調節閥的系統參數及其流量特性探析

羅 偉

（神華寧夏煤業集團煤炭化學工業分公司研發中心 寧夏 靈武 750411）

0 引言

調節閥與工業生產過程控制的發展同步進行，為提高控制系統的控制品質，對組成控制系統各組成環節提出了更高要求。例如，對檢測元件和變送器要求有更高的檢測和變送精確度，要有更快的響應和更高的數據穩定性；對調節閥等執行器要求有更小的死區和摩擦，有更好的復現性和更短的響應時間，并能夠提供補償對象非線性的流量特性等。同時，由于工業生產過程的大型化和精細化，對調節閥等也提出了更高要求。

1 調節閥的系統參數

1.1 調節閥的流量系數

流量系數表示流體流經閥門產生單位壓力損失時流體的流量，是衡量閥門流通能力的指標。 由于單位的不同，流量系數有不同的代號和量值。

采用國際單位制時，流量系數用Kv表示。 流量系數Kv的定義為:

調節閥兩端壓差為0.1MPa 時，溫度為278K-313K（5℃-40℃）的水每小時流經調節閥的立方米數，以m3/h 表示。流量系數隨閥門尺寸、形式及結構而變化，該系數值越大說明流體流過閥門時的壓力損失越小。

調節閥的流量系數Kv值，是調節閥的重要參數，它反映調節閥通過流體的能力， 也就是調節閥的容量。 根據調節閥流量系數Kv的計算，就可以確定選擇調節閥的口徑。

1.2 阻力系數

流體通過彎管和截面突變的地方時，會有擾動、攪拌，形成氣穴、漩渦和尾流，或使流體質點相互撞擊，產生較大的能量損耗。 可以認為，調節閥體腔內的每個元件都可以看作為一個產生阻力的元件系統（流體轉彎、擴大、縮小、再轉彎等），調節閥內的阻力損失等于調節閥各個元件阻力損失的總和。調節閥的阻力系數就是表征調節閥對流體產生的阻力損失大小的量，該系數取決于閥門產品的尺寸、結構以及內腔形狀等。 流體通過閥門時，其流體阻力損失通常以閥門前后的流體壓力降△p 表示，即△p＝ξρv2/2。

1.3 壓力恢復系數

圖1 流體通過調節閥時壓力和流速的變化

在建立流量的計算公式時，為了簡化計算，將調節閥模擬為節流孔板來推導公式，沒有考慮閥門結構對流量的影響，認為當流體流過調節閥時壓力由閥前壓力p1直接變化到閥后壓力p2， 而實際上當流體流過時的壓力變化如圖1 所示。 由圖1 可知在閥芯、閥座處由于節流作用而在附近的下游處產生一個縮流，其流體的流速最大，但靜壓最小。 在遠離縮流處，隨著閥內的流通面積的增大，流體的流速減小，由于相互摩擦，部分能量轉變成內能，大部分靜壓被恢復，形成了閥門壓差如。換言之，流體在節流處的壓力急劇下降，并在其后的節流通道中逐漸恢復，但己經不能恢復到原來的p1值。 這便是壓力恢復現象。

壓力恢復系數FL表示調節閥內部流體流經縮流處后， 動能轉換為靜壓的恢復能力。 FL值是閥體內部幾何形狀的函數，各種閥門因結構不同， 其壓力恢復能力和壓力恢復系數也不相同。 一般，FL=0.5-0.98。 壓力恢復系數FL越小，表示該調節閥流路設計好，流動阻力小，其壓力恢復能力也越好，即經縮流后，靜壓能夠恢復到接近進口壓力，這類閥門被稱為高壓力恢復閥，如球閥、蝶閥等。 壓力恢復系數FL調節閥越大，表示該閥門流路復雜、流阻大、摩擦損失大、進口壓力經調節閥后的降低大，因此，壓力恢復能力差，被稱為低壓力恢復閥，如單座閥、雙座閥等。

2 閃蒸、空化及其影響

在調節閥內流動的液體，常常出現閃蒸和空化兩種現象。 如圖1所示，當壓力為P1的液體流經調節閥節流處時，流速突然急劇增加，而靜壓力驟然下降， 當閥后壓力P2達到或者低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓時，部分液體就汽化成氣體，形成氣液兩相共存的現象，這種現象稱為閃蒸。 閃蒸造成氣液兩相流，氣體與液體同時流過閥芯和下游管道，造成沖刷，其特點是閥芯呈現平滑拋光的外形。可見產生閃蒸時，對閥芯、閥座材料己開始有侵蝕破壞作用；并且閃蒸也影響液體流量計算公式的正確性，使計算復雜化。

如果產生閃蒸之后，P2不是保持在飽和蒸汽壓以下， 而是在離開節流處之后又驟然上升，這時氣泡產生破裂并轉化為液態，這個過程即為空化作用。 由此可見，空化作用是一種兩階段現象，第一個階段，是液體內部形成空腔或氣泡，即閃蒸階段；第二個階段，是這些氣泡的破裂，即空化階段。空化作用會使調節閥產生阻塞流和汽蝕。許多氣泡集中在閥的節流孔后，阻礙流體的流動，自然影響了流量的增加，產生了阻塞情況。

3 調節閥的流量特性

3.1 理想可調比

調節閥前后壓差保持不變時的可調比，稱為理想可調比，其計算公式為R=Qmax/Qmin=Kvmax/Kvmin。可以看出，理想可調比等于Kvmax（最大流量系數）與Kvmin（最小流量系數）之比。 它反映了調節閥調節能力的大小。如果單從自控角度考慮，希望可調比越大越好，但由于受到調節閥閥瓣結構設計和加工工藝的限制，Kvmin不能太小，一般國內設計取R=30 或R=50。

3.2 流量特性

調節閥的流量特性是指介質流過閥門的相對流量與相對位移（閥門的相對開度）之間的關系。 用數學的表達數表示Q/Qmin=f（l/L），式中Q/Qmax為相對流量，即調節閥在某一開度時流量Q 與全開流量Qmax之比； l/L 為相對位移，即調節閥在某一開度時閥芯位移l 與全開位移L 之比。

通常來說，改變調節閥的閥芯與閥座之間的流通截面積，便可控制流量。但在實際工況中，由于多種因素的影響，通過閥門的流量可能隨壓降而變化。為了便于分析，設定閥門的壓降不變，然后再引申到真實情況進行分析，前者稱為閥門固有流量特性，后者稱為閥門工作流量特性。

3.2.1 固有流量特性

閥門的固有流量特性指的是在閥前、閥后壓差保持不變時，介質流過閥門的相對流量與相對位移（閥門的相對開度）之間的關系。閥門的固有流量特性不同于結構特性（閥的結構特性是指閥芯位移與流體通過的截面積之間的關系，不考慮壓差的影響，純粹由閥芯大小和幾何形狀決定）。

3.2.2 工作流量特性

在實際生產過程中，閥門的壓差總是變化的，這時流量特性稱為工作流量特性。因為調節閥往往和工藝設備、管道等串聯或并聯適用，流量因阻力損失的變化而變化，在實際工作中因閥門前后壓差的變化而使理想流量特性畸變成工作特性。

3.2.3 流量特性的選擇準則

生產過程中常用的調節閥的理想流量特性有直線、等百分比和快開三種。 拋物線流量特性介于直線與百分比之間，一般可用等百分比來代替，而快開特性主要用于二位調節及程序控制中。因此，調節閥的特性選擇實際上是指如何選擇直線和等百分比流量特性。

調節閥流量特性的選擇可以通過理論計算，但使用的方法和方程都很復雜，而且由于干擾的不同，高階響應方程計算就更加繁雜。 因此，目前對調節閥流量特性的選擇多采用經驗準則。 可從如下幾個方面來考慮：

（1）從調節系統的調節質量分析并選擇；

（2）從工藝配管情況考慮并選擇；

（3）從負荷變化情況分析和選擇。

4 結束語

調節閥作為一種常用閥門，在各行各業有著廣泛的應用，其性能的提高對流程工藝效益的提高以及能源消耗的降低有著不可忽視的作用。 因此，研究調節閥的流量特性具有重要的工業應用價值。

［1］吳國熙.調節閥使用與維修[M].北京:化學工業出版社，1999.

［2］楊世忠，邢麗娟. 調節閥流量特性分析及應用選擇[J].閥門，2006（05）.