調節閥的系統參數及其流量特性探析
調節閥與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的發(fā)展同步進(jìn)行，為提高控制系統的控制品質(zhì)，對組成控制系統各組成環(huán)節提出了更高要求。例如，對檢測元件和變送器要求有更高的檢測和變送精確度，要有更快的響應和更高的數據穩定性;對調節閥等執行器要求有更小的死區和摩擦，有更好的復現性和更短的響應時(shí)間，并能夠提供補償對象非線(xiàn)性的流量特性等。同時(shí)，由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的大型化和精細化，對調節閥等也提出了更高要求。
1、調節閥的系統參數
1.1、調節閥的流量系數
流量系數表示流體流經(jīng)閥門(mén)產(chǎn)生單位壓力損失時(shí)流體的流量，是衡量閥門(mén)流通能力的指標。由于單位的不同，流量系數有不同的代號和量值。
采用國際單位制時(shí)，流量系數用Kv表示。流量系數Kv的定義為：
調節閥兩端壓差為0.1MPa時(shí)，溫度為278K-313K(5℃-40℃)的水每小時(shí)流經(jīng)調節閥的立方米數，以m3/h表示。流量系數隨閥門(mén)尺寸、形式及結構而變化，該系數值越大說(shuō)明流體流過(guò)閥門(mén)時(shí)的壓力損失越小。
調節閥的流量系數Kv值，是調節閥的重要參數，它反映調節閥通過(guò)流體的能力，也就是調節閥的容量。根據調節閥流量系數Kv的計算，就可以確定選擇調節閥的口徑。
1.2、阻力系數
流體通過(guò)彎管和截面突變的地方時(shí)，會(huì )有擾動(dòng)、攪拌，形成氣穴、漩渦和尾流，或使流體質(zhì)點(diǎn)相互撞擊，產(chǎn)生較大的能量損耗�？梢哉J為，調節閥體腔內的每個(gè)元件都可以看作為一個(gè)產(chǎn)生阻力的元件系統(流體轉彎、擴大、縮小、再轉彎等)，調節閥內的阻力損失等于調節閥各個(gè)元件阻力損失的總和。調節閥的阻力系數就是表征調節閥對流體產(chǎn)生的阻力損失大小的量，該系數取決于閥門(mén)產(chǎn)品的尺寸、結構以及內腔形狀等。流體通過(guò)閥門(mén)時(shí)，其流體阻力損失通常以閥門(mén)前后的流體壓力降△p表示，即△p=ξρv2/2。
1.3、壓力恢復系數
圖1 流體通過(guò)調節閥時(shí)壓力和流速的變化
在建立流量的計算公式時(shí)，為了簡(jiǎn)化計算，將調節閥模擬為節流孔板來(lái)推導公式，沒(méi)有考慮閥門(mén)結構對流量的影響，認為當流體流過(guò)調節閥時(shí)壓力由閥前壓力p1直接變化到閥后壓力p2，而實(shí)際上當流體流過(guò)時(shí)的壓力變化如圖1所示。由圖1可知在閥芯、閥座處由于節流作用而在附近的下游處產(chǎn)生一個(gè)縮流，其流體的流速最大，但靜壓最小。在遠離縮流處，隨著(zhù)閥內的流通面積的增大，流體的流速減小，由于相互摩擦，部分能量轉變成內能，大部分靜壓被恢復，形成了閥門(mén)壓差如。換言之，流體在節流處的壓力急劇下降，并在其后的節流通道中逐漸恢復，但己經(jīng)不能恢復到原來(lái)的p1值。這便是壓力恢復現象。
壓力恢復系數FL表示調節閥內部流體流經(jīng)縮流處后，動(dòng)能轉換為靜壓的恢復能力。FL值是閥體內部幾何形狀的函數，各種閥門(mén)因結構不同，其壓力恢復能力和壓力恢復系數也不相同。一般，FL=0.5-0.98。壓力恢復系數FL越小，表示該調節閥流路設計好，流動(dòng)阻力小，其壓力恢復能力也越好，即經(jīng)縮流后，靜壓能夠恢復到接近進(jìn)口壓力，這類(lèi)閥門(mén)被稱(chēng)為高壓力恢復閥，如球閥、蝶閥等。壓力恢復系數FL調節閥越大，表示該閥門(mén)流路復雜、流阻大、摩擦損失大、進(jìn)口壓力經(jīng)調節閥后的降低大，因此，壓力恢復能力差，被稱(chēng)為低壓力恢復閥，如單座閥、雙座閥等。
2、閃蒸、空化及其影響
在調節閥內流動(dòng)的液體，常常出現閃蒸和空化兩種現象。如圖1所示，當壓力為P1的液體流經(jīng)調節閥節流處時(shí)，流速突然急劇增加， 而靜壓力驟然下降，當閥后壓力P2達到或者低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓時(shí)，部分液體就汽化成氣體，形成氣液兩相共存的現象，這種現象稱(chēng)為閃蒸。閃蒸造成氣液兩相流，氣體與液體同時(shí)流過(guò)閥芯和下游管道，造成沖刷，其特點(diǎn)是閥芯呈現平滑拋光的外形�？梢�(jiàn)產(chǎn)生閃蒸時(shí)，對閥芯、閥座材料己開(kāi)始有侵蝕破壞作用;并且閃蒸也影響液體流量計算公式的正確性，使計算復雜化。
如果產(chǎn)生閃蒸之后，P2不是保持在飽和蒸汽壓以下，而是在離開(kāi)節流處之后又驟然上升，這時(shí)氣泡產(chǎn)生破裂并轉化為液態(tài)，這個(gè)過(guò)程即為空化作用。由此可見(jiàn)，空化作用是一種兩階段現象，第一個(gè)階段，破裂，即空化階段�？栈饔脮�(huì )使調節閥產(chǎn)生阻塞流和汽蝕。許多氣泡集中在閥的節流孔后，阻礙流體的流動(dòng)，自然影響了流量的增加，產(chǎn)生了阻塞情況。
3、調節閥的流量特性
3.1、理想可調比
調節閥前后壓差保持不變時(shí)的可調比，稱(chēng)為理想可調比，其計算公式為R=Qmax/Qmin=Kvmax/Kvmin�？梢钥闯�，理想可調比等于Kvmax(最大流量系數)與Kvmin(最小流量系數)之比。它反映了調節閥調節能力的大小。如果單從自控角度考慮，希望可調比越大越好，但由于受到調節閥閥瓣結構設計和加工工藝的限制，Kvmin不能太小，一般國內設計取R=30或R=50。
3.2、流量特性
調節閥的流量特性是指介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對流量與相對位移(閥門(mén)的相對開(kāi)度)之間的關(guān)系。用數學(xué)的表達數表示Q/Qmin=f(l/L)，式中Q/Qmax為相對流量，即調節閥在某一開(kāi)度時(shí)流量Q與全開(kāi)流量Qmax之比;l/L為相對位移，即調節閥在某一開(kāi)度時(shí)閥芯位移l與全開(kāi)位移L之比。
通常來(lái)說(shuō)，改變調節閥的閥芯與閥座之間的流通截面積，便可控制流量。但在實(shí)際工況中，由于多種因素的影響，通過(guò)閥門(mén)的流量可能隨壓降而變化。為了便于分析，設定閥門(mén)的壓降不變，然后再引申到真實(shí)情況進(jìn)行分析，前者稱(chēng)為閥門(mén)固有流量特性，后者稱(chēng)為閥門(mén)工作流量特性。
3.2.1、固有流量特性
閥門(mén)的固有流量特性指的是在閥前、閥后壓差保持不變時(shí)，介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對流量與相對位移(閥門(mén)的相對開(kāi)度)之間的關(guān)系。閥門(mén)的固有流量特性不同于結構特性(閥的結構特性是指閥芯位移與流體通過(guò)的截面積之間的關(guān)系，不考慮壓差的影響，純粹由閥芯大小和幾何形狀決定)。
3.2.2、工作流量特性
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，閥門(mén)的壓差總是變化的，這時(shí)流量特性稱(chēng)為工作流量特性。因為調節閥往往和工藝設備、管道等串聯(lián)或并聯(lián)適用，流量因阻力損失的變化而變化，在實(shí)際工作中因閥門(mén)前后壓差的變化而使理想流量特性畸變成工作特性。
3.2.3、流量特性的選擇準則
生產(chǎn)過(guò)程中常用的調節閥的理想流量特性有直線(xiàn)、等百分比和快開(kāi)三種。拋物線(xiàn)流量特性介于直線(xiàn)與百分比之間，一般可用等百分比來(lái)代替，而快開(kāi)特性主要用于二位調節及程序控制中。因此，調節閥的特性選擇實(shí)際上是指如何選擇直線(xiàn)和等百分比流量特性。
調節閥流量特性的選擇可以通過(guò)理論計算，但使用的方法和方程都很復雜，而且由于干擾的不同，高階響應方程計算就更加繁雜。因此，目前對調節閥流量特性的選擇多采用經(jīng)驗準則�？蓮娜缦聨讉�(gè)方面來(lái)考慮：
(1)從調節系統的調節質(zhì)量分析并選擇;
(2)從工藝配管情況考慮并選擇;
(3)從負荷變化情況分析和選擇。
4、結束語(yǔ)
調節閥作為一種常用閥門(mén)，在各行各業(yè)有著(zhù)廣泛的應用，其性能的提高對流程工藝效益的提高以及能源消耗的降低有著(zhù)不可忽視的作用。因此，研究調節閥的流量特性具有重要的工業(yè)應用價(jià)值。
