调节阀的系统参数及其流量特性探析

    调节阀与工业生产过程控制的发展同步进行，为提高控制系统的控制品质，对组成控制系统各组成环节提出了更高要求。例如，对检测元件和变送器要求有更高的检测和变送精确度，要有更快的响应和更高的数据稳定性；对调节阀等执行器要求有更小的死区和摩擦，有更好的复现性和更短的响应时间，并能够提供补偿对象非线性的流量特性等。同时，由于工业生产过程的大型化和精细化，对调节阀等也提出了更高要求。

    1 调节阀的系统参数

    1.1 调节阀的流量系数

    流量系数表示流体流经阀门产生单位压力损失时流体的流量，是衡量阀门流通能力的指标。由于单位的不同，流量系数有不同的代号和量值。

    采用国际单位制时，流量系数用Kv表示。流量系数Kv的定义为：      

    调节阀两端压差为0.1MPa时，温度为278K-313K（5℃-40℃）的水每小时流经调节阀的立方米数，以m³/h表示。流量系数随阀门尺寸、形式及结构而变化，该系数值越大说明流体流过阀门时的压力损失越小。

    1.2 阻力系数

    流体通过弯管和截面突变的地方时，会有扰动、搅拌，形成气穴、漩涡和尾流，或使流体质点相互撞击，产生较大的能量损耗。可以认为，调节阀体腔内的每个元件都可以看作为一个产生阻力的元件系统（流体转弯、扩大、缩小、再转弯等），调节阀内的阻力损失等于调节阀各个元件阻力损失的总和。调节阀的阻力系数就是表征调节阀对流体产生的阻力损失大小的量，该系数取决于阀门产品的尺寸、结构以及内腔形状等。流体通过阀门时，其流体阻力损失通常以阀门前后的流体压力降△p表示，即△p＝ξρv²/2。    

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    1.3 压力恢复系数

图1 流体通过调节阀时压力和流速的变化    

    在建立流量的计算公式时，为了简化计算，将调节阀模拟为节流孔板来推导公式，没有考虑阀门结构对流量的影响，认为当流体流过调节阀时压力由阀前压力p1直接变化到阀后压力p2，而实际上当流体流过时的压力变化如图1所示。由图1可知在阀芯、阀座处由于节流作用而在附近的下游处产生一个缩流，其流体的流速最大，但静压最小。在远离缩流处，随着阀内的流通面积的增大，流体的流速减小，由于相互摩擦，部分能量转变成内能，大部分静压被恢复，形成了阀门压差如。换言之，流体在节流处的压力急剧下降，并在其后的节流通道中逐渐恢复，但己经不能恢复到原来的p1值。这便是压力恢复现象。    

    压力恢复系数F_L表示调节阀内部流体流经缩流处后，动能转换为静压的恢复能力。F_L值是阀体内部几何形状的函数，各种阀门因结构不同，其压力恢复能力和压力恢复系数也不相同。一般，F_L=0.5-0.98。压力恢复系数F_L越小，表示该调节阀流路设计好，流动阻力小，其压力恢复能力也越好，即经缩流后，静压能够恢复到接近进口压力，这类阀门被称为高压力恢复阀，如球阀、蝶阀等。压力恢复系数FL调节阀越大，表示该阀门流路复杂、流阻大、摩擦损失大、进口压力经调节阀后的降低大，因此，压力恢复能力差，被称为低压力恢复阀，如单座阀、双座阀等。

    2 闪蒸、空化及其影响

    在调节阀内流动的液体，常常出现闪蒸和空化两种现象。如图1所示，当压力为P1的液体流经调节阀节流处时，流速突然急剧增加， 而静压力骤然下降，当阀后压力P2达到或者低于该流体所在情况下的饱和蒸汽压时，部分液体就汽化成气体，形成气液两相共存的现象，这种现象称为闪蒸。闪蒸造成气液两相流，气体与液体同时流过阀芯和下游管道，造成冲刷，其特点是阀芯呈现平滑抛光的外形。可见产生闪蒸时，对阀芯、阀座材料己开始有侵蚀破坏作用；并且闪蒸也影响液体流量计算公式的正确性，使计算复杂化。    

    如果产生闪蒸之后，P2不是保持在饱和蒸汽压以下，而是在离开节流处之后又骤然上升，这时气泡产生破裂并转化为液态，这个过程即为空化作用。由此可见，空化作用是一种两阶段现象，第一个阶段，破裂，即空化阶段。空化作用会使调节阀产生阻塞流和汽蚀。许多气泡集中在阀的节流孔后，阻碍流体的流动，自然影响了流量的增加，产生了阻塞情况。

    3 调节阀的流量特性

    3.1 理想可调比

    调节阀前后压差保持不变时的可调比，称为理想可调比，其计算公式为R=Qmax/Qmin=Kvmax/Kvmin。可以看出，理想可调比等于Kvmax（最大流量系数）与Kvmin（最小流量系数）之比。它反映了调节阀调节能力的大小。如果单从自控角度考虑，希望可调比越大越好，但由于受到调节阀阀瓣结构设计和加工工艺的限制，Kvmin不能太小，一般国内设计取R=30或R=50。

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    3.2 流量特性

    调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对位移（阀门的相对开度）之间的关系。用数学的表达数表示Q/Qmin=f（l/L），式中Q/Qmax为相对流量，即调节阀在某一开度时流量Q与全开流量Qmax之比；l/L为相对位移，即调节阀在某一开度时阀芯位移l与全开位移L之比。

    通常来说，改变调节阀的阀芯与阀座之间的流通截面积，便可控制流量。但在实际工况中，由于多种因素的影响，通过阀门的流量可能随压降而变化。为了便于分析，设定阀门的压降不变，然后再引申到真实情况进行分析，前者称为阀门固有流量特性，后者称为阀门工作流量特性。

    3.2.1 固有流量特性

    阀门的固有流量特性指的是在阀前、阀后压差保持不变时，介质流过阀门的相对流量与相对位移（阀门的相对开度）之间的关系。阀门的固有流量特性不同于结构特性（阀的结构特性是指阀芯位移与流体通过的截面积之间的关系，不考虑压差的影响，纯粹由阀芯大小和几何形状决定）。

    3.2.2 工作流量特性

    在实际生产过程中，阀门的压差总是变化的，这时流量特性称为工作流量特性。因为调节阀往往和工艺设备、管道等串联或并联适用，流量因阻力损失的变化而变化，在实际工作中因阀门前后压差的变化而使理想流量特性畸变成工作特性。

    3.2.3 流量特性的选择准则

    生产过程中常用的调节阀的理想流量特性有直线、等百分比和快开三种。抛物线流量特性介于直线与百分比之间，一般可用等百分比来代替，而快开特性主要用于二位调节及程序控制中。因此，调节阀的特性选择实际上是指如何选择直线和等百分比流量特性。

    调节阀流量特性的选择可以通过理论计算，但使用的方法和方程都很复杂，而且由于干扰的不同，高阶响应方程计算就更加繁杂。因此，目前对调节阀流量特性的选择多采用经验准则。可从如下几个方面来考虑：

    （1）从调节系统的调节质量分析并选择；

    （2）从工艺配管情况考虑并选择；

    （3）从负荷变化情况分析和选择。

    4 结束语

    调节阀作为一种常用阀门，在各行各业有着广泛的应用，其性能的提高对流程工艺效益的提高以及能源消耗的降低有着不可忽视的作用。因此，研究调节阀的流量特性具有重要的工业应用价值。