阀门基本知识 - 图文

调节阀流量特性控制分析

1 调节阀的流量特性

众所周知，调节阀是自动控制中直接与流体相接触的执行器。对热工对象来说，其控制流体（往往是水）的流量和压力，关系着生产过程、空气调节等自动化的技术目标的实现。正确选取调节阀的结构形式、流

量特性和产品规格，对于自控系统的稳定性、经济合理性有十分重要的作用。

常用的调节阀有座式和蝶阀两类。随着生产技术的发展，调节阀的结构型式越来越多，调节阀结构型式的选择主要是根据工艺参数（温度、压力、流量）、介质性质（粘度、腐蚀性、毒性、杂质状况）以及调节系统的要求（可调节比、噪音、泄漏量）综合考虑来确定。一般情况下，应首选普通单、双座阀和套筒阀。因为此类调节阀结构简单，阀芯形状易于加工，比较经济；或根据具体的特殊要求选择相应结构形式的调节阀。结构型式确定以后，调节阀的具体规格关系到阀的流量特性是否与系统特性相匹配，关系到系统是否稳定性高、经济性好。调节阀的流量特性，是指流体流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。易推知，相对流量与相对开度成正相关，即阀门通道越小，相对开度越小，相对流量越小；阀门通道越大，相对开度越大，相对流量越大。阀门通道为零时，这时流量为零，即阀门关闭。由流体力学

可知，通过阀门的流量与阀门前后的压差成正相关的关系，即：

式中：Q指通过阀门的流量；ΔP是指阀门前后形成的压差；K是指系数。

压差往往是由阀门开度（阀芯的位移L）所形成的流体通道决定，开度越小，相对开度越小，阀门前后压差越大；开度越大，相对开度越大，阀门前后的压差越小。可以说，通过调节阀的流量大小不仅与阀的开度有关，而且和阀前后的压差有关。工作中的调节阀，当阀的开度改变时，不仅流量发生了变化，阀前后压差也发生了变化。为了便于讨论，先假定阀前后压差一定，即先讨论理想流量特性，然后再考虑调节

阀在管路中的实际情况，即讨论工作流量特性。

2 理想流量特性

理想流量特性是在阀前后压差固定的情况下得到的流量特性，它决定于阀芯的形状，因此也称之为结构特性。在理想情况下，流量仅随阀门开度变化而变化，从控制的角度看，观察调节阀的控制指标，研究流

量特性，是一种常用的方法。在常用的调节阀中，有四种典型的理想流量特性，如图1[1]所示。

2.1 直线特性

调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，如图1中（1）曲线所示。曲线斜率不变，即它的放大系数不变。以相对行程等于10%、50%、80%三点为例，当行程变化10%时，所引起相对流量变化10%，而它

的相对变化值（即灵敏度）分别为100%、20%、12.5%。

可以推知，在变化相同行程情况下，阀门相对开度较小时，相对流量变化值大，灵敏度高；相对开度较大时，相对流量变化值小，灵敏度低。这往往使直线特性阀门控制性能变坏：在小开度时，放大系数相对来说很大，调节过程往往产生振荡；在大开度时，放大系数相对来说不大，灵敏度低，容易使阀门动作迟

缓，调节时间延长。

2.2 对数特性

其单位相对行程的变化引起的相对流量的变化与此点相对流量成正比例，如图1中（2）曲线所示。以同样的行程L等于10%、50%、80%三点为例，当行程变化10%时，流量变化值分别为1.9%、7.4%、20.5%，

可以说其放大系数随阀门的开大而增大。因此，这种阀门在小开度时，放大系数小，工作得缓和平稳；在大开度时，放大系数大，工作得灵敏有效。同样，各点灵敏度为40%处处相等（也可称等百分比特性），

便于控制。

2.3 快开特性和抛物线特性

快开特性如图1中（3）曲线所示，在阀门开度小时，流量变化较大，随着开度增大，流量很快达到最大值，放大系数大，灵敏度高。在阀门开度大时，流量变化不大，放大系数较小，灵敏度也较低。在压力不太大、调节要求不高的场合应用，开则快，关则慢，不易引起管网大的压力波动。抛物线特性如图1中（4）曲线所示。这种阀的单位相对行程的变化所引起的相对流量与此点的相对流量值的平方根成正比关系。

它介于曲线（1）（2）之间，其特性接近对数阀特性，但由于其阀芯加工复杂，较少采用。

3 工作流量特性

调节阀处于工艺管路系统中工作时，管路系统的阻力变化或旁路阀的开启程度的阀前后压差变化，使得在同样的阀门开度时，不再像理想流量特性那样流量保持不变，对应的流量将有所变化。我们把调节阀前

后压差变化的流量特性称为工作特性。

3.1 串联管路时的工作流量特性

在工程中，调节阀是装在具有阻力的管道系统上，见图2。当该系统两端总压差一定时，调节阀上的压差就会随着流量的增加而减少[2]。随着阀门开大，阀前后压差减少，因此，在阀相对开度相同的情况下，此时的流量比理想流量特性下要小一些。在阀门开度较大时，调节阀前后的压差减小，流量较大。

图2中ΔP为管路系统的总压差，ΔP1为调节阀的压差，ΔP2为串联管道及设备上的压差。令S=（ΔP1m /（ΔP），式中S为阀门的权度系数，ΔP1m为阀全开时的调节阀两端压差。当阀门不变，而改不同的管道阻力时，其S值是不同的。随着管道阻力的增大，S值递减。在不同的S值下，对于理想特性为直线和等百

分比流量特性的调节阀，工作特性如图3[3]所示。

由图3可知，当S=1时，即系统总压力都作用在调节阀上，并保持恒定，则为理想特性。随着S值减少，调节阀全开的流量递减，但在某一相对开度下的相对流量q却随S值的减少而增大（q=Q/Q100，Q100表示管道有阻力时，调节阀全开时的流量）。因此，相对理想流量特性而言，工作特性发生了畸变，成为一组向上拱起的曲线簇。这样，在小开度时，放大系数更大，灵敏度更高；在大开度时，放大系数更小，灵敏度更低。同时，我们若把相对开度为零时的流量称为最小流量，且此最小流量与最大流量Q100之比的倒数称之为可调比，则随着S值的减少，由于串联管道阻力的影响，阀的可调比变小。可以推知，可调比R与

阀门权度的大关系为：

式中R为理想流量特性时的可调比，叫做理想可调比；Rs为工作流量特性时的可调比，叫做实际可调比。

可调比越小，则调节阀的调节能力越低；可调比越大，则调节阀的调节能力越强。但实际可调比相对于理想可调比来说，不能太大，因为要考虑系统的能耗，一般情况下，S采用0.3~0.5之间[4]，把实际可调比

控制在理想可调比的0.55~0.70之间。

调节阀设计计算选型导则（一）

标题：调节阀设计计算选型导则（一） 作者：尤克强 来源：互联网

1 前言

调节阀是生产过程自动化系统中最常见的一种执行器，一般的自动控制系统是由对象、检测仪表、控制器、执型器等所组成。调节阀直接与流体接触，控制流体的压力或流量。人们常把测量仪表称之为生产过程自动化的“眼睛”；把控制器称之为“大脑”；把执行器称之为“手脚”。自动控制系统一切先进的控制理论，巧秒的控制思想，复杂的控制策略都是通过执行器对被控对象进行作用的。正确选取调节阀的结构型式、流量特性、流通能力；正确选取执行机构的输出力矩或推力与行程；对于自动控制系统的稳定性、经济合理性起着十分重要的作用。如果计算错误，选择不当，将直接影响控制系统的性能，甚至无法实现自动控制。控制系统中因为调节阀选取不当，使得自动控制系统产生震荡不能正常运行的事例很多很多。因此，在自动控制系统的设计过程中，调节阀的设计选型计算是必须认真考虑、将设计的重要环节。

正确选取符合某一具体的控制系统要求的调节阀，必须掌握流体力学的基本理论。充分了解各种类型阀的结构型式及其特性，深入了解控制对象和控制系统组成的特征。选取调节阀的重点是阀径选择，而阀径选择在于流通能力的计算。流通能力计算公式已经比较成熟，而且可借助于计算机，然而各种参数的选取很有学问，最后的拍板定案更需要深思熟虑。

2 调节阀的结构型式及其选择

常用的调节阀有座式阀和蝶阀两类。随着生产技术的发展，调节阀结构型式越来越多，以适应不同工艺流程，不同工艺介质的特殊要求。按照调节阀结构型式的不同，逐步发展产生了单座阀、双座阀、角型

q=f （3-13）

综上可知，当阀门各开度下的流通能力C与节流面积F成线性关系时，即假定阀前后压差固定，ΔP为常数时，调节阀的理想流量特性与调节阀的结构特性完全相同，这样一来，调节阀的理想流量特性，也就有直线、等百分比、快开、抛物线等4种形式

3.2.2 实际工作流量特性

在调节阀前后压差变化的情况下，得到的流量特性，称为工作流量特性。在实际的工艺装置中，调节阀安装在工艺管道系统中，由于除调节阀以外的管道、装置、设备等存在阻力，并且该阻力损失随通过管道的流量成平方关系变化。因此，当系统两端压差ΔP一定时，调节阀上的压差ΔPv就会随着流量的增加而减小，如图1所示。这个压差的变化也会引起通过调节阀的流量发生变化，因此这时调节阀的理想流量生就会产生畸变而成为工作特性。

管道系统的总压差△Ps是管道系统（除调节阀外的阀门、设备和管道）的压差与调节阀前后压差之和，

即：

ΔPs=△P2+∑ΔP1 （3-14）

图1（b）中△Pvm是最大流量时调节阀前后的压差，∑△Pim是最大流量时管路系统的压差，令：

（3-15）

这就是工艺管道系统的阻损比S，也就是调节阀全开时，阀上的压降△Pv与管路系统各局部阻力件之和∑Pim加阀上的压降△Pv，两者之间的比根据式（3-11），则调节阀通过的流量即：

（3-16）

当调节阀开度达到100%时，即f=1时则有：

（3-17）

如果工艺管道系统的阻力损失全部由调节阀决定，即管道设备阻力等于零时（ΔPv=ΔPs），此时的系统阻损比S=1，则调节阀前后压差就是管道系统的总压降△Ps。此时调节阀工作特性就成为理想特性，此时的最大流量为：

（3-18）

如果将式（3-16）和（3-18）相比就可以得到Q作参此量的相对流量特性：

（3-19）

如果将式（3-16）和（3-17）相比就可以得到以Q100作参比量的相对流量特性：

（3-20）

进一步推导，考虑管道系统的节流面积恒定不变其相对面积总是1，则其管道流量表达式如下：

（3-21）

式中：Q：管道流量 Cg：管道流通能力 ∑ΔPi：管道阻力 γ：流体密度

式（3-16）和（3-21）流量相等，并根据式（3-14）则推导出

（3-22）

当调节阀全开时f=1，于是调节阀最大开度时的前后差压（实际是调节阀前后压差的最小值）为：

则：

（3-23）

将式（3-23）和（3-22）联豆解方程组则有

（3-24）

将式（3-24）代入式（3.19）则得到

（3- 25）

将上式中代入相应的结构特性，就可以得出Qmax作为参比值的工作特性如图2。

由于实际上S<1，因此工作特性中Q和Q100都将相对减小。随着调节阀开度的增加，管道系统的流量也随之增加，则管道系统的压降∑ΔPi从最小（近似等于零）逐步增大到∑Pim。这样一来，随着调节阀开度的增加，调节阀前后压差ΔPv将由于∑ΔPi的增加而减少，参看图1。因此实际上管道系统的最大流量Q100必然小于理想情况（S=1）时的最大流量Qmax也就使得直线和等百分此两种调节阀的特性曲线都随S的减小而下垂，如图2。

将式（3-24）和△Pm=S?ΔPs代入式（3-20）则得到：

（3- 26）

将上式中代入相应的结构特性，就可以得出Q100作为参比值的工作特性，如图3。

对于一个流量调节阀的管道系统，阻损比S值（又称压降比）越大，则说明调节阀的压降占整个系统比重越大，调节阀控流能力越大；如果S=1.0，则△Pv=△Ps是不变的，则调节阀工作特性就是理想特性。反之S值越小，则说明调节阀的压降占整个系统的比重越小；也就是调节阀的控制能力越差，也就是当流量增加时，调节阀前后压降逐步减少。因此调节阀的节流面积虽然增大了但由于ΔPv减小，流量并没有按理想特性增大，而使流量增大速率变缓。随着S值的减小，即管道阻力增加，则带来两个不利的后果：一

是调节阀的流量特性发生越来越大的畸变；直线特性渐渐趋于快开特性，等百分比特性渐渐趋于直线特性，这样一来使小开度时放大系数增加、大开度时放大系数减小，造成小开度时控制不稳定和大开度时控制迟钝。因此在实际使用中，通常要求S值不低于0.3~0.5。二是调节阀的可调节阀的可调范围随之减小，实际可调比R'随S减小而减小：

（3-27）

式中：R：调节阀的固有可调比 R?：调节阀的实际可调比

3.3 流量特性的选择

直线结构特性调节阀的特性曲线的斜率在全行程是一个定值以相对行程l等于10%、50%、80%三点为例；当行程变化10%时，所引起节流面积变化总是10%，我们再看它的节流面积相对变化值分别为：

由此可见，直线结构特性在变化相同行程情况下，阀门开度小时，节流面积相对变化值大；阀门开度大时，节流面积相对变化值小。这个特点，往住使直线结构特性阀门在小开度情况下的灵敏度过高而导致控制性能变坏。

再看等百分比结构特性的调节阀，其特性曲线的斜率是随行程的增大而递增的。以同样的相对行程等于10%、50%、80%三点为例，当行程变化成10%，（假设R=30）所引起的节流面积变化分别是1.91%、7.3%和20.4%；因此这种阀在接近关闭时工作得缓和平稳，而在接进全开启状态时工作的灵敏有效。同样再看它的节流面积相对变化率分4为：

由此可见行程变化成10%，所I起节流面积变化的相对值总是40%，具有等比率特性、等百分比结构特性即由此得名。

实际市场上调节阀，有直线、等百分比和快开三种基本特性。对于陕开特性，一般用于两位式调节和开关控制。对于调节系统选择调节阀特性，则指的是如何选择直线和等百分比特性在设计选用中主要依据

以下两个原则。

（1）从控制系统的控制品质出发，选择阀的工作特性

理想的控制回路，希望它的总放大系数在控制系统的整个操作范围内保持不变，但在实际生产过程中控制对象的特性往往是非线性的，它的放大系数要随其外部条件而变化。因此，适当选择调节阀特性，以调节阀的放大系数变化来补偿对象放大系数的变化，可将系统的总放大系数整定不变，从而保证控制质量在整个操作范围内保持一定。若控制对象为线性时，调节阀可以采用直线工作特性。但许多的控制对象，其放大系数随负荷加大而趋小，假如我们选用放大系数随负荷加大而趋大的调节阀，正好补偿。等百分比特性阀具有这种性能，因此它得到广泛应用。

（2）从配管情况出发，根据调节阀的希望工作特性选择阀的结构特性。

必须说明，按第一原则选出的是阀的工作流量特性。由于流量调节阀的管道系统各不相同，S值的大小直接引起阀的工作流量特性偏离其结构特性而发生畸变。因此，当我们根据已定的希望工作特性来选取调节阀的结构特性时，就必须考虑配管情况。S值大计时，调节阀的工作特性畸变小；反之S值小，调节阀的工作特性畸变大。考虑配管情况可以参考表i进行选择。

表1 阀的结构特性选择

调节阀与系统压降比S 调节阀的工作流量特性 调节阀的结构特性 快开 快开 1- 0.6 直线 直线 等百分比 等百分比 0.6- 0.3 快开 直线 直线 等百分比 等百分比 等百分比 ＜0.3 控制不适宜 控制不适宜

一、阀门常见问题之气穴

（一）气穴介绍

气穴是仅能在液体操作中发生的一种现象，它首次于1900年初期作为问题发现。当海军工程师注意到轮船螺旋桨产生气泡时发现，这些气泡似乎会降低船只速度，以及造成对螺旋桨的实际损耗。

每当大气压力等于液体蒸汽压力时，则产生气泡。显然，当液体被加热，蒸汽压力升到等于大气压力，在此点上气泡发生。这种相同相象通过降低大气压力到等于液体蒸汽压力时也可发生。在液体工艺操作中，当液体加速通过收缩断面的狭窄区时，压力可下降到低于液体蒸汽压力，这导致气泡的形成。当物流继续通过收缩断面，当流动面积膨胀时，流速下降，而压力再次回升，这导致压力恢复增加使物流压力高于蒸汽压力。

当气泡在收缩断面处形成，它向下游移动到压力恢复并造成气泡内向爆炸。这两个步骤过程—在收缩断面处形成并随后在下游内向爆炸，被叫做气穴。简单地说，气穴是一个发展阶段，它的特点在于液体-蒸汽-液体的过程全部是在阀门的小面积内并在微妙之内进行。较轻的气穴损伤对某些可认为是正常的，它可在例行维护中处理。如果被忽视，严重的气穴将限制阀门的估计寿命。它也会产生阀座的过度泄漏，改变流动特性，造成压力容器（阀体或管线等）的完全破坏。

在某些严重的压力降的工况下，气穴能够在数分钟内将阀门的零件破坏。

总之，产生气穴必须具有五个条件：首先，阀门上游和下游两侧的流体必须是液体；第二，当流体进入阀门或在阀门下游由压力降产生残余蒸汽时，液体必须未达到饱合状态；第三，收缩断面的压力降必须下降到工艺流体的蒸汽压力之下；第四，出口压力必须恢复到液体蒸汽压力水平；第五，液体必须含有某些夹带气体或杂质，在形成蒸汽泡中它起到晶核作用。晶核有时也叫核子。核子含在工艺流体中像是微观颗粒或溶解气体。因为大多数工艺流体含有颗粒或溶解气，形成蒸气气泡的机会是很有可能的。在理论上，如果液体中完全无核子，有些专家相信气穴将不会产生，然而这几乎是不可能的，特别是考虑到热动力学效应时。 气穴的产生和内爆包括五个阶段：首先，当通过阀门节流时流速增加而液体压力降低于蒸气压力；第二，围绕核子晶核体膨胀进入蒸气之内，该核子晶核即可是颗粒也可是夹带气体；第三，气泡增长直到物流运动远离收缩断面，并提高了压力恢复而抑制了气泡增长；第四，当物流运动远离收缩断面，面积膨胀而减慢流速和增加压力，提高的压力挤压或内爆气泡使蒸气返回液体；第五，如果气泡接近阀门表面，内爆之力直接指向阀壁表面，而造成材料疲劳。

由气穴所产生的气泡比由正常沸腾产生的气泡更小和力量更大。由内爆气泡所释放的能量很容易听到像是阀门或下游管线内的噪声，就像石子滚下管线似的。噪声正常是由过度振动造成的，她能导致金属或管线疲劳或灵敏仪器校准失误和失灵。在某些情况下，通过牢固地将阀门和管线锚固在地面上或墙上，可减少振动。

气穴造成的最长久损害是由内爆气泡造成阀体内部的材质变坏。当气泡在收缩断面膨胀，它们运动到阀门的下游然后在发生压力恢复时内爆。如果气泡接近于金属表面，例如阀体壁，他们有向阀壁释放内爆能量的倾向。当不等的压力施加作用力于气泡时发生此种现象，因为在最邻近物体的空穴气泡的一侧，其液体压力较小，内爆的能量引向表面（图一）。这个原则与防潜交战中深度负载爆炸相同。

图一 被阀体壁内爆的气穴气泡

对于气穴，真正的损害发生在气泡内爆的后两个过程，能量在金属表面的爆炸，会将金属撕成微小的碎片，特别是当压力强度达到或超过阀体材料的抗拉强度的时候。已经报告的振动波是高到100000psi（6900bar）。最初的破坏是强大的，因为撕开表面的拖动会吸引或抓住其他正在内爆的气泡而导致更多的气穴损伤。被气穴损伤的阀门部件有凹坑外观或感觉像是喷砂表面。气穴损害的外观与闪蒸或磨蚀损伤外观大不相同，后者表面是光滑的。另外一种可能的气穴长期影响是它可能腐蚀材料的涂层、面膜或者氧化物，它将揭开母材料而进行化学和腐蚀侵害。

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