调节阀流量特性及选择分析

调节阀流量特性及选择分析

封昊伟,许文涛

中国核电工程有限公司河北分公司 河北省 石家庄 030000

摘要：调节阀在稳定生产、优化控制等方面发挥着重要作用，是保证调节系统安全和平稳运行的关键。本文主要通过对调节阀的流量特性进行分析，讨论调节阀的选型问题。

关键词：调节阀；流量特性；阀门特性；选型

1 引言

根据《火力发电厂热工控制设计技术规 定 DL/T 5175-2003》7.1.3 条规定：对选用的控制阀的配置情况应按下列要求进行校核。

阀门开度:开度为85%‐90%时应满足运行的最大需要。

阀门差压：对泄漏量有严格要求时，宜取流量为零时的最大差压；对泄漏量无特殊要求时，宜取最小流量下的最大差压，其值应不大于该阀门的最大允许差压。

阀门特性:控制阀门的工作流量特性应满足工艺系统的控制要求；阀门配套的附件应能满足控制系统的接口要求。

正确的选择和使用调节阀，不仅直接关系到整个自动控制系统的控制质量，而且还将对生产秩序的稳定产生重要的影响。自动控制系统不能正常投入运行有2/3 以上是由于调节阀的选型不当造成的，因此，如何正确选择合适的调节阀，应引起仪控技术人员的重视。

2 调节阀流量特性分析

2.1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

式中 p1——调节阀前压力；

p2——调节阀后压力；

A ——节流截面积；

ξ——调节阀阻力系数；

ρ——流体密度。

由式(1)可知,当A一定,Δp= p1-p2也恒定时,通过阀的流量Q随阻力系数ξ变化,即阻力系数ξ愈大,流量愈小。而阻力系数ξ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。

2.2调节阀的流动特性

2.2.1 调节阀理想流量特性

调节阀理想流量特性是指给定压差下,阀门开度和通过阀门的流量之间的关系,对在自动控制中应用的调节阀而言,有三种基本的流量特性:快开、线形、等百分比。

开流量特性的阀门,较小的阀门开度可以达到很大的流量改变。例如50%的开度可以达到阀门最大流量的65%至90%。这种流量特性适合于流体的ON/OFF控制。

线形流量特性的阀门,在恒定压力下, 流量与阀门开度成正比既δQ(流量变化)/δH(阀门的开度变化)=常数。如25%的阀门开度可通过阀门最大流量的25%。这种流动特性的阀门适用于压差恒定的流量控制,主要是水系统。同样也适用于系统要求恒定体 积和压力分配的三通阀。

等百分比流量特性的阀门,要求阀门开 度的增加合流量与改变前相比,以恒定的百分比增加。等百分比流量特性的阀门适用大多数的控制应用。对蒸汽和气体系统可以达到相当准确的控制效果,特别适用于小负荷时的精确控制。

2.2.2 调节阀工作流量特性

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2个方面:①由于泵的特性,当系统流量减少时由泵产生的系统压力增加；②当流量减少时,盘管上的阻力也减少,导致较大的泵压加于阀门。因此调节阀前后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、并联管道时的工作流量特性。

2.2.2.1 串联管道时的工作流量特性

调节阀串联管道时,因调节阀开度的变化会引起流量的变化,由流体力学理论可知, 管道的阻力损失与流量成平方关系,调节阀一旦动作,流量则改变,系统阻力也相应改变,因此调节阀压降也相应变化。串联管道时的工作流量特性与压降分配比有关。阀上压降越小,调节阀全开流量相应减少,使理想的直线特性畸变为快开特性,理想的等百分比特性畸变为直线特性。在实际使用中,当调节阀选得过大或生产处于非满负荷状态时,调节阀则工作在小开度,有时为了使调节阀有一定的开度,而将阀门关小以增加管道阻力,使流过调节阀的流量降低,实际上就是使压降分配比值下降,使流量特性畸变,恶化了调节质量。

2.2.2.2 并联管道时的工作流量特性

并联管路一般由阀支路和旁通管支路组成,调节阀安装在阀支路管路上。调节阀在并联管道上,在系统阻力一定时,调节阀全开流量与总管最大流量之比随着并联管道的旁路阀逐步打开而减少。此时,尽管调节阀本身的流量特性无变化,但系统的可调范围大大缩小,调节阀在工作过程中所能控制的流量变化范围也大大减小,甚至起不到调节作用。要使调节阀有较好的调节性能,一般认为旁路流量最多不超过总流量的20%。

3 调节阀选型

3.1流量特性的选择

一些指导原则能有助于选择合适的流量特性。然而大部分这些指导原则有偶尔的例外情况，正确的建议只有经过全面的动态分析才能获得。在推荐线性特性时，一个快开阀芯也可以使用，而控制器将不得不在较宽的比例带宽上操作，这样才可以得到同样的控制精度。下表为选择阀门特性提供了指导原则。

一般工程上都采用经验法。具体来说,应该从以下几个方面考虑:

(1) 从自动调节系统的调节质量考虑根据自动控制原理中的特性补偿原理,为了使系统保持良好的调节质量,希望开环总放大系数与各环节放大系数之积保持常数。这样,适当选择阀的特性,以阀的放大系数变化来补偿对象放大系数的变化,可使系统的总放大系数保持不变。

(2) 根据管道系统压降变化情况来选择调节阀的压降比定义为该调节阀可控制的最大流量所对应阀门前后差压Δp1m和系统差压Δp之比。

(3) 从负荷变化的情况来分析直线阀在小开度时流量变化大,调节过于灵敏,易振荡；在大开度时,调节作用又显得微弱,造成调节不及时,不灵敏。因此在压降比S较小、负荷变化大的场合不宜采用直线阀。等百分比阀在接近关闭时工作缓和平稳,而接近全开状态时,放大系数大,工作灵敏有效,因此它适用于负荷变化幅度大的场合。快开特性阀在行程较小时,流量就较大,随着行程的增大,流量很快达到最大,它一般用于双位调节和程序控制的场合。

(4) 根据调节对象的特性进行选择一般凡是具有自平衡能力的调节对象都可选择等百分比流量特性的调节阀,不具有自平衡能力的调节对象则选择直线流量特性的调节阀。

3.2 调节阀口径选择

调节阀口径过小，会使调节阀不能通过工艺对象要求的最大流量，或使能耗增加；口径过大，不仅使投资增加，而且使调节阀经常工作在小开度条件下，容易造成控制系统的不稳定。

要合理选择调节阀门的口径,必须了解调节阀流通能力。流通能力是指当调节阀全开,阀两端压差为9.81×104 Pa ,流体的密度为1g/cm³时,每小时流经调节阀的流量值。调节阀的流通能力是合理选择阀门及阀门口径的一个重要参数,通过对调节阀流通能力的计算,比对厂家提供的技术参数确定阀门口径的大小。

3.3 与管道连接形式

调节阀与管道有各种连接方式,包括螺纹、焊接以及法兰连接。法兰连接又分多种标准,最常见的有DIN标准、ANSI标准、BS4504等。所选择的调节阀接口必须符合所安装系统的要求。

3.4 阀门的压力等级

调节阀阀体的设计和材质必须满足所安装过程应用的压力要求。目前大多数工业应用中都使用PN压力等级的阀体。PN压力等级是指阀门在120℃的温度时所能承受的最大压力。例如PN40表示阀门在120℃时所能承受的最大压力为40barg。在更高的温度,允许使用的压力降低。

4 总结

调节阀的选型和应用是一个专业性强,涉及的技术领域广的系统工作,，不仅要在理论上充分了解它的各种特性,而且要结合实际进行综合分析判断, 还要考虑阀门的汽蚀和阀门的闪蒸等问题，做到优化应用。