自力式流量控制阀-自控设计中调节阀流量特性的选用问题-

1 引言 
    调节阀作为过程控制的终端元件，已广泛应用于生产过程中，其技术和使用条件也比较成熟，但由于生产中不确定因素多，对象的特性又多种多样，使得调节阀的选用比较复杂，并且调节阀的性能指标如何又直接影响到过程控制的质量好坏，尤其是流量特性的确定。在此，就调节阀理想流量特性的选择问题进行探讨。

    2 调节阀的流量特性

    调节阀出厂时所标明的都是理想流量特性，是按阀两端压降固定不变的理想状况来设计的，主要有图1所示的直线型、对数型、抛物线型和快开型四种形式。图中的I/L（%）表示相对开度对Q/Q_max（%）表示相对流量。

    但实际应用过程中，由于多种因素的影响，如管道内壁压降、管件局部阻力压降等的存在和变化，使得调节阀在不同开度下的压降发生变化，理想的流量特性会畸变为工作流量特性。即使相同的调节阀，当应用于不同的管路系统中时，其工作特性一般也是不一样的。通常用压降比s来反映流量特性的畸变程度。

    式中：

    Q表示调节阀在l/L开度的流量。
    从上式可以看出，调节阀的工作流量特性是受压降比s直接影响的。在s=1时，管道阻力降为零，系统的总压降全部降落在调节阀上，实际的工作流量特性与理想流量特性一致。但随着管道阻力降的增加，s值变小，不仅调节阀全开时的流量减少，曲线下移，而且流量特性也发生了很大畸变，成为一系列向上拱的曲线，理想的直线特性畸变为快开工作特性，理想的对数特性畸变为直线工作特性，如图3所示。

    3 调节用理想流量特性的选择方法

    根据一般对象的特性，调节阀流量特性的选择问题，实际上就是如何选择直线型和对数型流量特性的问题。应首先根据工艺过程情况确定工作特性，然后根据工作特性和管路系统的配置等情况选择合适的调节阀理想流量特性。

    3.1 确定调节阀的工作流量特性

    关于工作特性的确定，应满足在整个调节过程中，对象特性的变化能通过调节阀的特性变化得到补偿，使调节系统中广义对象的特性尽可能稳定，保证调节质量。

    如果忽略对象动态特性的变化，则调节阀的工作特性确定应能使广义对象总的放大系数为恒定值，即适当选择阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿对象放大系数的变化，从而保持广义对象的静特性呈线性。

    如果对象的动态特性不能忽略，则不仅要考虑放大系数的补偿，还需要考虑动态特性的补偿，也就是说，还要考虑用阀的放大系数的变化来补偿系统动态特性的变化，以维持系统应有的稳定性。如对象的滞后、时间常数随着负荷的增大而减小时，系统的稳定性就会降低，此时调节阀的放大系数应随之变小才能使系统的稳定性得到恢复。

    实际应用过程中，主要是根据对象的静态特性确定调节阀的工作特性。图4示意的是不同负荷下的对象特性曲线。

    （1）当对象的工作点比较稳定、调节阀两端的压差也比较稳定时，阀门的开度基本上保持在一个固定的位置上，阀门的放大系数Kv变化不大，对象的放大系数Kv也变化不大，此种情况下，不论是线性特性还是对数特性都可以。

    （2）控制阀两端的压差是主要的干扰时，要确保工作点的稳定，则必须通过改变阀门开度来维持调节介质的流量稳定，并且Kv还不应发生变化。

    对于线性阀，它的流量特性方程是：

    k为常数。但由于阀门两端的压差是主要干扰，导致Q_max发生变化。因此，Kv也发生了变化。

    对于对数阀，流量特性方程是：

    k′为常数。由于调节介质的流量Q要求不变，虽然阀门的开度发生了变化，但Kv并没有变化。因此，当阀两端的压差是主要干扰时，应该选用工作特性为对数型的阀门。

    （3）当用于随动系统时，即给定值是主要作用时，应比较同一负荷但不同测量值z下的对象放大系数K₀值，如图4中的1、2、3点。如果K₀值比较恒定，则选线性工作特性；如果K₀值是随调节介质流量的增加而下降的，则选对数工作特性。否则选快开特性。

    （4）当用于定值系统，且负荷是主要干扰时，应比较在同一测量值z但是不同负荷下的对象放大系数K₀值，如图4中的1、4、5点。阀门特性的选择如同上述随动系统的情况一样。
    由于实际情况复杂，影响因素多，调节阀选择时应抓住主要矛盾，考虑最主要的外来作用。根据理论分析，结合实际生产经验，总结出调节阀工作流量特性的选择表1。

    3.2 依据配管情况和工作特性，推断阀的理想流量特性

    当s=0.6-1.0时，理想流量特性的畸变尚不严重，此时，需要什么样的工作特性就选择什么样的理想流量特性。

    当s=0.3-0.6时，理想特性有一定程度的畸变，线性的工作特性应选择对数的理想特性；对数的工作特性则仍然选择对数的理想特性。当s<0.3时，理想特性畸变严重，实际的调节阀工作特性对于保证调节性能已不合适。但可以通过以下方法进行处理：

    （1）修正阀芯曲面，使其理想特性曲线弯曲的更甚，以满足低s值下对工作特性的要求。

    （2）采用串级控制系统，用一个流量调节的副回路代替单一的调节阀，只要将副回路整定得可以工作就可以。此时，阀的流量特性对于主被控变量的调节不再产生明显的影响。

    实际工作过程中，在对系统的调节性能要求不是很高的情况下，也可以直接依据被控变量与过程状态选择调节阀的理想流量特性，如表2所示。

    4 特性选择时应注意的问题
    （1）由于可供选择的调节阀的理想流量特性的形式有限，因此，对象特性的变化很难达到完全补偿，这时可以考虑通过阀门定位器的反馈凸轮进行改善。
    （2）对于操作参数不能准确确定的新设计工艺装置，或调节阀的计算数据过于保守时，最好选用对数理想特性的调节阀。因为对数特性的阀门具有很强的适应性。
    （3）当调节阀经常工作在小开度时，应选用对数特性的阀；当调节阀的使用寿命是主要考虑的因素时，应选用理想特性为直线的调节阀。
    （4）有时，由于流体输送机械的能力有限，调节阀必须工作在低s值下运行。
    （5）由于结构上的原因，阀门两端的压降不能超过一定的极限值，因为高压差下的减压阀很容易破损。这时往往允许加限流孔板，适当进行分压，此时s值也必须降低。
    （6）近年来，节能问题越来越受到重视，减小s值有利于节约能耗。如对于高压系统，考虑到节约动力，允许s=0.15。

    5 结束语

    调节阀的流量特性与生产中过程的状态密切相关，合理地选用其理想特性，对于提高过程控制质量很有益。随着控制技术和控制手段的不断发展，调节阀特性受过程控制因素的影响可更多地通过在线整定和补偿来克服，这一方面降低了对调节阀性能指标的要求，减小了选型的复杂程度，使调节阀更好地适应过程控制的要求；另一方面又降低了能耗，节约了能源，有利于提高经济效益。