哈工大的过程控制课程第四章

第四章调节阀§4-1气动调节阀结构§4-2调节阀的节流原理和流量系数§4-3调节阀结构特性和流量特性§4-4气动调节阀选型

§4-1气动调节阀结构一、气动执行器的特点二、气动执行器(一)气动执行机构1.气动薄膜执行机构2.气动活塞式执行机构(二)阀1．阀的结构类型2．阀芯结构型式三、气动执行器气开和气关组合方式§4-2调节阀的流量系数一、调节阀的节流原理和流量系数二、流体在调节阀中的流动状态三、调节阀流量系数计算（一）一般液体的C值计算（二）高粘度液体的C值计算（三）一般气体的C值计算（四）蒸汽的C值计篡§4-3调节阀结构特性和流量特性一、调节阀的结构特性1.直线结构特性2.等百分比特性3.快开结构特性4.抛物线结构特性二、调节阀的流量特性1.理想流量特性2.工作流量特性§4-4气动调节阀选型一、调节阀结构形式的选择二、调节阀气开、气关形式的选择三、调节阀流量特性选择1.调节阀的工作特性选择2.由工作特性选择阀的理想特性四、调节阀口径的确定五、调节阀材料的选择第四章调节阀一、执行器在过程控制系统中的作用及组成作用：接受控制信号，控制物料流量，使过程稳定在工艺范围内，代替人工操作，实现过程的自动化。包括：气动、电动和液动。执行器由执行机构和调节机构组成，主要是执行机构不同，调节机构基本相同。执行机构：控制信号产生推力或位移的装置调节机构：根据执行机构输出信号去直接改变能量或物料输送量的装置，通常指调节阀。

液动推力最大，电动执行器的执行机构和调节机构是可分开的两部分；气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体（气动调节阀）。

角行程电动执行器气动执行器直行程电动执行器二、执行器分类1.执行机构1）能源：气动、电动和液动执行器2）结构形式：薄膜、活塞（气缸）和长行程执行机构2.调节阀（结构特性和流量特性）1）结构：直通单座、直通双座、三通、隔膜、蝶形、球阀、偏心旋转、套筒（笼式）2）流量特性：直线、对数（等白分比）、抛物线、快开等。

接收标准信号，控制内部电机驱动阀门的开度来决定所要传送液体或气体的流量。阀门活动的方式不同，旋转式和直线式采用直线运动来完成该任务。带有通讯和智能控制的功能（带现场总线接口）。发展趋势和其他自动化仪表一样会越来越智能化。旋转式阀门执行器直线式阀门执行器一、气动执行器的特点气动执行器以压缩空气为能源，以20一100kPa气压信号为输入控制信号。具有结构简单，动作可靠，性能稳定，输出推力大，维修方便，本质安全防爆和价格低廉等待点。正确选择气动执行器和流量特性，可改善控制系统的控制质量，满足工艺过程的要求。执行器的正确选用、安装及维护等各个环节都必须重视。阀门定位器气动薄膜调节阀实物图执行机构阀附注：气动薄膜调节阀型号命名尾注：气开“K”，气关“B”气动执行机构薄膜式活塞式长行程滚筒膜片正作用反作用比例式两位式正作用反作用二、气动执行器气动调节阀由气动执行机构和阀两部分组成。

气动执行机构是气动调节阀的推动装置，它接受输入的气压信号，产生相应的推力，使推杆发生位移，推动阀门动作。

阀指与管路联接的阀体组件部分，它接受执行机构的推杆推力，改变阀杆位移，从而改变阀门的开度，最终控制阀内流体的流量变比。气动薄膜调节阀(一)气动执行机构：气动薄膜式和活塞式执行机构1.气动薄膜执行机构分为有压缩弹簧和无压缩弹簧两种，又分为正作用和反作用两种型式，国产型号为ZMA(正作用)和ZMB（反作用）。

☆输入信号压力增加，推杆下移的叫正作用

☆输入信号压力增加，推杆上移的叫反作用正作用可改为反作用，正作用膜头下方加上型密封圈的填块，更换个别零件，输入信号从膜头下方引入。（a）正作用式（ZMA型）1-上膜盖2-波纹膜片3-下膜盖4-支架5-推杆6-压缩弹簧7-弹簧座8-调节件9-螺母10-行程标尺（b）反作用式（ZMB型）1-上膜盖2-波纹膜片3-下膜盖4-密封膜片5-密封环6-填块7-支架8-推杆9-压缩弹簧10-弹簧座11-衬套12-调节件13-行程标尺

输出特性是比例式的，即推杆的位移变化量和输入气压信号变比量之间成线性关系。信号压力越大，薄膜上的推力越大，与其平衡的弹簧反力越大，即推杆位移越大。推杆位移就是执行机构的直线输出位移，也称行程。DN：公称通径(公称直径),就是各种管子与管路附件的通用口径。同一公称直径的管子与管路附件均能相互连接，具有互换性.不是实际意义上的管道外径或内径，虽然其数值跟管道内径较为接近或相等；

阀门定位器气动薄膜调节阀结构简图执行机构阀公称直径DN阀座直径dn2）阀：1）执行机构：将气压1.各部分的作用→阀杆位移阀杆位移→调节流量Q3）阀门定位器：FiFf2）阀：1）执行机构：3）阀门定位器：将气压p→阀杆位移l将阀杆位移l→调节流量Q提高控制系统精度

2．气动活塞式执行机构

活塞随两侧的压差而移动，两侧可分别输入不同的信号p1和p2，可以1个是固定信号，或两个都是变动信号。

气缸操作压力允许为500kPa，因无弹簧反作用力输出推力大，适合于高静压，高压差的场合。输出持性有两位式和比例式两种。两位式根据两侧的压差而工作。压差产生推力，活塞被推向低压侧，推杆由一个极端位置到另一个极端位置。比例式带有阀门定位器工作原理要复杂些。

气动活塞式执行机构（1-活塞2-气缸）带定位器的活塞式执行机构1波纹管2杠杆3功率放大器4、6上、下喷嘴5-挡板7功放8调零弹簧9推杆10活塞11气缸12反馈弹簧p1→波纹管→输入力矩M1

→

杠杆绕O逆时针偏转

→挡板5靠向喷嘴4而远离喷嘴6→放大器3的P出l增加、放大器7的P出2减小→

活塞10下移、反馈弹簧12对杠杆产生反馈力M2→杠杆2绕O顺时针偏转。杠杆上的输入力矩M1和反馈力矩M2相平衡时，活塞稳定在一个新的位置而不变，活塞位移量S和输入信号压力p1成比例，关系为：P1输入信号压力；A波纹管1的有效面积；l1、l2力臂长度；C反馈弹簧12的刚度。(二)阀

阀下部的阀体组件，局部阻力可变的节流元件。阀芯在阀杆的推动下移动，改变阀芯与阀座间的流通面积，则阀的阻力系数变，被控介质的流量发生改变。1．阀的结构类型由上、下阀盖、阀体、阀座、阀芯、阀杆、填料和压板等组成。双导向正装直通单座1-阀杆2-压板3-填料4-上阀盖5-阀体（1）直通单座阀阀的公称直径DN和阀座直径dn标志着阀的规格大小。阀芯和阀杆有两种连接方法，口径较大的阀靠螺纹连接，有固定销固紧(b)所示；口径较小的阀，阀杆直接嵌入阀芯内部，用两个互相垂直的圆柱销固紧(a)所示。（a）（b）阀杆阀芯连接图

阀有正装和反装两种。阀芯下移时流通截面减小，则称为“正装”阀；反之称为“反装”阀。

♠对于DN≥25mm的阀，阀芯为双导向，所以正、反装可以互换；

♠对于DN＜25mm的单座阀，阀芯为单导向，只能正装而不能反装。

(2)直通双座阀两个阀芯和阀座，从左侧进入从右侧流出，流量系数约增大20％～30％。流体作用在上、下阀芯上的不平衡力互相抵消，不平衡力小，允许压差大。缺点泄漏量较大，流路复杂，高压差时流体对阀体内部冲刷和气蚀损伤大，不适于高粘度介质和含纤维、有悬浮颗粒的介质。1-阀杆2-压板3-填料4-上阀盖5-衬套6-阀芯7-阀座8-阀体9-下阀盖直通双座调节阀

上、下阀盖有衬套，起导向作用，称为双导向。有双导向结构的调节机构，阀芯可以正装或反装。

♠正装指阀芯下移，阀芯与阀应之间的流通截面积减小；

♠反装指阀芯下移时，阀芯与阀座之间的流通截面积增大。阀芯的正装与反装1-阀杆2-阀芯3、4-阀座

（3）蝶阀（翻板阀）与长行程执行机构相配合。由阀体、挡板、挡板轴和轴封等部分组成。特点是阻力损失小，结构简单、紧凑，使用寿命长．持别适用于低压差，大口径，大流量气体及悬浮液流体的场合。泄漏量大不易工作在小角度。蝶阀结构示意图1-阀体2-挡板3-轴封4-挡板轴气动蝶阀：旋转型调节阀

气动薄膜直通双座调节阀2．阀芯结构型式分直行程和角行程阀芯两大类。（1）直行程阀芯①平板形阀芯

其结构简单，加工容易，具有快开持性，可作两位式控制。②多级阀芯

把几个阀芯串联在一起，起到逐级降压作用。适用于高压阀，可防止气蚀的破坏作用。平板形阀芯多级阀芯

③柱塞型阀芯

柱塞型阀芯可分为上、下双导向及上导向两种。柱塞型阀芯常见的持性有直线和等百分比两种。柱塞型阀芯

④窗口型阀芯

左边的为合流型，右边的为分流型。窗口型阀芯常见的特性有直线、等百分比和抛物线三种。⑤套筒阀芯为圆筒状，套在套筒内，在阀杆带动下作上下移动。适用于干净气体或液体的控制，是较新的一种结构。窗口型阀芯套筒阀芯(2)角行程阀芯旋转运动来改变它与阀座间的流通面积。☆偏心旋转阀芯(a)，用于偏旋阀。☆蝶形阀芯(b)，用于蝶阀。☆球形阀芯(c)，用于球形阀，有“O”和“v”型。三、气动执行器气开和气关组合方式

气动调节阀的气开与气关方式是由执行机构的正、反作用和阀的正、反装相配合而实现的。输入增加阀杆下移输入增加阀杆上移阀杆下移流量减小阀杆下移流量增加

气开指随着执行器输入信号的增大，阀的流通截面积增大；

气关指随着执行器输入信号的增大，阀的流通截面积减小。实现执行器的气开或气关时有四种组合方式。（a）、（d）气关式；（b）、（c）气开式

一、调节阀的节流原理和流量系数

流体能量守恒原理得到流体在阀中的能量损失H与阀前后压差（p1-p2）之间的关系为H：单位质量流量流经阀的能量损失

p1、p2：阀前后的压力，Paρ：流体密度，kg／m3

（4-1）

若流体为不可压缩的，则单位质量流量的能量损失与流体的动能成正比，即μ：流体的平均速度m／sξ：调节阀的阻力系数（4-2）

流体在调节阀中的平均速度（4-3）

（4-4）则调节阀的流量方程式为

Q体积流量m3／s；A调节阀管口的截面积m2

（4-5）若单位分别为

A：cm2；ρ：kg／m3；Δp＝p1-p2，100kPa；Q：m3／h。则实际应用的流量方程式为

当截面A、Δp、ρ保持不变，上式改为C为阀的流量系数，与阀芯及阀座的结构、流体性质等因素有关，表示阀的流通能力。

（4-6）定义：在调节阀全开，阀两端压差为100kPa，流体密度为1kg／m3时，通过阀的流体体积流量数值(m3／h)，就是该调节阀的流量系数C(现在用控制阀流量系数Kv代替)。如C=40表示阀在全开、阀前后静压差为100kPa，流体密度为1kg／m3时的水的流量为40m3／h。★取压差单位为kPa，则上式改为（4-7）（4-8）

由式(4-7)可得质量流量M为★当压差单位为Pa时，流量公式为（4-9）

C定义没考虑流动状态及结构对流动状态的影响，流体流动状态关系到调节阀有关计算及应用的问题。二、流体在调节阀中的流动状态

节流处压力和流速变化

缩流处：节流孔后最小截面，pvc压力恢复：缩流处后，流束截面扩大，流速减小，静压回升，静压力回升到p2pvcpv节流处压力和流速变化

3.压力损失：阀内摩擦损失使阀后静压p2不能恢复到阀前的静压p1数值大小，即产生了阀两端的静压力差Δp4.

阻塞流：气体、p1恒定、降低p2，Δp达到临界值时，Q=Qmax，再增加Δp，Qmax不再增大的极限流量。5.临界压差ΔpT产生阻塞流时的阀两端压差。Δp<ΔpT，Q随压差而变化；Δp>ΔpT，形成阻塞流，Q不变6.闪蒸：液体、缩流处的静压pvc<pv（饱和蒸汽压力），液体汽化形成气泡。7.空化：闪蒸后，当静压恢复到大于饱和蒸汽压pv时，气泡转化成液体的现象。pvpvc

pvc＜pv和p2＜pv→闪蒸；

pvc＜pv和p2＞pv

→既有闪蒸又有空化。液体出现闪蒸和空化时，也出现阻塞流。气蚀：闪蒸和空化造成对阀芯、阀座及阀体材质的破坏现象。

pvpvc阻塞流时，缩流处与阀前的压差Δpvc不等于阀两端的压差ΔpT

(临界压差)，Δpvc＞Δpv，用压力恢复系数FL来说明（4-10）或（4-11）

压力恢复系数FL：经缩流处后动能转变成静压能的恢复能力。与几何形状有关，与口径无关。

一般FL＝0.5～0.98，FL小，Δp小，压力恢复越大；高压力恢复阀：结构简单，阻力小，压力恢复能力强如球阀、蝶阀等。低压力恢复阀：结构和流路复杂，阻力大，压力恢复能力差，单座阀、双座阀。表4-1各种调节阀的系数值(FL、xT)

返回例4.1返回例4.2（一）一般液体的C值计算Δp

较小（无闪蒸）时，Q和Δp平方根成正比；闪蒸时关系被破坏，Δp

越大汽化越严重，压差Δp≥ΔpT时，出现阻塞流。计算流量系数首先要判断出是否产生了阻塞流。流量与压差的关系三、调节阀流量系数

判断阻塞流的主要依据：

开始产生阻塞流时缩流处压力pVCT与液体的pv之比，称为临界压力系数FF，表示为：

（4-11）

（4-12）（4-13）

则可得其中

（4-15）

（4-14）FF与Pv和Pc（液体热力学临界压力）之比有对应关系，根据Pv/Pc值，从曲线查出临界压力系数FF。

1．非阻塞流下流量系数的计算

非阻塞流情况C值计算公式为按体积流量QL计算按质量流量ML计算

QL：m3/h；ML：kg／h；Δp＝p1-p2，kPa；p1、p2：kPa；ρL：在p1和T1下的液体密度，g/cm3Pv：T1下液体饱和蒸汽压力(绝压)，kPa

(4-16)

(4-17)2．阻塞流情况下调节阀流量系数的计算产生阻塞流时C的计算公式为★ΔpT代替Δp，用阻塞流下的临界压差直接计算C值★为防止和避免空化现象出现，限制调书阀的Δp<ΔpT

（4-18）（4-19）（二）高粘度液体的C值计算高粘度液体:运动粘度ν

>20×10-6m2／s。粘度过高（其他条件不变），雷诺数Re下降，当Re＜2300处于层流状态，Q∝Δp（线性）。C值是在湍流条件下（Re较高）测得的。

Re↑时C值变化不大，但Re↓时C↓。

对于高粘度液体，在计算C值时应进行雷诺数修正。当Re＜3500时应对式(4—16)、(4—17)、(4—18)、(4-19)计算的C进行低雷诺数修正。Re与阀的结构有关。一个流路的阀（直通单座阀、套筒阀、球阀）Re为（4-20）

有两个流路的阀（直通双座阀、蝶阀）Re为QL：流过调节阀的流体体积流量，m3／h；ν：运动粘废，mm2／S(1mm2／s＝10-6m2／s)；C：按一般液体公式计算出的流量系数。（4-21）

根据计算出的Re值从曲线查得修正系数FR。雷诺数修正系数FR：在其他相同条件下，非湍流流体经过调节阀时的实测流量与按湍流条件下计算出的理论流量之比。修正后的流量系数用C′表示（4-22）

雷诺数修正系数FR★高粘度液体的流量系数计算步骤如下：(1)按一般液体流量计算公式求出C值；(2)按式(4—20)或(4—21)求出不同阀门的雷诺数Re；(3)根据Re，从图中曲线查出FR；(4)由式(4-22)求得高粘度液体的修正后的流量系数C′

（4-22）

（三）一般气体的C值计算阀前后的ρ因压力不同而不同，且阀后小。膨胀系数法：在试验数据的基础上，考虑压力恢复系数FL的影响，计算较准确、合理。压差比x：Δp与阀入口前压力p1之比临界压差比xT：气体开始产生阻塞流时压差比。不同阀的xT见表4—1，是用空气实验而得出的。

（4-23）

确定的阀的空气临界压差比xT为常数，与阀的结构、流路有关，相同条件非空气的xT'和xT不同，与等熵指数κ有关。比热比系数FK：非空气气体的κ与空气的κ空之比，к空＝1.4，即气体在阀内产生阻塞流时的临界压差比xT'为（4-24）

（4-25）

当气体的压差比x＜FκxT时，非阻塞流状态；当气体的压差比x＞FκxT时,为阻塞流状态。1.非阻塞流时气体的C值计算公式为

（4-26）（4-27）

（4-28）

Qg：气体标准状态下的体积流量Nm3/h。（Nm3标准立方米）ρH：气体在标准状态下的密度kg／Nm3；Y：气体膨胀系数；

P1：气体在阀前的绝对压力，kPa；Tl：阀入口处的气体绝对温度，K；

Z：气体的压缩系数；

x：阀的压差比；

Δp：阀两端压差，kPa；

m：气体分子量；G。：气体对空气的密度比，G。＝ρH/ρH空

Y（气体膨胀系数）校正密度对C值影响，与流路形状、节流口面积与阀入口面积比、压差比x、比热比系数FK等因素有关，用下式计算压缩因数Z是比压力Pτ和比温度Tτ的函数。Pτ＝P1/PC，PC为临界压力；Tτ＝Tl/TC，TC为临界温度。（4-29）气体压缩因数图2．阻塞流时，气体的C值计算公式

当x≥FKxT时气体出现阻塞流，C的计算公式或或（4-30）

（4-31）

（4-32）（四）蒸汽的C值计篡1．非阻塞流时蒸汽的C值计算公式（x＜FκxT

）（4-33）（4-34）或2．阻塞流时蒸汽的C值计算公式

（x≥FκxT）或MS：质量流量，kg／h；ρS：入口蒸汽密度

（4-35）

（4-36）

上述C值计算公式，具有普遍性。有的数据是实验得到有局限性，适用于取得FL和xT数据的单座阀、双座阀、套筒阀、蝶阀等。适用牛顿型不可压缩流体(液休)和可压缩流体(气体、蒸汽)及两种流体的均匀混合物，不适用于非牛顿型流体如胶体溶液及泥浆等流体。测试FL和xT是在阀和管径相同条件下进行，须安装在同口径的管道，阀两侧有一定的直管段长度。

粘性使流动时产生内摩擦力阻碍流体的流动。平板间流体的分层运动及速度分布如图。非牛顿型流体：剪应力τ与速度梯度dv/dy不符合牛顿粘性定律的流体均称为非牛顿型流体（与dv/dy成曲线关系或成不过原点的直线关系）。剪应力与速度梯度关系静态时输出l与u成比例，故静态特性又称为流量特性，即§4.3调节阀结构特性和流量特性调节阀的静态特性为符号由作用方式决定，气开为“+”气关为“-”调节阀的动态特性为调节阀的可调比指调节阀能够控制的Q100与Q0之比，也称可调范围，用R表示从使用讲R越大越好，因结构限制，一般R=30阀前后差压不变时的R称为理想可调比，其关系为注：Q0不等于阀泄漏量，能控制的最小流量，一般2～4%Q100；阀泄漏量是阀关闭时的泄漏量，一般为0.5%——0.001%Qmax。一、调节阀结构特性流过阀门流量与开度之间的关系，相对量表示快开阀直线阀抛物线阀等百分比阀F100、f全开、相对节流面积；L100、l全开、相对相对开度1.直线结构特性积分可得边界条件解得称为调节阀可调比特点：小开度时相对变化量大，小开度太灵敏，大开度不够灵敏2.等百分比（对数）结构特性积分得特点：小开度时截流面积变化平缓，大开度变化加快，保证灵敏不变由边界条件解得3.快开结构特性从灵敏度看不如直线特性，较少使用特点：接近百分比特性4.抛物线结构特性二、调节阀的流量特性

Qp1p2介质流经阀门的相对流量和相对开度的关系，即通常改变节流面积可调节流量，但同时导致阻力的变化，使阀前后的压差改变。为便于分析先假设阀前后压差不变，再引申到实际情况，前者称为理想流量特性，后者称为工作流量特性。（一）理想流量特性在调节阀前后差压固定时，有即理想流量特性就是阀门的结构特性根据∴Qp1p21.

直线流量特性:阀的相对开度与相对流量成直线关系，即单位行程变化引起的流量变化是常数。

小开度相对变化大易产生超调引起震荡；大开度时相对变化较小，调解不及时。关系表达式为增益表达式为2.

等百分比特性（对数特性）：单位相对开度所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比

放大系数Kv随开度增加而增加，有利于调节。在小开度时，调节平稳缓和；在大开度时，调节灵敏有效。流量特性为lnq和l成正比行程增加相同间隔，流量增加相同百分比3.快开特性：行程较小流量较大，很快达到最大。适用于两位式调节，阀芯为平板型。

流量特性为4.

抛物线特性：单位相对行程的变化引起的相对流量变化与该点相对流量的平方根成比例关系为

介于直线和对数特性之间，弥补了直线特性小开度时调节性能差的缺点。流量特性为

调节阀全关时仍有约5%的流量，是防止卡瑟；线性实际应用中常采用等百分比阀，因为对象特性往往是非线性的，即：K(Q)PID（二）工作流量特性（1)串联管系阀全开阀阻比：阀全开时的压降与系统总压降之比流量特性：工作流量特性与压降比S有关，阀上压降越小，阀全开流量越小，曲线下移，直线特性畸变为快开特性，对数特性畸变为直线特性，故S太小不利调节，一般>0.3。♠串联时的可调比根据阀阻比定义、可调比定义，则实际可调比为

当S越小时，实际可调比越小。（2）并联管系调节阀工作流量特性

Δ

pQQeQΣ阀全开流量比：流量特性：流量特性畸变见p.81图4.20♠并联管道时的可调比设从旁路通过流量为Q旁，此部分流量调节阀无法调节，故调节阀可调节的最小流量是Qmin=Q旁，于是实际可调比为小结*在理想情况下，阀门流量特性即阀门结构特性。*串联在管道中的阀门流量特性发生畸变，随S100减小，调节范围减小，调节性能变差。*并联在管道中的阀门流量特性发生畸变，随S′100减小，调节范围减小，调节性能变差。*在设计管段时，管道中其他部件引起的差压应尽量小，这样可使流量特性发生畸变较少。§4.4气动调节阀的选择

过程控制中对气动调节阀的选择一般要从一下几个方面进行考虑：(1)由工艺条件选择合适的调节阀结构和类型；2)根据工艺对象特点，选择合适的流量特件；(3）根据工艺参数，计算流量系数，选择阀的口径；(4)根据工艺要求选择执行机构和辅助装置。一、气动调节阀类型的选择

多数选用气动薄膜执行机构；口径较大压差较高时，可选用气动活寒式执行机构。气动调节阀除选择结构型还要确定调节阀的开关方式。开、关方式的原则是：当信号压力中断时，应保证工艺设备和生产的安全。执行机构有正作用和反作用两种作用方式，阀有正装相反装两种结构方式，所以调节阀可组合成四种开启方式。二、控制阀气开、气关形式的选择

基本原则：根据安全生产要求选择阀的气开气关特性实际应用：若气源或电源中断时，进入装置的原料、热源应切断