调节阀流量特性

原创 2020-04-30 12:41  阅读

  调节阀流量特性_机械/仪表_工程科技_专业资料。 2.4.4 控制阀流量特性的选择 控制阀的流量特性:指流过控制阀的被控介质的相 对流量与阀杆的相对行程(即阀门的相对开度)之 间的关系。 数学表达式为 q q max ?l ? ? f? ? ?L?

  2.4.4 控制阀流量特性的选择 控制阀的流量特性:指流过控制阀的被控介质的相 对流量与阀杆的相对行程(即阀门的相对开度)之 间的关系。 数学表达式为 q q max ?l ? ? f? ? ?L? q qmax 相对流量:是控制阀某一开度时的流量q与全开时 流量qmax 之比。 l/L 相对开度:表示控制阀某一开度下的阀杆行程 与全开时阀杆全行程之比。 ① 理想特性:在控制阀两端压差固定的条件 下,流量与阀杆位移之间的关系。 它完全取决于阀的结构参数。 ② 工作特性:指在工作条件下,阀门两端压 差变化时,流量与阀杆位移之间的关系。 阀门是整个管路系统中的一部分。在不 同流量下,管路系统的阻力不一样,因此分 配给阀门的压降也不同。 工作特性不仅取决于阀本身的结构参数, 也与配管情况有关 1.理想流量特性 控制阀两端压差恒定时的流量特性称为 理想流量特性,又称固有流量特性。 阀门制造厂所提供的流量特性即指理想 流量特性。 理想流量特性有线性、等百分比(对 数)、快开、抛物线特性等几种。 这些特性完全取决于阀芯的形状,不同 的阀芯曲面可得到不同的理想流量特性。 控制阀的理想流量特性(R=30) 不同流量特性的阀芯曲面形状 1-线-抛物线)线性流量特性 或叫直线流量特性 线性流量特性是指控制阀的相对流量与相对开度 成直线关系。 ? q ? ? d? ?q ? 其数学表达式为: ? max ? ? K ? l ? d? ? ?L? q l 将上式积分得 q =K L +C max 根据已知边界条件在l=0时,q=qmin 则C=qmin/qmax l=L时,q=qmax 则K=1-C=1-(1/R) 其中R是可调比,即控制阀所能控制的最大流量与最 小流量 之比。国产阀R=30 线性控制阀的流量特性见图 2.31中直线 线性控制阀在小开度时其流量相对变化值大,这时灵敏 度过高,和记怡情APP,控制作用强,易产生振荡; 从图曲线可看出:当开度l/L变化10%时, 所引起的相对流量的增量总是9.67%,但相对 在大开度时其流量相对变化值小,这时灵敏度又太小, 流量的变化量却不同,我们以10%、50%、 控制缓慢,控制作用弱。 80%三点为例分析。 ① 10%开度时,流量的相对变化值为 22.7 - 13 ×100%=75% 13 ② 50%开度时,流量的相对变化值为 ③ 80%开度时,流量的相对变化值为 90.3 - 80.6 ×100%=11% 80.6 61.3 - 51.7 ×100%=19% 51.7 (2)等百分比流量特性(对数流量特性)。 等百分比流量特性是指阀杆位移每增加1%,流 量均在原来的基础上约增加3.4%,即单位相对 行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流 量成正比关系,即控制阀的放大系数KV是变化 的,它随相对流量的增加而增加。 等百分比流量特性数学式为 ? q ? ? d? ?q ? ? max ? ? K q q max ?l ? d? ? ?L? 右图中曲线 由于等百分比阀的放大系数KV随相对开度的增大 而增大,因此,在小开度时等百分比阀的放大系 数小,控制平稳缓和;在大开度时放大系数大, 控制灵敏有效。自动控制系统中最常用的流量特 性。 (3)快开流量特性。快开流量特性的数学表达式为 快开流量特性在开度较小时就 有较大的流量,阀的行程短, 故称为快开特性,其特性曲线)抛物线流量特性 q qmax 与 l L 之间成抛物线 抛物线流量特性介于线性流量特 性与等百分比流量特性之间,主 要用于三通控制阀及其他特殊场 合。 制造厂通过设计不同形状的控制阀阀 芯来获得不同的流量特性。 快开式控制阀为平板结构,线性流量 特性控制阀和等百分比流量特性控制 阀都为曲面形状。 线性流量特性控制阀阀芯曲面的形状 较“瘦”,等百分比阀的形状较 “胖”。 因此,当被控介质含有固体悬浮物、 容易造成磨损、影响控制阀的使用寿 命时,宜选择线-线-抛物线.工作流量特性 在控制阀前后压差变化时,控制阀的相对开度 与相对流量之间的关系称为工作流量特性。 控制阀总是与工艺设备、阀门、管道等阻力元件 串联或并联安装,控制阀流量的变化将会引起管 路系统阻力的变化,从而使得阀上的压降也发生 变化。 (1)串联管道中的工作流量特性 系统总压差:与控制阀前后相连设备的恒压点之 差。 系统总压差: ?p ? ?pV ? ?p f ?p ? ?pV ? ?p f 压力比系数S: S的定义为,控制阀全开时,阀两端的压 降占系统总压降的比值。 ?pv min S= ?p 图2.34 串联管道时控制阀的工作流量特性 在S≤1,串联管道中控制阀特性曲线的畸变规律如下: ① 当系统压降全部损失在控制阀上时(管道阻力 损失为零),S=1,这时工作流量特性与理想流量 特性相同。 ② 随着S的减小,管道总阻力增大,控制阀全开 时的最大流量相应减小,使实际可调比 R f 下降。 RS f 之间的关系为 实际可调比 与 Rf ? R S ③ 随着S的减小,控制阀的流量特性发生畸变,线 性理想流量特性渐渐接近快开特性;等百分比理 想流量特性趋向于线性特性。 在实际使用中,S值选得过大或过小都有不妥之处。 选得过大,阀上的压降很大,消耗能量过多;选 得过小,则控制阀流量特性畸变严重,对控制不 利。因此,一般希望S值最小不低于0.3。设计中的 S通常为0.3~0.6。 (2)并联管道中的工作流量特性。 控制阀一般都装有旁路,以便手动操作和维护。 设置旁路的目的有两个: 一是当控制系统失灵或控制阀出现故障时,可用 它作手动控制之用,以保证生产的继续进行; 二是当生产量提高或控制阀选的较小时,可将旁 路阀打开一些,扩大所调节的流量。 X代表并联管道中控制阀全开时 的流量q1max与总管最大流量qmax 之比 图2.35 控制阀与管道 并联工作示意图 q1max X= qmax 在X≤1时,并联管道控制阀特性曲线的畸变规律如下: ① 当旁路阀完全关闭时X=1,这时控制阀的工作流量 特性与理想流量特性一致。 ② 随着X值的逐渐减小,即旁路阀逐渐打开,实际可调 比降低。 控制阀在实际使用中,总存在 着串、并联管道阻力的影响。 根据实践经验,一般认为旁路流量最多只能是总 流量的百分之十几,即要求X值最小不低于0.8。 综合串、并联管道的情况,可得如下结论: ① 串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变, 串联管道的影响尤为严重; ② 串、并联管道都会使控制阀的实际可调比降低,并 联管道尤为严重; ③ 串联管道使系统总流量减少,并联管道使系统总流 量增加; 3.流量特性的选择 选择控制阀的流量特性时,不但要依据过程 特性,还应结合系统的配管情况考虑。 流量特性选择的本质是控制系统的非线性补偿问题。 控制阀选择总的原则: 在被控对象存在非线性时,控制阀特性应克服 对象非线性影响而使广义对象接近为线所示。 一般是应先选择工作流量特 性,然后,根据实际应用选 择理想流量特性。 图2.38 控制阀特性补偿示意图 正确的选择步骤如下: (1)根据过程特性,选择阀的工作流量特性。 (2)根据配管情况,从所需的工作流量特性出 发,推断出理想流量特性。 配管状 态 S 0.6 0.3<S<0.6 S<0.3 所需工作 线 线 等百 快 等百分比 流量特性 性 性 分比 开 应选理想 线 线 等百分比 等百分比 流量特性 性 性 不宜控制或宜选 用低S控制阀 如果工艺配管不能精确确定时,一般可选等百分比特性,因 为等百分比阀适应性较强,目前使用较多。 可以直接根据被控变量和工艺情况选择控制阀的理想特性 被控变量 对象特性 或0.2?pv/qmin<?pv/qmin<2 ?pv/qmin ?pv/qmax<0.2 ?pv/qmin ?pv/qmax>2 ?pv/qmin 快过程 压力 (变送器输出与 流量成正比) (变送器输出与 流量平方成正比) 温度 串接 慢过程 ?pv恒定 ?pv/qmax<0.2 ?pv/qmin 选用的控制阀理 想流量特性 线性 等百分比 快开 等百分比 线性 等百分比 液位 设定值变化 负荷变化 设定值变化 线性 等百分比 线性 负荷变化 旁路连接 等百分比 等百分比 等百分比 2.4.3 控制阀气开、气关形式的选择 1.控制阀的气开、气关形式 气开阀:有信号时阀开,信号越大,开得越大, 气动薄膜控制阀的执行机构和调节机构组合起 没有信号时阀全关; 来可以实现气开和气关两种作用方式 。 气关阀:有信号时阀关,信号越大,关得越小, 没有信号时,阀全开; 图2.29 气动控制阀气开、气关组合方式图 2.控制阀气开、气关形式的选择 在控制阀开、关形式的选择,应根据具体生 产工艺的要求,在气源供气中断或控制阀出 现故障时,控制阀的阀位处于全开或全关时 生产处于安全状态。一般根据以下几条原则 进行选择。 (1)首先要从生产安全出发。 (2)从保证产品质量出发。 (3)从降低原料、成品和动力的损耗来考 (4)从介质的特点考虑。 2.4.5 控制阀口径的选择 正常工况下,要求控制阀开度处于15%~85%, 不宜将控制阀口径选得过小或过大 若口径选择得过小,会使流经控制阀的介质达不 到所需要的最大流量。 若口径选择得过大,不仅会浪费设备投资,而且 会使控制阀经常处于小开度的工作状态。 在小开度时,阀芯由于受不平衡力的作用,容易产 生振荡现象,易损坏阀芯和阀座,造成控制阀失灵。 控制阀口径的选择是根据流通能力C值进行选择。 流通能力C的定义是: 在控制阀全开时,当阀两端压差为100 kPa、流体 密度为1 g/cm3时,每小时流经控制阀的流体流量 是控制阀的流通能力C(以m3/h表示)。 1.控制阀流量系数CVmax的计算 对不可压缩流体,且阀两端的压差p1-p2不太大 (即流体为非阻塞流)时,其体积流量 p1 - p2 1 1 ?p q= CV = CV 10 ? 10 ? 阻塞流: 当调节阀上的前后差压增大到一定程度,通过阀的 流量达到极限值,再增加压差,流量也不会增加时 的这种极限流量叫阻塞流. 控制阀流量系数CV的计算公式为: CV= 10q ? p1 - p2 = 10q ? ?p ρ ——流体密度(g/cm3) p1-p2——阀两端的压差(kPa) q——流经控制阀的体积流量(m3/h) 如果控制阀两端的压差p1-p2保持为100 kPa,则在 全开时流经控制阀的水(1 g/cm3)的流量q即为该 阀的流通能力C值。 控制阀的口径可根据其在最大工况流量时的流量 系数CVmax值、通过查阅产品手册求得 并且由于流过控制阀的介质不同,可能为液体、气 体、蒸汽、闪蒸水等,其计算的公式都不一样。 2 控制阀口径的确定 (1)根据生产能力、设备负荷决定出最大流量; (2)根据所选的流量特性及系统特点选定S值,计 算出阀门全开时的压差; (3)根据流通能力的计算公式,求得最大流量时的 流量系数CVmax; (4)按已求得的流量系数,在控制阀产品的标准系列 中,根据所选控制阀的结构类型选取大于CVmax并与之 最接近的流通能力C值,从而选取阀门口径; (5)验证控制阀开度和可调比,一般要求最大流量时 阀开度不超过90%,最小流量时阀开度不小于10%。 验证合格后,根据 CVmax 确定控制阀的公称通径和阀 座直径。 2.4.6 阀门定位器的正确使用 阀门定位器分为气动和电-气阀门定位器两大类。 以电-气阀门定位器为例,说明阀门定位器的动作原理 1.电-气阀门定位器 电-气阀门定位器具有电-气转换和气动阀门定位器的 双重作用。 一方面可用电动控制器输出的0~10 mA DC或 4~ 20 mA DC信号去操纵气动执行机构; 另一方面还可以使阀门位置按控制器送来的信号准确 定位(即输入信号与阀门位置呈一一对应关系)。 改变图2.39中反馈凸轮的形状或安装位置,还可以改 变控制阀的流量特性和实现正、反作用调整。 1-永久磁钢;2-导磁体;3-主杠杆(衔铁);4-平衡弹簧; 5-反馈凸轮支点; 6-反馈凸轮;7-副杠杆;8-副杠杆支点;9-薄膜执行机构; 10-反馈杆;11一滚轮; 12-反馈弹簧;13-调零弹簧;14-挡板;15-喷嘴;16-主杠杆支点; 17-放大器 图2.39 电-气阀门定位器动作原理 当阀杆在上移和下移两 种情况下,对应同一阀 杆位置其输入气压信号 P是不一样的,形成了 “回差”。 阀门定位器能解决这一问题 图2.40 控制阀执行机构的滞环特性 电-气阀门定位器是按力矩平衡原理工作的。 图2.41 阀门定位器控制阀框图 调零弹簧13用于调整零位。在分程控制时,可通过 零位调整和反馈弹簧反馈力的调整,使定位器在输入信 号范围内(如0~10 mA DC或4~20 mA DC电流等), 输出均为20~100 kPa。 2.阀门定位器的功能 1)定位功能:用了阀门定位器后,只要控制器的输出信号稍有变 化,经过喷嘴-挡板系统及放大器的作用,就可使通往控制阀膜头 的气压大有变动,以克服阀杆的摩擦和消除控制阀不平衡力的影响, 从而保证阀门位置按控制器发出的信号正确定位。 阀门定位器的使用: ① 要求阀位做精确调整的场合; ② 在大口径、高压差等不平衡力较大的场合,可减少 不平衡力对阀杆位移的影响; ③ 为防止泄漏而需要将填料压得很紧,致使干摩擦较 大的场合(如高压、高温或低温等); ④ 在输送黏性流体及悬浮物的场合(用来正确定位)。 2)改善阀的动态特性,增大了调节阀的功率。 3)改变阀的流量特性。通过改变定位器反馈凸轮的形状 (有些生产阀门定位器的厂家,可提供三种曲线的凸轮 片),可以改变控制阀的原有流量特性。 4)改变气压作用范围,满足分程控制要求。 5)用于阀门的反向动作。阀门定位器有正、反作用之分, 改变挡板和喷嘴的位置即可实现正、反作用的改变。 采用反作用式定位器可使气开阀变为气关阀,气关阀变为 气开阀。 控制阀上安装的阀门定位器,加大了输出功率,提高 了反应速度,能根据控制器输出的信号准确定位,大 大改善了控制阀的动、静态特性。 当单座阀前后压差较大的时候;当工作压力高、填料压 得紧,因而摩擦力较大的时候;当现场与控制室相距较 远,控制信号输送管线拉得较长,传送滞后较大时;控 制阀膜头较大,滞后比较显著时,都可以给控制阀配上 阀门定位器,以克服上述不利因素的影响,从而提高控 制阀的动、静态特性。 气动控制阀的选择一般要从以下几方面进行考虑: ① 根据工艺条件,选择合适的控制阀结构类型及材质; ② 根据生产安全和产品质量等项要求,选择控制阀的 气开、气关作用方式; ③ 根据工艺对象特点,选择合适的流量特性; ④ 根据工艺参数,计算流量系数,选择阀的口径; ⑤ 根据工艺要求,选择与控制阀配用的辅助装置(一 般指阀门定位器)。

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