调节阀的选择及流量特性分析

2022-04-03 09:46:14 | 浏览次数：

摘要：调节阀是流量控制的最终执行元件，是过程控制系统中不可缺少的一个重要环节。调节阀是按照工艺流体的特性参数及其工作条件如温度、阀前后压力、密度、最大流量、正常流量、最小流量以及阀的结构形式、公称通径、阀的作用形式、材质、压力等级及流量特性的。其中阀的流量特性对控制系统的控制质量会带来很大的影响。

关键词：调节阀；类型选择；性能

在自动控制系统中，调节阀是其常用的执行器。控制过程是否平稳取决于调节阀能否准确动作，使过程控制体现为物料能量和流量的精确变化。所以，要根据不同的需要选择不同的调节阀。选择恰当的调节阀是管路设计的主要问题，也是保证调节系统安全和平稳运行的关键。

1.类型选择

调节阀一般由执行机构和阀门组成。调节阀门是调节阀的调节机构，它根据控制信号的要求而改变阀门开度的大小来调节流量，是一个局部阻力可以变化的节流元件。调节阀门主要由上下阀盖、阀体、阀芯、阀座、填料及压板等部件组成。在自动控制系统中，阀门主要的调节介质为水和蒸汽等。在压力比较低、使用情况单一的情况下，常用的调节阀有直通调节阀、三通调节阀和蝶阀等种类。

执行机构按照使用的能源种类可分为气动、电动、液动3种，即以压缩空气为动力源的气动调节，以电为动力源的电动调节，以液体介质（如油等）压力为动力的液动调节。其中，气动执行机构具有结构简单、动作可靠、性能稳定、价格低、维护方便、防火防爆等优点，在许多控制系统中获得了广泛的应用。电动执行机构虽然不利于防火防爆，但其驱动电源方便可取，且信号传输速度快、便于远距离传输、体积小、动作可靠、维修方便、价格便宜。液动执行器的推力最大，且调节精度高、动作速度快及平稳，但设备体积大，工艺复杂。

2.调节阀门类型的选择

调节阀的阀体类型选择是调节阀选择中最重要的环节。在选择阀门之前，要对控制过程的介质、工艺条件和参数进行细心的分析，了解系统对调节阀的要求，根据所收集的数据来确定所要使用的阀门类型。在具体选择时，可从以下几方面考虑：

芯形状结构主要根据所选择的流量特性和不平衡力等因素考虑；

2.1.耐磨损性当流体介质是含有高浓度磨损性颗粒的悬浮液时，阀芯、阀座接合面每一次关闭都会受到严重摩擦。因此阀门的流路要光滑，阀的内部材料要坚硬；

2.2.耐腐蚀由于介质具有腐蚀性，在能满足调节功能的情况下，尽量选择结构简单阀门；

2.3.介质的温度、压力当介质的温度、压力高且变化大时，应选用阀芯和阀座的材料受温度、压力变化小的阀门；

2.4.防止闪蒸和空化闪蒸和空化只产生在液体介质中。在实际生产过程中，闪蒸和空化不仅影响流量系数的计算，还会形成振动和噪声，使阀门的使用寿命变短，因此在选择阀门时应防止阀门产生闪蒸和空化。

3.调节阀执行机构的选择

3.1.考虑执行机构的输出力执行机构不论是何种类型，其输出力都是用于克服负荷的有效力（主要是指不平衡力和不平衡力矩、摩擦力、密封力、重力等有关力的作用）。因此，为了使调节阀正常工作，配用的执行机构要能产生足够的输出力来克服各种阻力，保证高度密封和阀门的开启。

3.2.考虑执行机构的使用环境要求对执行机构输出力确定后，根据工艺使用环境要求，选择相应的执行机构。例如，对于现场有防爆要求时，应选用气动执行机构，且接线盒为防爆型，不能选择电动执行机构。如果没有防爆要求，则气动、电动执行机构都可选用，但从节能方面考虑，应尽量选用电动执行机构。对于液动执行机构，虽然使用不如气动、电动执行机构广泛，但它具有调节精度高、动作速度快和平稳的特点，所以在特殊的情况下，为了达到较好调节效果也会采用。

最后，还要考虑执行机构的可靠性、经济性，选择动作平稳、重量轻、外观美、结构简单、维护方便的执行机构。

4.性能

4.1.工作原理

根据流体力学可知，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。对不可压缩流体，调节阀的流量可表示为

——调节阀某一开度的流量， mm3/s

——调节阀进口压力， MPa

——调节阀出口压力， MPa

——节流截面积， mm2

——调节阀阻力系数

——流体密度， kg/mm3

由式（1）可知，当一定，也恒定时，通过阀的流量随阻力系数变化，即阻力系数愈大，流量愈小。而阻力系数则与阀的结构和开度有关。所以调节器输出信号控制阀门的开或关，可改变阀的阻力系数，从而改变被调介质的流量。

4.2.流量特性

调节阀的流量特性是指被调介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。其数学表达式为

——调节阀全开时流量， mm3/s

——调节阀某一开度的行程， mm

——调节阀全开时行程， mm

调节阀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调节阀进出口压差固定不变情况下的流量特性，有直线、等百分比、抛物线及快开4种特性（表1）。

在实际系统中，阀门两侧的压力降并不是恒定的，使其发生变化的原因主要有两个方面。一方面，由于泵的特性，当系统流量减小时由泵产生的系统压力增加。另一方面，当流量减小时，盘管上的阻力也减小，导致较大的泵压加于阀门。因此调节阀进出口的压差通常是变化的，在这种情况下，调节阀相对流量与相对开度之间的关系。称为工作流量特性。具体可分为串联管道时的工作流量特性和并联管道时的工作流量特性。

表1 调节阀4种理想流量特性

流量特性性质特点

直线调节阀的相对流量与相对开度呈直线关系，即单位相对行程变化引起的相对流量变化是一个常数1）小开度时，流量变化大，而大开度时流量变化小

2）小负荷时，调节性能过于灵敏而产生振荡，大负荷时调节迟缓而不及时

3）适应能力较差

等百分比单位相对行程的变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比1）单位行程变化引起流量变化的百分率是相等的

2）在全行程范围内工作都较平稳，尤其在大开度时，放大倍数也大，工作更为灵敏有效

3）应用广泛，适应性强

抛物线特性介于直线特性与等百分比特性之间，使用上常以等百分比特性代之1）特性介于直线与等百分比特性之间

2）调节性能较理想但阀瓣加工较困难

快开在阀行程较小时，流量就有比较大的增加，很快达最大1）在小开度时流量已很大，随着行程的增大，流量很快达到最大

2）一般用于双位调节和程序控制