需要選擇不同的調節閥。選擇恰當的調節閥是管路設計的主要問題，也是保證調節系統安全和平穩運行的關鍵。

1選擇調節閥性能

1.1 工作原理

根據流體力學可知，調節閥是一個局部阻力可以變化的節流元件。對不可壓縮流體，調節閥的流量可表示為

Q= （1）

式中Q-調節閥某一開度的流量，mm3/s

P1-調節閥進口壓力，MPa

P2-調節閥出口壓力，MPa

A-節流截面積，mm2

ξ-調節閥阻力系數

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。

1.2 流量特性

調節閥的流量特性是指被調介質流過調節閥的相對流量與調節閥的相對開度之間的關系。其數學表達式為 = （2）

式中 Qm

ax———調節閥全開時流量，mm3/s

L———調節閥某一開度的行程，mm

Lmax———調節閥全開時行程，mm

調節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。在實際系統中，閥門兩側的壓力降并不是恒定的，使其發生變化的原因主要有兩個方面。一方面，由于泵的特性，當系統流量減小時由泵產生的系統壓力增加。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。因此調節閥進出口的壓差通常是變化的，在這種情況下，調節閥相對流量與相對開度之間的關系。稱為工作流量特性。具體可分為串聯管道時的工作流量

特性和并聯管道時的工作流量特性。

（1）串聯管道時的工作流量特性。調節閥與管道串聯時，因調節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。調節閥一旦動作，流量則改變，系統阻力也相應改變，因此調節閥壓降也相應變化。串聯管道時的工作流量特性與壓降分配比有關。閥上壓降越小，調節閥全開流量相應減小，使理想的直線特性畸變為快開特性，理想的等百分比特性畸變為直線特性。在實際使用中，當調節閥選得過大或生產處于非滿負荷狀態時，調節閥則工作在小開度，有時為了使調節閥有一定的開度，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，惡化了調節質量。

（2）并聯管道時的工作流量特性。調節閥與管道并聯時，一般由閥支路和旁通管支路組成，調節閥安裝在閥支路管路上。調節閥在并聯管道上，在系統阻力一定時，調節閥全開流量與總管最大流量之比隨著并聯管道的旁路閥逐步打開而減少。此時，盡管調節閥本身的流量特性無變化，但系統的可調范圍大大縮小，調節閥在工作過程中所能控制的流量變化范圍也大大減小，甚至起不到調節作用。要使調節閥有較好的調節性能，一般認為旁路流量最多不超過總流量的20%。

2 調節閥的選擇

2.1 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，應該從調節質量、工況條件、負荷及特性幾個方面考慮。

（1）根據自動調節系統的調節質量。根據自動控制原理中的特性補償原理，為了使系統保持良好的調節質量，希望開環總放大系數與各環節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，從而使系統的總放大系數保持不變。

（2）根據管道系統壓降變化情況。調節閥的壓降比S定義為該調節閥可控制的最大流量所對應閥門進出口差壓ΔP1m和系統差壓ΔP之比

S= （3）

（3）根據負荷變化。直線閥在小開度時流量變化大，調節過于靈敏，易振蕩。在大開度時，調節作用又顯得微弱，造成調節不及時，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，

而接近全開狀態時，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?？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，它一般用于雙位調節和程序控制的場合。

2.2 口徑選擇

調節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閥的流通能力，再依據其流通能力選擇調節閥的口徑。流通能力是指當調節閥全開，閥兩端壓差為9.81×104Pa，流體的密度為1g/cm3時，每小時流經調節閥的流量值，該值以m3/h或kg/h為單位。調節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。對于自動控制系統來說，水是流經調節閥的常見的介質之一，所以以水為例介紹調節閥的流通能力C

C= = （4）

實際工程中，閥門口徑是分級的，C值通常也不是連續值（公式計算的C值是連續的）。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。

2.3 選用注意事項

（1）調節閥直接按照接管管徑選取是不合理的。閥門的調節品質與接管流速或管徑沒有關系，閥門的調節品質僅與水的阻力及流量有關。亦即一旦系統設備確定之后，理論上適合該系統的閥門只有一種理想的口徑，而不會出現多種選擇。

（2）調節閥口徑不能過小。選擇的閥門口徑小，一方面會增加系統的阻力，甚至會出現閥門口徑100%開啟時，系統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，引起調節精度降低，使控制

性能變差，而且易使系統受沖擊和振蕩。

（4）為了保證系統控制品質，最好的方法是在系統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。

3結束語

綜上所述，進行調節閥設計的目是最大限度地保證系統控制的品質要求，這就要求對調節閥的組成、分類、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，對于一個實際系統配置調節閥時，還需要對整個管系環路進行詳盡的分析，綜合考慮各種因素。只有這樣，才能正確地選擇調節閥，保證調節系統的控制品質。

參考文獻

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[2]衛紅.調節閥流量特性變化對調節精度的影響[J].中國氯堿，2014（07）：44-46.

（作者單位：天津聯維乙烯工程有限公司）