调节阀流量特性

1、2.4.4控制阀流量特性的选择控制阀流量特性的选择控制阀的流量特性控制阀的流量特性:指流过控制阀的被控介质的相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）之对流量与阀杆的相对行程（即阀门的相对开度）之间的关系。间的关系。数学表达式为数学表达式为Llfqqmaxmaxqql/L相对流量相对流量:是控制阀某一开度时的流量是控制阀某一开度时的流量q与全开时与全开时流量流量qmax 之比。之比。相对开度：表示控制阀某一开度下的阀杆行程相对开度：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。与全开时阀杆全行程之比。 理想特性：在控制阀两端压差固定的条件理想特性：在控制阀两

2、端压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系。下，流量与阀杆位移之间的关系。 它完全它完全取决于阀的结构参数取决于阀的结构参数。 工作特性：指在工作条件下，阀门两端压工作特性：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。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。配给阀门的压降也不同。 工作特性不仅取决于工作特性不仅取决于阀本身的结构参数阀本身的结构参数，也与也与配管情况有关配管情况有关1理想流量特性理想流量特性 控制

3、阀两端压差恒定时的流量特性称为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。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阀门制造厂所提供的流量特性即指理想流量特性。流量特性。 理想流量特性有理想流量特性有线性线性、等百分比（对等百分比（对数）数）、快开、抛物线特性等几种快开、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。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不同流量特性的阀芯曲面形状 1线性；线性；2等百分比；等百分比；3快开；快开；4抛物线抛物线

4、控制阀的理想流量特性（控制阀的理想流量特性（R=30）（1）线性流量特性）线性流量特性 或叫直线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。成直线关系。其数学表达式为：其数学表达式为：KLldqqdmax将上式积分得将上式积分得maxqlKCqL根据已知边界条件在根据已知边界条件在l0时，时，q=qmin 则则Cqmin/qmax lL时，时，q=qmax 则则K1C1(1/R)其中其中R是可调比，即控制阀所能控制的最大流量与最是可调比，即控制阀所能控制的最大流量与最小流量小流量 之比。国产阀之比。国产阀R=30线性控

5、制阀的流量特性见图线性控制阀的流量特性见图 2.31中直线中直线1 从图曲线可看出：当开度从图曲线可看出：当开度l/L变化变化10%时，时，所引起的相对流量的增量总是所引起的相对流量的增量总是9.67%，但相对，但相对流量的变化量却不同，我们以流量的变化量却不同，我们以10%、50%、80%三点为例分析。三点为例分析。 10%开度时，流量的相对变化值为开度时，流量的相对变化值为 50%开度时，流量的相对变化值为开度时，流量的相对变化值为 80%开度时，流量的相对变化值为开度时，流量的相对变化值为 22.71313-61.351.751.7-90.3 80.680.6-100%75%100%19

6、%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；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，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。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（对数流量特性）。等百分比流量特性是指阀杆位移每增加等百分比流量特性是指阀杆位移每增加1%，流，流量均在原来的基础上约增加量均在原来的基础上约增加3.4%，即，即单位相对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行程变

7、化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比关系量成正比关系，即，即控制阀的放大系数控制阀的放大系数KV是变化是变化的，它随相对流量的增加而增加。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等百分比流量特性数学式为maxmaxqqKLldqqd右图中曲线右图中曲线2由于等百分比阀的放大系数由于等百分比阀的放大系数KV随相对开度的增大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，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控制灵敏有效。自动控制系统中最

8、常用的流量特性。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。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快开流量特性在开度较小时就有较大的流量，阀的行程短，有较大的流量，阀的行程短，故称为故称为快开特性快开特性，其特性曲线，其特性曲线见右图中的曲线见右图中的曲线3（4）抛物线流量特性）抛物线流量特性 与与 之间成抛物线关系之间成抛物线关系maxqqlL右图中的曲线右图中的曲线4抛物线流量特性介于线性流量特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要用于三通控制阀及其他特殊场合。合。制造厂通过设计

9、不同形状的控制阀阀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。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特性控制阀和等百分比流量特性控制阀都为曲面形状。阀都为曲面形状。线性流量特性控制阀阀芯曲面的形状线性流量特性控制阀阀芯曲面的形状较较“瘦瘦”，等百分比阀的形状较，等百分比阀的形状较“胖胖”。因此，当被控介质含有固体悬浮物、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。命时，宜选择线性流量特性控制阀。1线性；线性；2等百分比

10、；等百分比；3快开；快开；4抛物线抛物线 2工作流量特性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。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路系统阻力的变化，从而使得阀上的压降也发生变化。变化。（1）串联管道中的工作流量特性）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系统总压差：与

11、控制阀前后相连设备的恒压点之差。差。fVppp系统总压差：系统总压差：fVpppS的定义为，控制阀全开时，阀两端的压的定义为，控制阀全开时，阀两端的压降占系统总压降的比值。降占系统总压降的比值。压力比系数压力比系数S：v m inpSp图图2.34串联管道时控制阀的工作流量特性串联管道时控制阀的工作流量特性在在S1，串联管道中控制阀特性曲线的畸变规律如下：，串联管道中控制阀特性曲线的畸变规律如下： 当系统压降全部损失在控制阀上时（管道阻力当系统压降全部损失在控制阀上时（管道阻力损失为零），损失为零），S1，这时工作流量特性与理想流量，这时工作流量特性与理想流量特性相同。特性相同。 随着随着S的

12、减小，控制阀的流量特性发生畸变，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。理想流量特性趋向于线性特性。 在实际使用中，在实际使用中，S值选得过大或过小都有不妥之处。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，一般希望利。因此，一般希望S值最小不低于值最小不低于0.3。设计中的。设计中的S通常为通常为0.30.6。fRR SfRfR

13、 随着随着S的减小，管道总阻力增大，控制阀全开的减小，管道总阻力增大，控制阀全开时的最大流量相应减小，使实际可调比时的最大流量相应减小，使实际可调比 下降。下降。实际可调比实际可调比 与与S之间的关系为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。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：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；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

14、些，扩大所调节的流量。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。）并联管道中的工作流量特性。图图2.35控制阀与管道控制阀与管道并联工作示意图并联工作示意图1 m axm axqXqX代表并联管道中控制阀全开时代表并联管道中控制阀全开时的流量的流量q1max与总管最大流量与总管最大流量qmax之比之比在在X1时，并联管道控制阀特性曲线的畸变规律如下：时，并联管道控制阀特性曲线的畸变规律如下： 当旁路阀完全关闭时当旁路阀完全关闭时X1，这时控制阀的工作流量，这时控制阀的工作流量特性与理想流量特性一致。特性与理想流量特性一致。 随着随着X值的逐渐减小，即旁路阀逐渐打开，实际可

15、值的逐渐减小，即旁路阀逐渐打开，实际可调比降低。调比降低。控制阀在实际使用中，总存在控制阀在实际使用中，总存在着串、并联管道阻力的影响。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，即要求流量的百分之十几，即要求X值最小不低于值最小不低于0.8。综合串、并联管道的情况，可得如下结论：综合串、并联管道的情况，可得如下结论： 串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，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；串联管道的影响尤为严重； 串、并联管道都会使控制阀的实际可调比降低，并串、并联管道

16、都会使控制阀的实际可调比降低，并联管道尤为严重；联管道尤为严重； 串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加；量增加；3流量特性的选择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。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一般是应先选择工作流量特性，然后，根据实际应用选性，然后，根据实际应用选择理想流量特性。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。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

17、克服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，对象非线性影响而使广义对象接近为线性特性，如图如图2.38所示。所示。控制阀选择总的原则：控制阀选择总的原则：图图2.38控制阀特性补偿示意图控制阀特性补偿示意图正确的选择步骤如下：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。）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）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。发，推断出理想流量特性。配配 管管 状状 态态S 0.60.3S0.6S0.3所需工作所需工作流量特性流量特性线线性性等百分比等

18、百分比线线性性等百等百分比分比快快开开不宜控制或宜选不宜控制或宜选用低用低S控制阀控制阀应选理想应选理想流量特性流量特性线线性性等百分比等百分比 等百分比等百分比线线性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。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被 控控 变变 量量对对 象象 特特 性性选用的控制阀理选用的控制阀理想流量特性想流量特性液位液位或或0.2 pv/qmin pv/qmin2 p

19、v/qmin线性线性 pv/qmax0.2 pv/qmin等百分比等百分比 pv/qmax2 pv/qmin快开快开压力压力快过程快过程等百分比等百分比慢过程慢过程 pv恒定恒定线性线性 pv/qmax0.2 pv/qmin等百分比等百分比（变送器输出与（变送器输出与流量成正比）流量成正比）设定值变化设定值变化线性线性负荷变化负荷变化等百分比等百分比（变送器输出与（变送器输出与流量平方成正比）流量平方成正比）串接串接设定值变化设定值变化线性线性负荷变化负荷变化等百分比等百分比旁路连接旁路连接等百分比等百分比温度温度等百分比等百分比2.4.3控制阀气开、气关形式的选择控制阀气开、气关形式的选择1

20、控制阀的气开、气关形式控制阀的气开、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来可以实现气开和气关两种作用方式。图图2.29气动控制阀气开、气关组合方式图气动控制阀气开、气关组合方式图气开阀：有信号时阀开，信号越大，开得越大，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；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，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；没有信号时，阀全开；2控制阀气开、气关形式的选择控制阀气开、气关形式的选择在控制阀开、关形式的选择，应根据具体生在

21、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生产处于安全状态。一般根据以下几条原则进行选择。进行选择。（1）首先要从生产安全出发。）首先要从生产安全出发。（2）从保证产品质量出发。）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）从降低原料、成品和动力的损耗来考（4）从介质的特点考虑。）从介质的特点考虑。2.4.5控制阀口径的选择控制阀口径的选择正常工况下，要求控制阀开度处于正常工况下，要求控制阀开度处

22、于15%85%，不宜将控制阀口径选得过小或过大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。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。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。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控制阀口径的选择是根据流通能力C值

23、进行选择。值进行选择。流通能力流通能力C的定义是：的定义是：在控制阀全开时，当阀两端压差为在控制阀全开时，当阀两端压差为100 kPa、流体、流体密度为密度为1 g/cm3时，每小时流经控制阀的流体流量时，每小时流经控制阀的流体流量是控制阀的流通能力是控制阀的流通能力C（以（以m3/h表示）。表示）。1控制阀流量系数控制阀流量系数CVmax的计算的计算对不可压缩流体，且阀两端的压差对不可压缩流体，且阀两端的压差p1p2不太大不太大（即流体为非阻塞流）时，其体积流量（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，通过阀的当调节阀上的前后差压

24、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的这种极限流量叫阻塞流. 阻塞流：阻塞流：控制阀流量系数控制阀流量系数CV的计算公式为：的计算公式为：V121010Cqqppp- 流体密度（流体密度（g/cm3）p1p2阀两端的压差（阀两端的压差（kPa）q流经控制阀的体积流量（流经控制阀的体积流量（m3/h）如果控制阀两端的压差如果控制阀两端的压差p1p2保持为保持为100 kPa，则在，则在全开时流经控制阀的水（全开时流经控制阀的水（1 g/cm3）的流量）的流量q即为该即为该阀的流通能力阀的流通能力C值

25、。值。控制阀的口径可根据其在最大工况流量时的流量控制阀的口径可根据其在最大工况流量时的流量系数系数CVmax值、通过查阅产品手册求得值、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。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；）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）根据所选的流量特性及系统特点选定S值，计值，计算出阀门全开时的压差；算出阀门全开时的压差；（3）根据流通能力的计算

26、公式，求得最大流量时的）根据流通能力的计算公式，求得最大流量时的流量系数流量系数CVmax；（4）按已求得的流量系数，在控制阀产品的标准系列）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中，根据所选控制阀的结构类型选取大于CVmax并与之并与之最接近的流通能力最接近的流通能力C值，从而值，从而选取阀门口径选取阀门口径；（5）验证控制阀开度和可调比，一般要求最大流量时）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阀开度不超过90%，最小流量时阀开度不小于，最小流量时阀开度不小于10%。验证合格后，根据验证合格后，根据 CVmax 确定确定控制阀的公称通

27、径控制阀的公称通径和和阀阀座直径座直径。2.4.6 阀门定位器的正确使用阀门定位器的正确使用阀门定位器分为气动和电阀门定位器分为气动和电-气阀门定位器两大类。气阀门定位器两大类。以电以电-气阀门定位器为例，说明阀门定位器的动作原理气阀门定位器为例，说明阀门定位器的动作原理1电电-气阀门定位器气阀门定位器电电-气阀门定位器具有电气阀门定位器具有电-气转换和气动阀门定位器的气转换和气动阀门定位器的双重作用。双重作用。一方面可用电动控制器输出的一方面可用电动控制器输出的010 mA DC或或 420 mA DC信号去操纵气动执行机构；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

28、准确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）。定位（即输入信号与阀门位置呈一一对应关系）。改变图改变图2.39中反馈凸轮的形状或安装位置，还可以改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。变控制阀的流量特性和实现正、反作用调整。1永久磁钢；永久磁钢；2导磁体；导磁体；3主杠杆（衔铁）；主杠杆（衔铁）；4平衡弹簧；平衡弹簧；5反馈凸轮支点；反馈凸轮支点；6反馈凸轮；反馈凸轮；7副杠杆；副杠杆；8副杠杆支点；副杠杆支点；9薄膜执行机构；薄膜执行机构；10反馈杆；反馈杆；11一滚轮；一滚轮；12反馈弹簧；反馈弹簧；13

29、调零弹簧；调零弹簧；14挡板；挡板；15喷嘴；喷嘴；16主杠杆支点；主杠杆支点；17放大器放大器 图图2.39电电-气阀门定位器动作原理气阀门定位器动作原理图图2.40 控制阀执行机构的滞环特性控制阀执行机构的滞环特性当阀杆在上移和下移两当阀杆在上移和下移两种情况下，对应同一阀种情况下，对应同一阀杆位置其输入气压信号杆位置其输入气压信号P是不一样的，形成了是不一样的，形成了“回差回差”。阀门定位器能解决这一问题阀门定位器能解决这一问题电电-气阀门定位器是按力矩平衡原理工作的。气阀门定位器是按力矩平衡原理工作的。图图2.41 阀门定位器控制阀框图阀门定位器控制阀框图 调零弹簧调零弹簧13用于调整

30、零位。在分程控制时，可通过用于调整零位。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（如号范围内（如010 mA DC或或420 mA DC电流等），电流等），输出均为输出均为20100 kPa。2阀门定位器的功能阀门定位器的功能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）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，的

31、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控制器发出的信号正确定位。从而保证阀门位置按控制器发出的信号正确定位。 要求阀位做精确调整的场合；要求阀位做精确调整的场合； 在大口径、高压差等不平衡力较大的场合，可减少在大口径、高压差等不平衡力较大的场合，可减少不平衡力对阀杆位移的影响；不平衡力对阀杆位移的影响； 为防止泄漏而需要将填料压得很紧，致使干摩擦较为防止泄漏而需要将填料压得很紧，致使干摩擦较大的场合（如高压、高温或低温等）；大的场合（如高压、高温或低温等）； 在输送黏性流体及悬浮物的场合（用来正确定位）。在输送黏性流体及悬浮物的场合（用来正确定位）。 2）改善阀的动态特性，增大了调节阀的功率。）改善阀的动态特性，增大了调节