調(diào)節(jié)閥流量特性控制分析

    眾所周知，調(diào)節(jié)閥是自動控制中直接與流體相接觸的執(zhí)行器。對熱工對象來說，其控制流體（往往是水）的流量和壓力，關(guān)系著生產(chǎn)過程、空氣調(diào)節(jié)等自動化的技術(shù)目標(biāo)的實現(xiàn)。正確選取調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形式、流量特性和產(chǎn)品規(guī)格，對于自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟合理性有十分重要的作用。

    常用的調(diào)節(jié)閥有座式和蝶閥兩類。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式越來越多，調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型式的選擇主要是根據(jù)工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量）、介質(zhì)性質(zhì)（粘度、腐蝕性、毒性、雜質(zhì)狀況）以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求（可調(diào)節(jié)比、噪音、泄漏量）綜合考慮來確定。一般情況下，應(yīng)首選普通單、雙座閥和套筒閥。因為此類調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡單，閥芯形狀易于加工，比較經(jīng)濟；或根據(jù)具體的特殊要求選擇相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)閥。結(jié)構(gòu)型式確定以后，調(diào)節(jié)閥的具體規(guī)格關(guān)系到閥的流量特性是否與系統(tǒng)特性相匹配，關(guān)系到系統(tǒng)是否穩(wěn)定性高、經(jīng)濟性好。調(diào)節(jié)閥的流量特性，是指流體流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與調(diào)節(jié)閥的相對開度之間的關(guān)系。易推知，相對流量與相對開度成正相關(guān)，即閥門通道越小，相對開度越小，相對流量越小；閥門通道越大，相對開度越大，相對流量越大。閥門通道為零時，這時流量為零，即閥門關(guān)閉。由流體力學(xué)可知，通過閥門的流量與閥門前后的壓差成正相關(guān)的關(guān)系，即：

    式中：Q指通過閥門的流量；ΔP是指閥門前后形成的壓差；K是指系數(shù)。

    壓差往往是由閥門開度（閥芯的位移L）所形成的流體通道決定，開度越小，相對開度越小，閥門前后壓差越大；開度越大，相對開度越大，閥門前后的壓差越小?？梢哉f，通過調(diào)節(jié)閥的流量大小不僅與閥的開度有關(guān)，而且和閥前后的壓差有關(guān)。工作中的調(diào)節(jié)閥，當(dāng)閥的開度改變時，不僅流量發(fā)生了變化，閥前后壓差也發(fā)生了變化。為了便于討論，先假定閥前后壓差一定，即先討論理想流量特性，然后再考慮調(diào)節(jié)閥在管路中的實際情況，即討論工作流量特性。

    2 理想流量特性

    理想流量特性是在閥前后壓差固定的情況下得到的流量特性，它決定于閥芯的形狀，因此也稱之為結(jié)構(gòu)特性。在理想情況下，流量僅隨閥門開度變化而變化，從控制的角度看，觀察調(diào)節(jié)閥的控制指標(biāo)，研究流量特性，是一種常用的方法。在常用的調(diào)節(jié)閥中，有四種典型的理想流量特性，如圖1^[1]所示。

    2.1 直線特性

    調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系，如圖1中（1）曲線所示。曲線斜率不變，即它的放大系數(shù)不變。以相對行程等于10%、50%、80%三點為例，當(dāng)行程變化10%時，所引起相對流量變化10%，而它的相對變化值（即靈敏度）分別為100%、20%、12.5%。

    可以推知，在變化相同行程情況下，閥門相對開度較小時，相對流量變化值大，靈敏度高；相對開度較大時，相對流量變化值小，靈敏度低。這往往使直線特性閥門控制性能變壞：在小開度時，放大系數(shù)相對來說很大，調(diào)節(jié)過程往往產(chǎn)生振蕩；在大開度時，放大系數(shù)相對來說不大，靈敏度低，容易使閥門動作遲緩，調(diào)節(jié)時間延長。

    2.2 對數(shù)特性

    其單位相對行程的變化引起的相對流量的變化與此點相對流量成正比例，如圖1中（2）曲線所示。以同樣的行程L等于10%、50%、80%三點為例，當(dāng)行程變化10%時，流量變化值分別為1.9%、7.4%、20.5%，可以說其放大系數(shù)隨閥門的開大而增大。因此，這種閥門在小開度時，放大系數(shù)小，工作得緩和平穩(wěn)；在大開度時，放大系數(shù)大，工作得靈敏有效。同樣，各點靈敏度為40%處處相等（也可稱等百分比特性），便于控制。

    2.3 快開特性和拋物線特性

    快開特性如圖1中（3）曲線所示，在閥門開度小時，流量變化較大，隨著開度增大，流量很快達(dá)到最大值，放大系數(shù)大，靈敏度高。在閥門開度大時，流量變化不大，放大系數(shù)較小，靈敏度也較低。在壓力不太大、調(diào)節(jié)要求不高的場合應(yīng)用，開則快，關(guān)則慢，不易引起管網(wǎng)大的壓力波動。拋物線特性如圖1中（4）曲線所示。這種閥的單位相對行程的變化所引起的相對流量與此點的相對流量值的平方根成正比關(guān)系。它介于曲線（1）（2）之間，其特性接近對數(shù)閥特性，但由于其閥芯加工復(fù)雜，較少采用。

    3 工作流量特性

    調(diào)節(jié)閥處于工藝管路系統(tǒng)中工作時，管路系統(tǒng)的阻力變化或旁路閥的開啟程度的閥前后壓差變化，使得在同樣的閥門開度時，不再像理想流量特性那樣流量保持不變，對應(yīng)的流量將有所變化。我們把調(diào)節(jié)閥前后壓差變化的流量特性稱為工作特性。

    3.1 串聯(lián)管路時的工作流量特性

    在工程中，調(diào)節(jié)閥是裝在具有阻力的管道系統(tǒng)上，見圖2。當(dāng)該系統(tǒng)兩端總壓差一定時，調(diào)節(jié)閥上的壓差就會隨著流量的增加而減少^[2]。隨著閥門開大，閥前后壓差減少，因此，在閥相對開度相同的情況下，此時的流量比理想流量特性下要小一些。在閥門開度較大時，調(diào)節(jié)閥前后的壓差減小，流量較大。

    圖2中ΔP為管路系統(tǒng)的總壓差，ΔP₁為調(diào)節(jié)閥的壓差，ΔP₂為串聯(lián)管道及設(shè)備上的壓差。令S=（ΔP_1m /（ΔP），式中S為閥門的權(quán)度系數(shù)，ΔP_1m為閥全開時的調(diào)節(jié)閥兩端壓差。當(dāng)閥門不變，而改不同的管道阻力時，其S值是不同的。隨著管道阻力的增大，S值遞減。在不同的S值下，對于理想特性為直線和等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，工作特性如圖3^[3]所示。

    由圖3可知，當(dāng)S=1時，即系統(tǒng)總壓力都作用在調(diào)節(jié)閥上，并保持恒定，則為理想特性。隨著S值減少，調(diào)節(jié)閥全開的流量遞減，但在某一相對開度下的相對流量q卻隨S值的減少而增大（q=Q/Q₁₀₀，Q₁₀₀表示管道有阻力時，調(diào)節(jié)閥全開時的流量）。因此，相對理想流量特性而言，工作特性發(fā)生了畸變，成為一組向上拱起的曲線簇。這樣，在小開度時，放大系數(shù)更大，靈敏度更高；在大開度時，放大系數(shù)更小，靈敏度更低。同時，我們?nèi)舭严鄬﹂_度為零時的流量稱為最小流量，且此最小流量與最大流量Q₁₀₀之比的倒數(shù)稱之為可調(diào)比，則隨著S值的減少，由于串聯(lián)管道阻力的影響，閥的可調(diào)比變小?？梢酝浦烧{(diào)比R與閥門權(quán)度的大關(guān)系為：

    式中R為理想流量特性時的可調(diào)比，叫做理想可調(diào)比；R_s為工作流量特性時的可調(diào)比，叫做實際可調(diào)比。

    可調(diào)比越小，則調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力越低；可調(diào)比越大，則調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力越強。但實際可調(diào)比相對于理想可調(diào)比來說，不能太大，因為要考慮系統(tǒng)的能耗，一般情況下，S采用0.3~0.5之間^[4]，把實際可調(diào)比控制在理想可調(diào)比的0.55~0.70之間。