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公司生產(chǎn)的流量控制閥、壓差控制閥、全焊接球閥等產(chǎn)品被建設(shè)部定為工程建設(shè)推薦產(chǎn)品，先后被國(guó)家重點(diǎn)工程選用。2015年10月15日河北同力自控閥門(mén)制造有限公司（石家莊辦事處領(lǐng)導(dǎo)及技術(shù)人員）參加了此次會(huì)議，會(huì)議開(kāi)展非常順利，參會(huì)設(shè)計(jì)院、暖通界內(nèi)人士云集。此次《河北省暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)》河北同力公司展出了2015年新產(chǎn)品鋼制焊接熱力入口裝置、平衡閥及焊接球閥；
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自控設(shè)計(jì)中調(diào)節(jié)閥流量特性的選用問(wèn)題
標(biāo)簽：自力式流量控制閥
1 引言
調(diào)節(jié)閥作為過(guò)程控制的終端元件，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程中，其技術(shù)和使用條件也比較成熟，但由于生產(chǎn)中不確定因素多，對(duì)象的特性又多種多樣，使得調(diào)節(jié)閥的選用比較復(fù)雜，并且調(diào)節(jié)閥的性能指標(biāo)如何又直接影響到過(guò)程控制的質(zhì)量好壞，尤其是流量特性的確定。在此，就調(diào)節(jié)閥理想流量特性的選擇問(wèn)題進(jìn)行探討。
調(diào)節(jié)閥作為過(guò)程控制的終端元件，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程中，其技術(shù)和使用條件也比較成熟，但由于生產(chǎn)中不確定因素多，對(duì)象的特性又多種多樣，使得調(diào)節(jié)閥的選用比較復(fù)雜，并且調(diào)節(jié)閥的性能指標(biāo)如何又直接影響到過(guò)程控制的質(zhì)量好壞，尤其是流量特性的確定。在此，就調(diào)節(jié)閥理想流量特性的選擇問(wèn)題進(jìn)行探討。
2 調(diào)節(jié)閥的流量特性
調(diào)節(jié)閥出廠時(shí)所標(biāo)明的都是理想流量特性，是按閥兩端壓降固定不變的理想狀況來(lái)設(shè)計(jì)的，主要有圖1所示的直線型、對(duì)數(shù)型、拋物線型和快開(kāi)型四種形式。圖中的I/L（%）表示相對(duì)開(kāi)度對(duì)Q/Qmax（%）表示相對(duì)流量。
但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于多種因素的影響，如管道內(nèi)壁壓降、管件局部阻力壓降等的存在和變化，使得調(diào)節(jié)閥在不同開(kāi)度下的壓降發(fā)生變化，理想的流量特性會(huì)畸變?yōu)楣ぷ髁髁刻匦浴＜词瓜嗤恼{(diào)節(jié)閥，當(dāng)應(yīng)用于不同的管路系統(tǒng)中時(shí)，其工作特性一般也是不一樣的。通常用壓降比s來(lái)反映流量特性的畸變程度。
式中：
Δpv全開(kāi) 表示調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)閥上的壓力降；
Δpv總 表示包括調(diào)節(jié)閥在內(nèi)的全部管路系統(tǒng)的總壓降。
生產(chǎn)過(guò)程中，由于調(diào)節(jié)閥通常串聯(lián)在管路系統(tǒng)中，閥門(mén)開(kāi)度的變化自然會(huì)引起流量的變化。根據(jù)流體力學(xué)原理，管道中流體壓力的損失與流速的平方成正比，因此，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度一旦改變，流量就會(huì)變化，管路系統(tǒng)各處的壓力降也都相應(yīng)地變化，其變化情況如圖2所示。
由調(diào)節(jié)閥上壓差的變化量△Pvi、壓差△Pv、開(kāi)度l/L及壓降比s的關(guān)系公式
式中，Qmax表示管道壓力降等于零時(shí)調(diào)節(jié)閥的全開(kāi)流量；
Q表示調(diào)節(jié)閥在l/L開(kāi)度的流量。
從上式可以看出，調(diào)節(jié)閥的工作流量特性是受壓降比s直接影響的。在s=1時(shí)，管道阻力降為零，系統(tǒng)的總壓降全部降落在調(diào)節(jié)閥上，實(shí)際的工作流量特性與理想流量特性一致。但隨著管道阻力降的增加，s值變小，不僅調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的流量減少，曲線下移，而且流量特性也發(fā)生了很大畸變，成為一系列向上拱的曲線，理想的直線特性畸變?yōu)榭扉_(kāi)工作特性，理想的對(duì)數(shù)特性畸變?yōu)橹本€工作特性，如圖3所示。
從上式可以看出，調(diào)節(jié)閥的工作流量特性是受壓降比s直接影響的。在s=1時(shí)，管道阻力降為零，系統(tǒng)的總壓降全部降落在調(diào)節(jié)閥上，實(shí)際的工作流量特性與理想流量特性一致。但隨著管道阻力降的增加，s值變小，不僅調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的流量減少，曲線下移，而且流量特性也發(fā)生了很大畸變，成為一系列向上拱的曲線，理想的直線特性畸變?yōu)榭扉_(kāi)工作特性，理想的對(duì)數(shù)特性畸變?yōu)橹本€工作特性，如圖3所示。
3 調(diào)節(jié)用理想流量特性的選擇方法
根據(jù)一般對(duì)象的特性，調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇問(wèn)題，實(shí)際上就是如何選擇直線型和對(duì)數(shù)型流量特性的問(wèn)題。應(yīng)首先根據(jù)工藝過(guò)程情況確定工作特性，然后根據(jù)工作特性和管路系統(tǒng)的配置等情況選擇合適的調(diào)節(jié)閥理想流量特性。
3.1 確定調(diào)節(jié)閥的工作流量特性
關(guān)于工作特性的確定，應(yīng)滿足在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，對(duì)象特性的變化能通過(guò)調(diào)節(jié)閥的特性變化得到補(bǔ)償，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)中廣義對(duì)象的特性盡可能穩(wěn)定，保證調(diào)節(jié)質(zhì)量。
如果忽略對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的變化，則調(diào)節(jié)閥的工作特性確定應(yīng)能使廣義對(duì)象總的放大系數(shù)為恒定值，即適當(dāng)選擇閥的特性，以閥的放大系數(shù)的變化來(lái)補(bǔ)償對(duì)象放大系數(shù)的變化，從而保持廣義對(duì)象的靜特性呈線性。
如果對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性不能忽略，則不僅要考慮放大系數(shù)的補(bǔ)償，還需要考慮動(dòng)態(tài)特性的補(bǔ)償，也就是說(shuō)，還要考慮用閥的放大系數(shù)的變化來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的變化，以維持系統(tǒng)應(yīng)有的穩(wěn)定性。如對(duì)象的滯后、時(shí)間常數(shù)隨著負(fù)荷的增大而減小時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會(huì)降低，此時(shí)調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)應(yīng)隨之變小才能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到恢復(fù)。
實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要是根據(jù)對(duì)象的靜態(tài)特性確定調(diào)節(jié)閥的工作特性。圖4示意的是不同負(fù)荷下的對(duì)象特性曲線。
（1）當(dāng)對(duì)象的工作點(diǎn)比較穩(wěn)定、調(diào)節(jié)閥兩端的壓差也比較穩(wěn)定時(shí)，閥門(mén)的開(kāi)度基本上保持在一個(gè)固定的位置上，閥門(mén)的放大系數(shù)Kv變化不大，對(duì)象的放大系數(shù)Kv也變化不大，此種情況下，不論是線性特性還是對(duì)數(shù)特性都可以。
（2）控制閥兩端的壓差是主要的干擾時(shí)，要確保工作點(diǎn)的穩(wěn)定，則必須通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度來(lái)維持調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量穩(wěn)定，并且Kv還不應(yīng)發(fā)生變化。
對(duì)于線性閥，它的流量特性方程是：
k為常數(shù)。但由于閥門(mén)兩端的壓差是主要干擾，導(dǎo)致Qmax發(fā)生變化。因此，Kv也發(fā)生了變化。
對(duì)于對(duì)數(shù)閥，流量特性方程是：
k′為常數(shù)。由于調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量Q要求不變，雖然閥門(mén)的開(kāi)度發(fā)生了變化，但Kv并沒(méi)有變化。因此，當(dāng)閥兩端的壓差是主要干擾時(shí)，應(yīng)該選用工作特性為對(duì)數(shù)型的閥門(mén)。
（3）當(dāng)用于隨動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，即給定值是主要作用時(shí)，應(yīng)比較同一負(fù)荷但不同測(cè)量值z(mì)下的對(duì)象放大系數(shù)K0值，如圖4中的1、2、3點(diǎn)。如果K0值比較恒定，則選線性工作特性；如果K0值是隨調(diào)節(jié)介質(zhì)流量的增加而下降的，則選對(duì)數(shù)工作特性。否則選快開(kāi)特性。
表1 調(diào)節(jié)閥的工作流量特性確定表
|
調(diào)節(jié)系統(tǒng) |
主要干擾 |
附加條件 |
工作特性 |
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液位 |
入口調(diào)節(jié) |
給定值 |
|
直線型 |
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設(shè)備出口阻力 |
直線型 |
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出口調(diào)節(jié) |
給定值 |
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對(duì)數(shù)型 |
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|
設(shè)備出口流量 |
直線型 |
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壓力 |
給定值 |
液體 |
對(duì)數(shù)型 |
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檢測(cè)點(diǎn)在調(diào)節(jié)閥之前 |
對(duì)數(shù)型 |
|||
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管件及設(shè)備阻力 |
對(duì)數(shù)型 |
|||
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檢測(cè)點(diǎn)在調(diào)節(jié)閥之后 |
對(duì)數(shù)型 |
|||
|
給定值 |
氣體 |
對(duì)數(shù)型 |
||
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檢測(cè)點(diǎn)在調(diào)節(jié)閥之前 |
對(duì)數(shù)型 |
|||
|
管件及設(shè)備阻力 |
對(duì)數(shù)型 |
|||
|
檢測(cè)點(diǎn)在調(diào)節(jié)閥之后 |
開(kāi)方根型 |
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|
流量 |
給定值 |
有開(kāi)方器 |
對(duì)數(shù)型 |
|
|
有開(kāi)方器 |
||||
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調(diào)節(jié)閥壓差 |
有開(kāi)方器 |
對(duì)數(shù)型 |
||
|
有開(kāi)方器 |
||||
|
溫度 |
給定值 |
|
直線型 |
|
|
調(diào)節(jié)閥壓差 |
對(duì)數(shù)型 |
|||
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調(diào)節(jié)介質(zhì)的溫度 |
對(duì)數(shù)型 |
|||
|
被閥介質(zhì)的溫度 |
直線型 |
|||
|
被調(diào)介質(zhì)的流量 |
對(duì)數(shù)型 |
|||
（4）當(dāng)用于定值系統(tǒng)，且負(fù)荷是主要干擾時(shí)，應(yīng)比較在同一測(cè)量值z(mì)但是不同負(fù)荷下的對(duì)象放大系數(shù)K0值，如圖4中的1、4、5點(diǎn)。閥門(mén)特性的選擇如同上述隨動(dòng)系統(tǒng)的情況一樣。
由于實(shí)際情況復(fù)雜，影響因素多，調(diào)節(jié)閥選擇時(shí)應(yīng)抓住主要矛盾，考慮最主要的外來(lái)作用。根據(jù)理論分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出調(diào)節(jié)閥工作流量特性的選擇表1。
由于實(shí)際情況復(fù)雜，影響因素多，調(diào)節(jié)閥選擇時(shí)應(yīng)抓住主要矛盾，考慮最主要的外來(lái)作用。根據(jù)理論分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出調(diào)節(jié)閥工作流量特性的選擇表1。
3.2 依據(jù)配管情況和工作特性，推斷閥的理想流量特性
當(dāng)s=0.6-1.0時(shí)，理想流量特性的畸變尚不嚴(yán)重，此時(shí)，需要什么樣的工作特性就選擇什么樣的理想流量特性。
當(dāng)s=0.3-0.6時(shí)，理想特性有一定程度的畸變，線性的工作特性應(yīng)選擇對(duì)數(shù)的理想特性；對(duì)數(shù)的工作特性則仍然選擇對(duì)數(shù)的理想特性。當(dāng)s<0.3時(shí)，理想特性畸變嚴(yán)重，實(shí)際的調(diào)節(jié)閥工作特性對(duì)于保證調(diào)節(jié)性能已不合適。但可以通過(guò)以下方法進(jìn)行處理：
（1）修正閥芯曲面，使其理想特性曲線彎曲的更甚，以滿足低s值下對(duì)工作特性的要求。
（2）采用串級(jí)控制系統(tǒng)，用一個(gè)流量調(diào)節(jié)的副回路代替單一的調(diào)節(jié)閥，只要將副回路整定得可以工作就可以。此時(shí)，閥的流量特性對(duì)于主被控變量的調(diào)節(jié)不再產(chǎn)生明顯的影響。
實(shí)際工作過(guò)程中，在對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能要求不是很高的情況下，也可以直接依據(jù)被控變量與過(guò)程狀態(tài)選擇調(diào)節(jié)閥的理想流量特性，如表2所示。
表2 調(diào)節(jié)用理想特性選用表
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被控變量 |
工作狀態(tài) |
理想特征 |
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|
液位 |
PV穩(wěn)定 |
線性型 |
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PV（Qmax）<0.2PV（Qmin） |
對(duì)數(shù)型 |
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PV（Qmax）>2PV（Qmin） |
快開(kāi)型 |
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壓力 |
快過(guò)程 |
對(duì)數(shù)型 |
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慢過(guò)程 |
線性型 |
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慢過(guò)程PV（Qmax）<0.2PV（Qmin） |
對(duì)數(shù)型 |
||
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流量 |
線性變送器 |
設(shè)定值變化 |
線性型 |
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負(fù)荷變化 |
對(duì)數(shù)型 |
||
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非線性變送器 |
串接，設(shè)定值變化 |
線性型 |
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串接，負(fù)荷變化 |
對(duì)數(shù)型 |
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旁路連接 |
對(duì)數(shù)型 |
||
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溫度 |
|
對(duì)數(shù)型 |
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4 特性選擇時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題
（1）由于可供選擇的調(diào)節(jié)閥的理想流量特性的形式有限，因此，對(duì)象特性的變化很難達(dá)到完全補(bǔ)償，這時(shí)可以考慮通過(guò)閥門(mén)定位器的反饋凸輪進(jìn)行改善。
（2）對(duì)于操作參數(shù)不能準(zhǔn)確確定的新設(shè)計(jì)工藝裝置，或調(diào)節(jié)閥的計(jì)算數(shù)據(jù)過(guò)于保守時(shí)，最好選用對(duì)數(shù)理想特性的調(diào)節(jié)閥。因?yàn)閷?duì)數(shù)特性的閥門(mén)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。
（3）當(dāng)調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作在小開(kāi)度時(shí)，應(yīng)選用對(duì)數(shù)特性的閥；當(dāng)調(diào)節(jié)閥的使用壽命是主要考慮的因素時(shí)，應(yīng)選用理想特性為直線的調(diào)節(jié)閥。
（4）有時(shí)，由于流體輸送機(jī)械的能力有限，調(diào)節(jié)閥必須工作在低s值下運(yùn)行。
（5）由于結(jié)構(gòu)上的原因，閥門(mén)兩端的壓降不能超過(guò)一定的極限值，因?yàn)楦邏翰钕碌臏p壓閥很容易破損。這時(shí)往往允許加限流孔板，適當(dāng)進(jìn)行分壓，此時(shí)s值也必須降低。
（6）近年來(lái)，節(jié)能問(wèn)題越來(lái)越受到重視，減小s值有利于節(jié)約能耗。如對(duì)于高壓系統(tǒng)，考慮到節(jié)約動(dòng)力，允許s=0.15。
（1）由于可供選擇的調(diào)節(jié)閥的理想流量特性的形式有限，因此，對(duì)象特性的變化很難達(dá)到完全補(bǔ)償，這時(shí)可以考慮通過(guò)閥門(mén)定位器的反饋凸輪進(jìn)行改善。
（2）對(duì)于操作參數(shù)不能準(zhǔn)確確定的新設(shè)計(jì)工藝裝置，或調(diào)節(jié)閥的計(jì)算數(shù)據(jù)過(guò)于保守時(shí)，最好選用對(duì)數(shù)理想特性的調(diào)節(jié)閥。因?yàn)閷?duì)數(shù)特性的閥門(mén)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。
（3）當(dāng)調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作在小開(kāi)度時(shí)，應(yīng)選用對(duì)數(shù)特性的閥；當(dāng)調(diào)節(jié)閥的使用壽命是主要考慮的因素時(shí)，應(yīng)選用理想特性為直線的調(diào)節(jié)閥。
（4）有時(shí)，由于流體輸送機(jī)械的能力有限，調(diào)節(jié)閥必須工作在低s值下運(yùn)行。
（5）由于結(jié)構(gòu)上的原因，閥門(mén)兩端的壓降不能超過(guò)一定的極限值，因?yàn)楦邏翰钕碌臏p壓閥很容易破損。這時(shí)往往允許加限流孔板，適當(dāng)進(jìn)行分壓，此時(shí)s值也必須降低。
（6）近年來(lái)，節(jié)能問(wèn)題越來(lái)越受到重視，減小s值有利于節(jié)約能耗。如對(duì)于高壓系統(tǒng)，考慮到節(jié)約動(dòng)力，允許s=0.15。
5 結(jié)束語(yǔ)
調(diào)節(jié)閥的流量特性與生產(chǎn)中過(guò)程的狀態(tài)密切相關(guān)，合理地選用其理想特性，對(duì)于提高過(guò)程控制質(zhì)量很有益。隨著控制技術(shù)和控制手段的不斷發(fā)展，調(diào)節(jié)閥特性受過(guò)程控制因素的影響可更多地通過(guò)在線整定和補(bǔ)償來(lái)克服，這一方面降低了對(duì)調(diào)節(jié)閥性能指標(biāo)的要求，減小了選型的復(fù)雜程度，使調(diào)節(jié)閥更好地適應(yīng)過(guò)程控制的要求；另一方面又降低了能耗，節(jié)約了能源，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。
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