控制閥流量特性改進及選用

苗同立，王超

(無錫市亞迪流體控制技術有限公司，江蘇 無錫 214161)

流量特性是控制閥非常重要的性能指標，每臺控制閥的流量曲線選擇不合適，輕則增加成本，影響閥門的實際開度，重則導致閥門出現喘振，使壽命降低等。大部分生產廠家提供的控制閥標準流量曲線基本上都存在缺陷，導致某些工況下，控制閥無法滿足介質的實際調節要求。

更改流量曲線的方式很多，筆者在控制閥流量特性改進應用中，根據介質的實際需求，選擇不同的流量特性曲線與之相匹配，使控制閥起到了穩定調節，滿足現場實際使用的目的。

1 標準流量曲線介紹及分析

根據GB/T 17213.10—2005《工業過程控制閥第2—4部分： 流通能力固有流量特性和可調比》的規定，一般控制閥采用的標準流量曲線為線性和等百分比2種，因此根據標準流量曲線公式，控制閥相對流量與相對行程之間的關系可用線性流量曲線(式(1))和等百分比流量曲線(式(2))表達。

(1)

φ=R(h-1)

(2)

式中：φ—相對流量系數；R—固有可調比，指最大流量系數與最小流量系數之比；h—相對行程。

1.1 固有可調比

R是控制閥曲線設計的基礎，以球形閥單座閥為例，一般R最大可以設計到50。由式(1)和式(2)可以看出，R為閥門全開時的相對流量系數φ1與閥門關閉時的相對流量系數φ0的比值，當h=0時，φ0=1/R；當h=100%時，φ1=1；則R=φ1/φ0。

1.2 實際閥門可調比

根據1.1節的介紹，可以得知R僅是理論上的最大可調比，且流量曲線是在壓差恒定狀態下設計的，因此與應用工況下的實際閥門可調比Ra有所不同。由于控制閥存在調節死區，考慮到相對行程不合適，則會導致控制閥壽命變短，因此在SH/T 3005—2016 《石油化工自動化儀表選型設計規范》10.1.4.3中指出，對于直行程閥而言，線性流量曲線的h推薦值為15%～80%、等百分比流量曲線的h推薦值為30%～90%，且h最小值不得低于10%。因此，正是由于h值的范圍限制，使得閥門的Ra遠小于R。

1.3 標準流量曲線分析

根據式(1)和式(2)，φ與h之間的關系如圖1所示；針對不同的流量曲線，φ與h的對應關系見表1所列；標準等百分比和線性流量曲線的特性見表2所列；標準等百分比和線性流量曲線的優缺點見表3所列。

圖1 不同流量曲線中φ與h之間的關系示意

表1 不同流量曲線中φ與h的對應關系(R=50) %

表2 標準等百分比和線性流量曲線的特性

表3 標準等百分比和線性流量曲線的優缺點

根據以上分析可以看出,標準等百分比和線性流量曲線的特性是不一樣的：

1)在調節性能方面，2種曲線各有利弊。

2)在可調比方面，2種曲線的可調比與流量有關：

a)小流量情況下，等百分比曲線可大幅提高小流量下的實際開度，增加小流量下閥門的動作穩定性；而線性曲線可調比小，且小流量下的開度較小，不適合寬范圍的調節以及小流量的調節。

b)大流量情況下，等百分比曲線調節性能較差，因為曲線的斜率是逐步增大的，因此單位行程變化引起的流量變化太大，不容易實現精確調節；而線性曲線在大流量時的調節性能卻很好，基本上和開度成正比關系。

從表2數據可以看出，在最大開度限制的情況下，同樣的工況條件，等百分比曲線需要更大的額定流量系數值；而線性曲線，則需要的額定流量系數值較小。因此，設計等百分比曲線往往需要更大的行程或更大的閥芯尺寸，閥芯尺寸增大或行程增大，則會增加閥體成本或執行機構的成本。

2 改進后流量曲線特征及說明

綜上所述，標準流量曲線雖然可以直接用于設計閥芯曲線和窗口尺寸，但是由于各種曲線均存在自身的優缺點，因此除了這兩種最常用的曲線之外，最好能設計出一種結合兩種曲線優點的特殊曲線，以滿足盡可能大的寬范圍調節，且同時可以降低設計制造成本，改良流量曲線φ與h之間的關系如圖2所示，改進后的流量曲線公式如式(3)和式(4)所示，改良曲線1和改良曲線2中φ與h的關系見表4所列，各種曲線的特性對比見表5所列。

圖2 改良流量曲線中φ與h之間的關系示意

(3)

(4)

表4 改良曲線1和改良曲線2中φ與h的關系(R=50) %

表5 各種曲線特性對比

從以上可以看出，改良曲線既利用了等百分比曲線在小開度下調節性能好的特點，又利用了線性曲線大開度下調節性能好的優點，因此改良曲線使得整體調節性能均得到了提高，可調比較大，滿足了大部分工況下的調節要求；同時，由于需要的額定流量系數值接近線性曲線，同樣介質參數下，所需要的額定流量系數值較小，因此降低了閥芯尺寸及控制閥所需推力，從而在整體上降低了控制閥的成本。

3 大可調比流量曲線的設計特征

從以上對標準曲線以及改良曲線的分析可以看出，改良后的流量曲線提高了控制閥的流通能力和可調比，擴大了普通控制閥的使用范圍，滿足了大部分的實際應用場合，提高了小流量的開度和大流量下的調節穩定性，并且減少了對控制閥額定流量系數值的要求，大幅提高了控制閥的使用性能，降低了控制閥成本且延長了控制閥的使用壽命和動作可靠性。

但是，從表5也可以看出，如果控制閥的h在10%～90%，最大實際可調比僅能達到28.6。如果Ra大于該值時，控制閥將很難實現調節，此時若降低開度限制要求，如最小相對行程達5%，最大相對行程達95%，但在該開度范圍內長期工作，對于控制閥是非常危險的，而且容易產生介質的亂流振動和沖刷嚴重問題。如果一味提高控制閥的實際行程，以提高小開度下的行程，則也會大幅增加控制閥的成本。因此研究Ra>30以上的控制閥至關重要。

對于Ra很大的場合，一般被稱為大可調比調節場合，很多設計院和閥門廠家都會選擇2臺控制閥進行分程控制，小流量時采用小控制閥，大流量采用大控制閥，該方案一方面會帶來投資成本的增加，另一方面2臺控制閥共同調節時，大小控制閥的切換也是很大的問題。由于生產廠家很難做到大小控制閥流量曲線的無縫對接，實際調節時可能會出現小閥芯全開時，大閥芯開啟瞬間會產生較大的流量的問題，因此很難精確調節拐點處的流量。

因此，無錫市亞迪流體控制技術有限公司設計了1臺內部具有1個小閥芯和1個大閥芯的控制閥，雖然雙閥芯結構與分程控制的原理相同，但是由于在1臺控制閥內部實現，大、小閥芯的流量匹配性高，流量可以做到無縫對接，大幅提高了Ra的范圍，最大可以達到150，實現了精細調節。

大可調比的流量精確調節結構曲線如圖3所示，φ90%/φ10%下的可調比達到250，φ80%/φ20%下的可調比可達70。

圖3 大可調比結構的φ與h之間的關系示意

4 結束語

通過分析各種標準流量曲線以及改進后的流量曲線，尤其是改進后的流量曲線可以大幅擴大控制閥的使用范圍，實際選型時，應根據實際工況條件選擇不同的流量曲線，比如鍋爐啟動汽包液位控制閥，小流量時壓差很高，大流量時壓差又很小，因此要求閥門設計時需要很大的可調比，此時標準的流量曲線就無法滿足實際要求，應選擇改良曲線或大可調比結構的曲線。如果實際工況中流量調節變化不大，且壓差恒定，此時選擇標準曲線就可以滿足要求。

該公司研制的改良流量曲線以及大可調比結構曲線，已經被廣泛應用到實際使用中，取得了很好的使用效果，大幅降低了用戶的投資成本，同時也獲得了國家發明專利，并獲得國家創新基金的支持。