調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)操縱變量的流量，從控制系統(tǒng)整體看，一個(gè)控制系統(tǒng)控制得好不好，都通過調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)。

調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)

控制閥是節(jié)流裝置，屬于動(dòng)部件，與檢測元件和變送器、控制器比較，在控制過程中，調(diào)節(jié)閥需要不斷改變流件的流通面積，使操縱變量變化，以適應(yīng)負(fù)荷變化或操作條件的改變，因此，對(duì)調(diào)節(jié)閥組件的密封、耐壓、腐蝕等提出很高要求。例如，密封會(huì)使調(diào)節(jié)閥摩擦力增加，調(diào)節(jié)閥死區(qū)加大，造成控制系統(tǒng)控制的品質(zhì)變差等。

調(diào)節(jié)閥的閥內(nèi)件與過程介質(zhì)直接接觸，和檢測元件與過程介質(zhì)的接觸不同，例如：對(duì)調(diào)節(jié)閥的耐腐蝕性、強(qiáng)度、剛度、材料等有更高的要求；檢測元件可采用隔離液等方法與過程介質(zhì)隔離，但調(diào)節(jié)閥與過程介質(zhì)直接接觸，很難采用隔離液的方法與過程介質(zhì)隔離。

調(diào)節(jié)閥的節(jié)流使能量在閥內(nèi)件內(nèi)部被消耗，因此降低能耗，降低調(diào)節(jié)閥的壓力損失和保證較好的控制品質(zhì)之間要合理選擇和兼顧。

調(diào)節(jié)閥對(duì)流體進(jìn)行節(jié)流的同時(shí)也產(chǎn)生噪聲。例如：當(dāng)閥出口壓力低于液體的蒸汽壓力時(shí)，造成閃蒸；當(dāng)閥下游壓力高于液體蒸汽壓力時(shí)，造成汽蝕。調(diào)節(jié)閥造成的噪聲和調(diào)節(jié)閥流路的設(shè)計(jì)、操作壓力、被控介質(zhì)特性等有關(guān)系，因此，降低噪聲、降低壓力損失等對(duì)調(diào)節(jié)閥提出了更高的要求。

單座調(diào)節(jié)閥

調(diào)節(jié)閥的選型

1 調(diào)節(jié)閥額定流量系數(shù)的選擇

對(duì)一臺(tái)調(diào)節(jié)閥來說，額定流量系數(shù)Kv的大小，直接反映了流體通過調(diào)節(jié)閥的*大能力，所以額定流量系數(shù)Kv值是一個(gè)重要參數(shù)。

1.1 額定流量系數(shù)的定義

流量系數(shù)是指在調(diào)節(jié)閥全開的條件下，閥兩端的壓差為1kgf/cm²，流體重度為1g/cm²時(shí)，每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)。

1.2 流量系數(shù)的計(jì)算

1.2.1 一般液體流量系數(shù)的計(jì)算

一般液體流量系數(shù)的計(jì)算公式為

    （1）

其中：

Kv——流量系數(shù)；

p1——閥前壓力；

Q——流體體積流量，m³/h；

p2——閥后壓力；

G——流體重量流量，t/h；

r——流體重度。

1.2.2 高黏度液體流量系數(shù)的計(jì)算

當(dāng)液體黏度過高時(shí)，由于雷諾數(shù)下降，改變了流動(dòng)狀態(tài)，在雷諾數(shù)Re<2300時(shí)，液體處于層流低速流動(dòng)，流量與差壓不再是平方關(guān)系，此時(shí)須對(duì)Kv值進(jìn)行黏度修正。黏度修正系數(shù)曲線如圖1所示。

圖1 黏度修正系數(shù)曲線

Kv’=ΨKv     （2）

其中：

Kv’——黏度修正后的流量系數(shù)；

Ψ——黏度修正系數(shù)，其值與雷諾數(shù)有關(guān)。

調(diào)節(jié)閥閥芯處雷諾數(shù)的計(jì)算：

（雙座閥）    （3）

    （4）

r——流體在工作狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)黏度。

1.2.3 氣體流量系數(shù)的計(jì)算

一般氣體根據(jù)壓差關(guān)系，可分為p2>0.5p1和p2≤0.5p1，如果p2>0.5p1，則

    （5）

如果p2≤0.5p1，則

    （6）

這只是針對(duì)一般壓力較低的氣體而言，若pg≥100kgf/cm²，則

    （7）

式中：

Kv——額定流量系數(shù)；

QN——氣體體積流量（Nm³/h）（20℃、760mmHg狀態(tài)下）；

rN——氣體重度（kgf/Nm³）（20℃、760mmHg狀態(tài)下）；

Kv’——考慮壓縮系數(shù)的額定流量系數(shù)；

t——氣體溫度；

p1——閥前絕對(duì)壓力；

p2——閥后絕對(duì)壓力；

K——氣體壓縮系數(shù)。

1.2.4 一般水蒸氣流量系數(shù)的計(jì)算

一般水蒸氣包括飽和水蒸氣和過熱水蒸氣，水蒸氣流量系數(shù)的計(jì)算也是根據(jù)前后壓差的關(guān)系分為p2>0.5p1和p2≤0.5p1。

若壓差p2>0.5p1，則

    （8）

若壓差p2≤0.5p1，則

    （9）

式中：Kv——額定流量系數(shù)；

G——飽和水蒸氣重量流量；

P1——閥前壓力；

P2——閥后壓力；

Δt——過熱度（相同壓力下，過熱水蒸氣比飽和水蒸氣過熱的溫度。飽和水蒸氣t=0）。

2 調(diào)節(jié)閥口徑的選擇

在工程計(jì)算中，為了正確計(jì)算額定流量系數(shù)，即合理地選擇調(diào)節(jié)閥的口徑，首先必須合理確定調(diào)節(jié)閥的流量與壓差數(shù)值，同時(shí)還應(yīng)對(duì)閥門的開度和可調(diào)比進(jìn)行驗(yàn)算，以保證所選調(diào)節(jié)閥既能滿足工藝上*大流量的需要，又有適應(yīng)*小流量的調(diào)節(jié)。

表1 直線與對(duì)數(shù)特性

對(duì)調(diào)節(jié)閥的口徑進(jìn)行選擇的步驟：

（1）確定*大流量，應(yīng)考慮到工藝生產(chǎn)能力、對(duì)象負(fù)荷變化、擴(kuò)大生產(chǎn)因素，一般選*大流量應(yīng)當(dāng)為工藝流量的1.25～2倍。

（2）確定閥上壓降。閥上壓降占系統(tǒng)總壓降的比例越大，管理系統(tǒng)阻力損失占系統(tǒng)總壓降比例越小，則閥的控制能力越大。若閥上壓降占系統(tǒng)總壓降比例太小，則調(diào)節(jié)質(zhì)量就差。一般閥全開時(shí)，應(yīng)大于0.3；在管路系統(tǒng)損失特別大時(shí)，閥上壓降占系統(tǒng)總壓降的比例也應(yīng)大0.15。

假如無法事先知道閥全開時(shí)的壓降，在決定閥上壓降占系統(tǒng)總壓降的比例時(shí)，可采用假定值。方法如下：假定*大流量時(shí)，閥門開度為80%，則閥上壓降占系統(tǒng)總壓降的比例取0.5；假定工藝正常流量時(shí)，線性調(diào)節(jié)閥的開度為50%，對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)閥的開度為60%，則閥上壓降占系統(tǒng)總壓降的比例取0.75。

有了*大流量與閥上壓降后，則可計(jì)算閥的額定流量系數(shù)。根據(jù)額定流量系數(shù)選擇閥門時(shí)，若按正常工藝流量或*大流量及對(duì)應(yīng)的壓差計(jì)算的Kv值選閥門，則閥門經(jīng)常處于全開狀態(tài)，缺少調(diào)節(jié)余地，因此筆者希望流量波動(dòng)范圍內(nèi)閥門開度為20%～90%，所以Kv值要擴(kuò)大。一般原則是通過*大流量時(shí)，線性調(diào)節(jié)閥的Kv值要擴(kuò)大1.24倍，對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)閥要擴(kuò)大2倍；通過工藝正常流量時(shí)線性調(diào)節(jié)閥應(yīng)擴(kuò)大1.9倍，對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)閥應(yīng)擴(kuò)大3.9倍。

3 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇

在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥的流量特性將直接影響自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量和穩(wěn)定，所以在使用時(shí)必須引起重視，應(yīng)合理選擇，正確使用。

3.1 調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比

可調(diào)比是指調(diào)節(jié)閥所能控制的*大流量與*小流量之比，用R表示。可調(diào)比的作用是在負(fù)荷變化較大的情況下，可根據(jù)可調(diào)比來復(fù)核調(diào)節(jié)閥能否滿足工藝流程的需要。

可調(diào)比的計(jì)算公式為

R=F_max/F_min        （10）

式中：

F_max——調(diào)節(jié)閥控制的*大流量；

F_min——調(diào)節(jié)閥控制的*小流量。

這里需要指出的是，F(xiàn)_min為調(diào)節(jié)閥可調(diào)量程的下限值，不是調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)的泄漏量，為*大流量的2%～4%；而閥的泄漏量為*大流量的0.1%～0.01%。

筆者期望的理想可調(diào)比是指調(diào)節(jié)閥上壓差恒定時(shí)的可調(diào)比，表征了調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力。從自動(dòng)控制的角度看，可調(diào)比應(yīng)越大越好，但由于受閥芯結(jié)構(gòu)的限制，可調(diào)比一般取30～40。

3.2 流量特性

流量特性是指當(dāng)調(diào)節(jié)閥前后壓差一定時(shí)，閥門的相對(duì)開度和相對(duì)流量之間的關(guān)系。

流量特性有直線特性、對(duì)數(shù)特性、快開特性等數(shù)種。快開特性的調(diào)節(jié)閥基本上是二位調(diào)節(jié)用，因此閥的流量特性選擇一般是指如何選擇直線特性和對(duì)數(shù)特性。

3.2.1 直線流量特性

直線流量特性是指調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)位移成直線關(guān)系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù)，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示：

    （11）

式中：Q——流量，m³/h；

Qmax——*大流量，m³/h；

R——可調(diào)比；

L——額定行程；

I——行程。

直線流量特性的特點(diǎn)是在閥的行程相同情況下，閥門在開度小時(shí)流量相對(duì)變化值大，靈敏度高，不易控制，甚至發(fā)生震蕩；而在大開度時(shí)，流量相對(duì)變化值小，調(diào)節(jié)緩慢，不夠及時(shí)。

3.2.2 對(duì)數(shù)流量特性

對(duì)數(shù)流量特性即閥門的相對(duì)行程的變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成正比關(guān)系。即流量變化的百分比是相等的，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示：

    （12）

對(duì)數(shù)流量特性的放大系數(shù)是隨行程增大而遞增的。閥門在小開度時(shí)，調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)小，調(diào)節(jié)平穩(wěn)緩慢；在大開度時(shí)，放大系數(shù)大，調(diào)節(jié)靈敏有效。因此，在同一位移時(shí)，直線閥通過的流量要比等百分比大，如圖2所示。

圖2 直線與對(duì)數(shù)（等百分比）特性比較

3.2.3 流量特性的選擇原則

流量特性的選擇應(yīng)考慮用閥的放大系數(shù)的變化來補(bǔ)償調(diào)節(jié)對(duì)象放大系數(shù)的變化，使系統(tǒng)的放大系數(shù)保持不變，從而得到較好的調(diào)節(jié)質(zhì)量，此外應(yīng)考慮到工藝配管與系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)情況。一般選擇方法為：

一般溫度、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要干擾為閥前壓力波動(dòng)的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)適用對(duì)數(shù)特性調(diào)節(jié)閥。

液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)及主要干擾為閥后壓力波動(dòng)的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)及泵的旁路調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)選用直線特性調(diào)節(jié)閥。

給定值變化為主要干擾，則特性選擇與上述相反，即a選擇直線特性調(diào)節(jié)閥；b選用對(duì)數(shù)特性調(diào)節(jié)閥。

若調(diào)節(jié)閥經(jīng)常工作狀態(tài)為小開度時(shí)，宜選用對(duì)數(shù)特性調(diào)節(jié)閥；若調(diào)節(jié)系統(tǒng)很穩(wěn)定，閥的工作區(qū)域較窄（即閥的位移變化很小），閥的特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量影響極微，可任意選用。

常用調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)及使用場合

常用的調(diào)節(jié)閥有不同的特點(diǎn)，使用場合也存在差異，見表2。

表2 常用調(diào)節(jié)閥特點(diǎn)及使用場合

結(jié)束語

根據(jù)不同的工藝要求，在選用調(diào)節(jié)閥時(shí)可以選配一些附件，如定位器、電磁閥、氣動(dòng)繼電器、轉(zhuǎn)換器、過濾減壓閥等。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，如何選擇適用的調(diào)節(jié)閥，對(duì)工藝指標(biāo)參數(shù)的調(diào)節(jié)控制起著至關(guān)重要的作用，能夠優(yōu)化生產(chǎn)工藝，從而大大提高生產(chǎn)效率。