技术讲座控制阀压差的确定

技术讲座控制阀压差的确定

在化工过程控制系统中，带控制阀的控制回路随处可见。在确定控制阀压差的过程中，必须考虑系统对控制阀操作性能的影响，否则，即使确定的控制阀压差极其精确，最终确定的控制阀也是无法满足过程控制要求的。

从自动控制的角度来讲，控制阀应该具有较大的压差。这样选出来的控制阀，其实际工作性能比较接近试验工作性能(即理想工作性能)，即控制阀的调节品质较好，过程容易控制。但是，容易造成确定的控制阀压差偏大，最终选用的控制阀口径偏小。一旦管系压降比计算值大或相当，控制阀就无法起到正常的调节作用。实际操作中，出现控制阀已处于全开位置，所通过的流量达不到所期望的数值；或者通过控制阀的流量为正常流量值时，控制阀已处于90%开度附近，已处于通常控制阀开度上限，若负荷稍有提高，控制阀将很难起到调节作用。这就是控制阀压差取值过大的结果。

从工艺系统的角度来讲，控制阀应该具有较小的压差。这样选出来的控制阀，可以避免出现上述问题，或者控制阀处于泵或压缩机出口时能耗较低。但是，这样做的结果往往是选用的控制阀口径偏大，由于控制阀压差在管系总压降中所占比例过小，控制阀的工作特性发生了严重畸变，控制阀的调节品质不好，过程难于控制。实际操作中，出现通过控制阀的流量为正常流量值时，控制阀已处于10%开度附近，并处于通常控制阀的开度下限，若负荷稍有变化，控制阀将难于起到调节作用，这种情况在低负荷开车时尤为明显。这就是控制阀压差取值过小的结果。同时，控制阀口径偏大，既是控制阀能力的浪费，使控制阀费用增高；而且控制阀长期处于小开度运行，流体对阀芯和阀座的冲蚀作用严重，缩短控制阀的使用寿命。

正确确定控制阀的压差就是要解决好上述两方面的矛盾，使根据工艺条件所选出的控制阀既能够满足过程控制要求，达到调节品质好、节能降耗又经济合理。

关于控制阀压差的确定，常见的有两种观点。其一认为根据系统前后总压差估算就可以了；其二认为根据管系走向计算出控制阀前后压力即可计算出控制阀的压差。这两种方法对于估算国内初步设计阶段的控制阀是可以的，但用于详细设计或施工图设计阶段的控制阀选型是不妥的，常常造成所选的控制阀口径偏大或偏小的问题。正确的做法是对控制阀所在管系进行水力学计算后，结合系统前后总压差，在不使控制阀工作特性发生畸变的压差范围内合理地确定控制阀压差。

一般控制条件在流程确定之后即要提出，而管道专业的配管图往往滞后，而且配管时还需要控制阀的有关尺寸，怎样在提控制阀控制条件时先进行管系的水力学计算呢？怎样进行管系的水力学计算，再结合系统前后总压差，最终在合理范围内确定控制阀压差，这就是本文要解决的问题。

1 控制阀的有关概念

为了对控制阀压差确定过程有一个清楚的认识，需要了解与控制阀有关的几个基本概念。

1.1 控制阀的工作原理

如图1所示，流体流经控制阀前后1-1和2-2截面间的流量有如下关系。

(1)

式中 qv—— 体积流量；

A —— 控制阀接管面积；

p1，p2——节流前后压力；

ε —— 控制阀阻力系数；

ρ—— 流体密度。

由于A为定值，当P1—P2不变时，流量随ε值变化，而ε值是随控制阀的开度发生变化的。因此控制阀是通过改变开度，使ε值发生变化，来达到调节流量的目的。

令

(2)

则

(3)

其中C值即仪表专业选阀时用到的一个重要参数，称为控制阀的流通能力。

1.2 控制阀的流量特性

流体通过控制阀时，其相对流量和控制阀相对开度之间的关系，称为控制阀的流量特性。其数学表达通式为：

(4)

1)直线流量特性。当控制阀单位相对开度变化引起的相对流量变化是一个常数时，称控制阀具有直线流量特性。其数学表达式为

(5)

R称为可调比，即控制阀可以调节的最大流量qvmax和可以调节的最小流量qvmin的比值。qvmin不是控制阀关闭的泄漏量，它是可调流量的下限值，当流量低于此值时，控制阀无法保证调节精度。一般qvmin=(2%～4%)qvmax，而泄漏量仅为(0.1%～0.01%)qvmax。

2)等百分比流量特性。当控制阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比时，称控制阀具有等百分比流量特性。

3)快开流量特性。当控制阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成反比时，称控制阀具有快开流量特性。

4)抛物线流量特性。当控制阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点相对流量的平方根成正比时，称控制阀具有抛物线流量特性。

5)几种流量特性的比较。一般控制阀，理想可调比R=30时，不同流量特性的控制阀其相对流量随相对开度间的变化情况如图2中的曲线所示。

从图2中的流量特性曲线可以看出，对于直线流量特性，相同的开度变化，流量的变化Δqv是相同的，那么，在小流量时，Δqv/qv操作点大，操作灵敏不易控制；在大流量时，Δqv/qv操作点小，操作平稳易于控制。因此，直线流量特性控制阀适合于负荷变化小的场合。

对于等百分比流量特性，相同的开度变化，小开度时流量变化Δqv小；大开度时流量变化Δqv大。因此，等百分比流量特性控制阀适合于负荷变化大的场合。

对于快开流量特性，随开度变大，流量很快达到最大，开度再增加时，流量变化幅度很小以至于不变。因此，快开流量特性控制阀不适合于调节流量，但适合于在双位控制或程控场合中使用。

抛物线流量特性．其特性曲线介于直线流量特性和等百分比流量特性之间，而且接近于等百分比流量特性。因此常用等百分比流量特性控制阀来代替抛物线流量特性控制阀。

因此，经常用到的是直线流量特性控制阀和等百分比流量特性控制阀。

1.3 控制阀的实际流量特性

由于控制阀都是安装在管路上，在系统总压降一定的情况下，当流量发生变化时，管路压降在变化，控制阀压差也在发生变化。因此控制阀压差变化时，得到的流量特性为实际流量特性。

a)串联管路控制阀的实际流量特性

对于如图3所示的控制阀与管路串联的系统，若令S为控制阀全开时，控制阀的压差与系统总压差的比值，称为控制阀的阻比，有的资料上称之为控制阀的阀权度。则控制阀的实际流量特性表达式变为

(6)

即控制阀的实际流量待性，不但和控制阀的相对开度有关，而且与S有关。对于安装在实际管路中R=30的控制阀，当控制阀阻比发生变化时，其实际性能曲线的变化趋势如图4所示。

从图4可见：

1)当S=1时，即管道阻力为零，系统的总压降全部落在控制阀上，此时实际流量特性和理想流量特性是一致的。

2)随着S的减小，即管道阻力增加，控制阀最大流量比管道阻力为零时理想最大流量要小，可调比在缩小。

3)随着S的减小，实际流量特性偏离理想流量特性，S越小偏离程度越大。

4)随着S的减小，直线流量特性趋向于快开流量特性，等百分比流量特性趋向于直线流量特性。而且随着S的减小，可调最小流量在升高，可调比在缩小。

因此，随着S的减小，实际流量曲线偏离理想流量曲线，可调比在缩小，可调节范围在变窄。反之则说明，为了保证控制阀具有较好的调节性能，控制阀要求有一定的压差。在实际应用中，为保证控制阀具有较好的调节性能，避免控制阀实际特性发生畸变，一般希望S≥0.3。 根据图4和试验测试，S对控制阀特性的影响结果如表1所列。

因此，综合兼顾控制和工艺两方面要求，一般S=0.3～0.5。特殊情况下：

1)高压减至低压时，S很容易在0.5以上。虽然S越大越好，但有时压差很大，容易造成控制阀冲蚀或流体已呈阻塞流，此时可在控制阀前增设减压孔板，使部分压差消耗在孔板上。孔板上分担的压差工艺和自控专业协商确定。

2)稍高压力减至低压或物料自流的场合，要使S在0.3以上有时有困难。此时可想办法降低管路阻力，如：放大管径、改变设备布置以缩短管道长度或增加位差、减少弯头等措施，一定要确保S≥0.3。

3)低压经由泵至高压的场合，为了降低能耗，要求至少S≥0.15。但为获得较好的控制阀品质，建议S≥0.3。

4)气体管路由于阻力降很小，S很容易在0.5以上。但在低压和真空系统中，由于容许压力降较小，要求S≥0.15。

b)并联管路控制阀的实际流量特性

对于如图5所示的控制阀与管路并联的系统，压差ΔP为定值。若令S并为通过调节的最大流量和系统最大流量的比值并称为并连系统控制线的阻比可以得出：

(7)

这就是并联管路控制阀的实际流量特性，对于不同的S并，实际性能曲线的变化趋势如图6所示。

从图6可见：

1)当S并=1时，即旁路关闭，实际流量特性和理想流量特性是一致的。

2)随着S并逐渐减小，即旁路逐渐开大。通过旁路的流量逐渐增加，实际流量特性起点在上移，可调比在缩小，但流量特性曲线形状基本不变。在实际应用中，为保证控制阀有一定的可凋比，一般希望控制阀阻比S并≥0.5，最好S并≥0.8。

这种控制阀和管路并联的情况在实际工程中并不多见，但对于一些需要保持系统有一个最低流量，负荷变化不大(即调节比较小)的场合，为防止仪表故障时最低流量得不到保证。可以采用控制阀和管路并联。另外，当所选的控制阀偏小，作为一种补救措施；或者装置有扩容能力，

但控制阀已不能满足要求时，可将控制阀的旁路稍开，使控制阀达到所期望的调节目的。此时。先关闭控制阀主管路，通过阀后总管上的流量计来标定旁路阀的开度。

如图1所示仅以控制阀进出口为研究对象，使控制阀压差为定值时，得到的流量特性为理想流量特性。

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