调节阀流量特性分析及应用选择_杨世忠

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  DO I :10.16630/j .cnki .1002 -5855.2006.05.011 2006 年第 5 期 阀 门 —33— 文章编号 :1002-5855 (2006) 05-0038-04 调节阀流量特性分析及应用选择 杨世忠 , 邢丽娟 (青岛理工大学自动化工程学院 , 山东 青岛 266520) 摘要 介绍了调节阀的组成分类 、 工作原理和流量特性 , 论述了调节阀的选择方法和应注意 的问题 。 关键词 调节阀 ;组成 ;流量特性 ;选择 中图分类号 :TH134 文献标识码 :A The flow characteristic analysis and application selection of regulating valve YANG Shi-zhong , XING Li-juan (A utomation Engineering College of Qing dao T echnolo gical U niversity , Qing dao 266520 , China) Abstract :T his article introduces the composition and classification , the w ork theory , the f low characteristic of regulating valve in detail , and gives the selection method and t he attention questions . Key words:regulating valve ;composition ;flow characteristic ;selection 1 概述 在自动控制系统中 , 调节阀是其 常用的执 行 器 。控制过程 是否平稳取决于 调节阀能否准 确动 作 , 使过程控 制体现为物料能 量和流量的精 确变 化 。所以 , 要根据不同的需要选择不同的调节阀 。 选择恰当的调节阀是管路设计的主要问题 , 也是保 证调节系统安全和平稳运行的关键 。 2 调节阀的组成 调节阀由执行机构和调节机构组成 , 接受调节 器或计算机的控制 信号 , 用来 改变被控介质 的流 量 , 使被调参数维持在所要求的范围内 , 从而达到 过程控制的自动化 。 2.1 执行机构 执行机构按照驱动形式分为气动 、 电动和液动 3 种 。气动执行机构具有结构简单 , 动作可靠 , 性 能稳定 , 价格低 , 维护方便 , 防火防爆等优点 , 在 许多控制系统中获得了广泛地应用 。电动执行机构 虽然不利于防火防爆 , 但其驱动电源方便可取 , 且 信号传输速度快 , 便于远距离传输 , 体积小 , 动作 可靠 , 维修方便 , 价格便宜 。 液动执行器的推力最 大 , 调节精度高 , 动作速度快 , 运行平稳 , 但由于 设备体积大 , 工艺复杂 , 所以目前使用不多 。 执行机构不论是何种类型 , 其输出力都是用于 克服负荷的有效力 (主要是指不平衡力和不平衡力 矩 、 摩擦力 、 密封力及重力等有关力的作用)。因 此 , 为了使调节阀正常工作 , 配用的执行机构要能 产生足够的输出力来克服各种阻力 , 保证高度密封 和阀门的开启 。对执行机构输出力确定后 , 应根据 工艺使用环境要求 , 选择相应的执行机构 。 例如 , 对于现场有防爆要求时 , 应选用气动执行机构 , 且 接线盒为防爆型 。 如果没有防爆要求 , 则气动或电 动执行机构都可选用 , 但从节能方面考虑 , 应尽量 选用电动执行机构 。对于要求调节精度高 , 动作速 度快和运行平稳的工况 , 应选用液动执行机构 。 综合各类执行器的特点 , 自动控制系统普遍采 用电动执行机构 。 如结构简单 、 体积小的 ZAZ 直 行程类及 ZAJ 角行程类 , 3610L (R)型电子式及 SKD 型多转电动执行机构等 。 各类执行机构尽管 在结构上不完全相同 , 但基本结构都包括放大器 、 可逆电机 、 减速装置 、 推力机构 、 机械限位组件 、 弹性联轴器和位置反馈等部件 (图 1)。 电动执行机构一般需要与伺服放大器配套 , 接 受调节器的信号 , 该信号经过伺服放大器放大后转 换为三位继电信号 , 控制可逆电机正转或反转 , 带 作者简介 :杨世忠 (1973 -), 男 , 讲师 , 从事智能建筑及计算机过程控制的研究与应用工作 。 —34 —阀 门 2006 年第 5 期 动调节机构 , 使阀开启或关闭 。 图 1 电动执行机构的方框图 2.2 调节机构 调节阀门是调节阀的调节机构 , 它根据控制信 号的要求而改变阀门开度的大小来调节流量 , 是一 个局部阻力可以变化的节流元件 。 调节阀门主要由 上下阀盖 、 阀体 、 阀瓣 、 阀座 、 填料及压板等部件 组成 。在自动控制系统中 , 阀门主要的调节介质为 水和蒸汽等 。在压力比较低 , 使用情况单一的情况 下 , 常用的调节阀有直通调节阀 、 三通调节阀和蝶 阀等 。 直通阀有直通单座阀和双座阀之分 。单座阀结 构简单 , 价格低廉 , 关闭时泄漏量小 , 但由于阀座 前后存在的压差对阀瓣产生的不平衡力较大 , 所以 适用于低压差的场合 , 例如供水管或回水管中 。 双 座阀有两个阀瓣阀座 , 在其关闭状态时 , 两个阀瓣 的受力可部分抵消 , 阀瓣所受的不平衡力小 , 但是 由于热胀冷缩效应 , 其同时关闭性较差 , 造价也较 高 , 只适用于阀前后压差较高但密闭要求不高的场 合 , 例如供水或回水之间的压差旁通阀 。 三通阀有三个出入口与管道相连 , 总进水量较 恒定 , 适用于定水量系统中 , 并要求有固定的安装 方向 , 不宜反装 , 不适于温差较大场合 。三通调节 阀有合流阀与分流阀之分 。合流阀是将来自两个入 口的流体混合至一个出口 。分流阀则是将一个入口 的流体分别由两个口送出 。 蝶阀结构较简单 , 由阀体 、 蝶板轴及轴封等部 分组成 , 其行程为 0°~ 90°。 蝶阀有位式控制和比 例控制 2 种方式 。蝶阀的特点是阻力损失小 , 体积 小 , 质量轻 , 安装方便 , 并且开启阀门和关闭阀门 的允许压差较大 , 但其调节性能和关阀密闭性能较 差 , 通常用于 压差较大但调节 性能要求不高 的场 所 。 除用作两通阀外 , 还可以用两个蝶阀组合 , 完 成三通阀的功能 。 在自动控制系统中 , 开/ 关型电 动蝶阀常用于冷水和热水系统中 , 作为水路的连通 和关断控制 。 3 性能 3.1 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 量可表示为 Q = A ξ 2(P1 -P2) ρ (1) 式中 Q ———调节阀某一开度的流量 , m m3/ s P 1 ———调节阀进口压力 , M Pa P 2 ———调节阀出口压力 , M Pa A ———节流截面积 , mm2 ξ——— 调节阀 阻力 系数 ρ———流体密度 , kg/ mm3 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 。 3.2 流量特性 调节阀的流量特性是指被调介质流过调节阀的 相对流量与调节阀的相对开度之间的关系 。其数学 表达式为 Q Qmax =f L L max 式中 Qmax ———调节阀全开时流量 , mm3/ s L ———调节阀某一开度的行程 , mm L max ———调节阀全开时行程 , mm (2) 调节阀的流量特性包括理想流量特性和工作流 量特性 。理想流量特性是指在调节阀进出口压差固 定不变情况下的流量特性 , 有直线 、 等百分比 、 抛 物线)。 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 因主要有两个 方面 。 一方 面 , 由于泵的特性 , 当系统流量减小时由泵产生的 系统压力增加 。另一方面 , 当流量减小时 , 盘管上 的阻力也减小 , 导致较大的泵压加于阀门 。因此调 节阀进出口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〔1〕 。 具体可分 为串联管道时 的工作流量 特性和并联管道时的工作流量特性 。 (1)串联管道时的工作流量特性 调节阀与管 道串联时 , 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 2006 年第 5 期 阀 门 —35— 压降越小 , 调节阀全开流量相应减小 , 使理想的直 度 , 有时为了使调节阀有一定的开度 , 而将阀门开 线特性畸变为快开特性 , 理想的等百分比特性畸变 度调小以增加管道阻力 , 使流过调节 阀的流量降 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 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 。 表 1调节阀 4 种理想流量特 性 流量特性 性质 特点 直线 调节阀的相对流量与相对开度呈直线 关系 , 即单位相 对行 程变化 引起的 相对 流量变化是一个常数 ①小开度时 , 流量变化大 , 而大开度时流量变化小 ②小负荷时 , 调节性能过于灵敏而产生振荡 , 大负荷时调节迟缓而不及时 ③适应能力较差 等百分比 单位相对行程的变化引起的相对流量 变化与此点的相对流量成正比 ①单位行程变化引起流量变化的百分率是相等的 ②在全行程范围内工作都较平稳 , 尤其在大开度时 , 放大倍数也大 , 工作更为灵敏有效 ③应用广泛 , 适应性强 抛物线 特性介于直线特性与等百分比特性之 间 , 使用上常以等百分比特性代之 ①特性介于直线与等百分比特性之间 ②调节性能较理想 但阀瓣加工较困难 快开 在阀行程较 小时 , 流量就 有比较 大的 ①在小开度时流量已很大 , 随着行程的增大 , 流量很快达到最大 增加 , 很快达最大 ②一般用于双位调节和程序控制 (2) 并联管道时的工作流量特性 调节阀与 管道并联时 , 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 %。 4 调节阀的选择 4.1 流量特性选择 流量特 性〔2〕 的选择方法 有两种 , 一种是通 过 数学计算的分析法 , 另一种是在实际工程中总结的 经验法 。 由于分析法既复杂又费时 , 所以一般工程 上都采用经验法 。具体来说 , 应该从调节质量 、 工 况条件 、 负荷及特性几个方面考虑 。 (1) 根据自动调节系统的调节质量 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 , 从而 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 调节阀的压 降比 S 定义为该调节阀可控制的最大流量所对应 阀门进出口差压 ■P1m和系统差压 ■P 之比 S =ΔΔPP1m (3) 调节阀流量特性与压降比 S 有密切的关系 (表 2)。 表 2管道系统压降选择调节阀特性 管道系统压降比 S 1 ~ 0.6 0.6 ~ 0.3 0.3 ~ 0 实际工作流量特性 所选流量特性 直线 等百分比 直线 等百分比 直线 等百分比 等百 分比 调节不适宜 等百分比 (3)根据负荷变化 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 一般有自平衡能力 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 。 4.2 口径选择 调节阀口径是根 据工艺要求的流通能力确定 的 , 要根据提供的工艺条件计算出调节阀的流通能 力 , 再依据其流通能力选择调节阀的口径 。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 1 g/ cm3 时 , 每小时流经调节阀 的流量值 , 该值以 m3/ h 或 kg/ h 为单位 。 调节阀 —36 —阀 门 2006 年第 5 期 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 , 对比厂家提 供的技术参数确定阀门口径的大小 。对于自动控制 系统来说 , 水是流经调节阀的常见的介质之一 , 所 以以水为例介绍调节阀的流通能力 C C =31 6Q ΔP (4) ρ 实际工程中 , 阀 门口径是分级 的 , C 值通 常 也不是连续值 (公式计算的 C 值是连续的)。 不同 厂商的同类型 产品有不 同的 C 值与口 径对应表 。 在计算出期望的 C 值后 , 就可以查阅生产商的相 应产品数据表来决定所需的阀门口径 。 选取阀门口 径的原则应尽可能接近或大于计算结果 , 不应小于 计算结果 。 4.3 选用注意事项 (1)调节阀直 接按照接 管管径选 取是不合 理 的 。阀门的调节品质与接管流速或管径没有关系 , 阀门的调节品质仅与水的阻力及流量有关 。 亦即一 旦系统设备确定之后 , 理论上适合该系统的阀门只 有一种理想的口径 , 而不会出现多种选择 。 (2) 调节阀口径不能过小 。选择的阀门口径过 小 , 一方面会增加系统的阻力 , 甚至会出现阀门口 径 100 %开 启时 , 系 统仍无 法达 到设定 的容量 要 求 , 导致严重后果 。 另一方面阀门将需要通过系统 提供较大的压差以 维持足够的流 量 , 加重泵 的负 荷 , 阀门易受损害 , 对阀门的寿命影响很大 。和记怡情APP, (3)调节阀口径不能过大 。 选择的阀门口径过 大 , 不仅增加工程成本 , 而且还会引起阀门经常运 行在低百分比范围内 , 引起调节精度降低 , 使控制 性能变差 , 而且易使系统受冲击和振荡 。 (4)为了保证系统控制品质 , 最好的方法是在 系统允许的范围内选择能获得较大压力降的阀门口 径 , 使阀门在运转过程 中压力降的变 化值尽可能 小 。阀门全开状态下的 压力降占全泵 压百分比越 高 , 则阀门压力降相对变化值越小 , 阀门的安装特 性就越接近其内在特性 。 (5)控制系统中调节阀应尽可能工作于恒定的 压力降条件下 , 因为阀门是否匹配盘管依赖于它的 内在特性和流量因子 , 而这些阀门参数取决于恒定 的阀门压力降 。 5 结语 设计调节阀时 , 要求对调节阀的组成 、 分类和 特性有一个清楚的认识 , 并在此基础上掌握正确的 选择方法 。 而且 , 对于 一个实际系统 配置调节阀 时 , 还需要对整个管系环路进行详尽的分析 , 综合 考虑各种 因素 。 只有这 样 , 才能正确 地选择调节 阀 , 保证调节系统的控制质量 。 参考 文献 〔1〕 李小华 .自动控制系统中调节阀的设计 [ J] .中氮 肥 .2002 (1).43 -46 . 〔2〕 张九根 , 马小军, 朱顺兵 .建筑设备自动化系统设计 [ M ] . 北京 :人民邮电出版社 .2003 , 60 -66 . (收稿日期 :2006.05.30) (上接第 32 页) 巨大的价格优势 。FGD 直接按照国外 先进国家的标准来强制指定 , 在起点高的同时无疑 也将给我国陶瓷阀门的发展带来非常难得的机遇 。 据 McIlvaine 公司 的 《世 界阀门 市场》 预测 , 到 2008 年 , 全世界的工业阀门市场销售额将达到 460 亿美元 , 其中自动调节和控制阀门的销售额将 超过 110 亿美元 , 其他阀门的销售额将分别为 :球 阀 105 亿美元 , 蝶阀 48 亿美元 , 闸阀和截止阀 81 亿美元 , 国际市场潜力巨大 。 5 结语 新材料技术是 21 世纪人类文明实现持续和突 破发展的关键核心和必由之路 , 陶瓷阀门必将伴随 着材料技术的发展而发展 , 这是一项方兴未艾 、 永 无止境的事业 。 同时 , 我们应注重发挥在技术 、 人 才和成本等方面的优势 , 以陶瓷阀门这一高端阀门 产品为契机 , 不断的改进和创新 , 在新材料应用和 开发新的加工工艺方面有所突破 。 ①在现有 A l2O 3 和 ZrO2 的基础上 , 还应努力开发其他新材料的应 用 (例如 SiC 、 Si3N 4 等), 使陶瓷阀门能应对更多 复杂环境 , 适用范围更广泛 。 ②研发新的成型 、 烧 结和加工工艺 , 以及陶瓷增韧塑化和微裂纹控制等 新技术 , 提高产品品质和可靠性 , 降低制造风险和 生产成本 。 ③积极拓展陶瓷阀门的种类和规格 , 使 其具备较强的配套能力 。 参考 文献 〔1〕 钦征骑.新型陶瓷材料 手册 〔M 〕 .南京 :江苏科 学技术 出 版社 , 1995 . 〔2〕 杨 源 泉 .阀门 设 计 手 册 〔 M 〕.北 京 :机 械 工 业 出 版 社 , 1992 . 〔3〕 孙维一 .国外机 械工业 基本情 况 — 阀门 〔Z〕 .沈 阳 :沈 阳 阀门研究所 , 1994 . (收稿日期 :2006.05.23)

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