化工調節閥流量特性

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之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現在介紹化工調節閥流量特性在生產過程自動化中，用來控制流體流量的調節閥已遍及各個行業。在化工行業的過程控制系統中，作為zui終控制過程介質各項質量及安全生產指標的調節閥，在穩定生產、優化控制、維護及檢修成本控制等方面都起著*的作用。本文重點講解下調節閥的流量特性選擇以及流向選擇方面的知識，幫助儀表人遠離選擇陷阱。

化工調節閥流量特性調節閥是通過改變節流方式來控制流量的，它既是一種有效的調節手段，同時又是一個會產生節流能耗的部件。隨著裝置高負荷運行，調節閥的腐蝕、沖刷、磨損、振動、內漏等問題不斷發生，從而導致調節閥的使用壽命縮短、工作可靠性下降、進而引起工藝系統和裝置的生產效率大幅度下降，嚴重時可以導致全線停車。這在視質量和效益為生命的企業管理中尤為重要和緊迫。因此，如何選擇和安裝好調節閥，使調節閥在一個高性能狀態下運行將是一個很關鍵的問題。

流量特性是調節閥的一種重要技術指標和參數。在調節閥應用過程中做出正確的選型具有非常重要的意義。調節閥被廣泛的應用于電站行業，尤其是在鍋爐系統中更為常見，例如：鍋爐主給水系統、旁路系統、減溫水系統等。并且調節閥性能的好壞直接影響著整個系統的運轉，因此，合理的設計及選取調節閥對于整個系統的安全性、穩定性、經濟性和可靠性有著十分重要的作用。隨著電站行業的迅速發展，對調節閥的要求也越來越高，調節閥往往要在一個較大的流量范圍內高度地調節或控制流體的流動，并且能根據閥桿的規定運動方式預計流量。因此，流量調節、調節范圍及調節特性是設計及選取調節閥時所必須考慮的因素。
      調節閥是自動調節系統中的一個重要組成部分。在自動調節過程中，許多連續生產過程的調節工作，zui后都要歸結在通過調節閥上的流量調節，也就是說，調節閥是執行調節指令zui后完成調節任務的一道總機關。因此，調節閥工作的好壞，直接關系著整個調節系統工作的成敗。今天我們先來了解調節閥的流量特性。

    調節閥的流量特性主要是指閥芯的位移行程變化所引起的被控制流量（被調節閥調節的介質流量）變化的關系。為了說明調節閥的流量特性，首先必須弄清楚下列三個特性的含義：
     1、理想（流量）特性：在閥上壓力降不變的條件下（即理想條件下）閥芯行程與流過通道口的控制劑流量的關系。理想特性是指閥在試驗中規定為1kgf/m²的閥上壓力降用特殊裝置測得的，其目的是在比較各種不同閥芯結構的閥。調節閥的理想特性取決于閥芯形狀，不同的閥芯曲面可得到不同的理想特性，它是調節閥本身所固有的一種特性。但是應當注意，理想特性與該閥自身的結構特性一般是不一樣的，例如直線結構特性的閥，其理想特性則是快開特性的，拋物線結構特性的閥，其理想特性則是直線特性的，等百分比結構特性的閥，其理想特性則近似拋物線的。調節閥的理想特性，典型的有直線特性、等百分比（對數）特性、快開特性和拋物線特性四種。
     2、結構特性或面積特性：閥芯行程與其對應的通道口的截面積的關系。對已定的閥芯其結構特性只決定于閥芯的幾何形狀及尺寸大??；一定的結構特性，又對應著一定的理想（流量）特性，因此，它是調節閥流量特性的基礎。
     3、工作（流量）特性：在實際使用條件下（即閥上壓力降變化的條件下），閥芯行程與流過通道口的控制劑流量的關系。工作特性不僅和理想特性有關，而且和實際使用的外部條件-管道系統的阻力、閥芯位移時間上壓力降變化諸因素有關。在這些因素的影響下，就使理想特性產生畸變而成工作特性。因此同一個調節閥在不同的使用條件下，具有不同的工作特性。這是我們在實際使用中zui關心的一個問題。1 流量調節
    流量即單位時間內通過閥門的流體質量或體積；調節的流量即按照某一規定的規律隨時間變化的流量，即使進口端有適當的壓力變化，也可以要求流量在有限的范圍內變化。例如：在鍋爐主給水及旁路系統調節閥來實現鍋爐的給水量，在鍋爐噴水減溫器的噴水管道上調節噴水量以達到調節鍋爐介質溫度的目的。
   

固有特性（流量特性）：在經過閥門的壓力降恒定時，隨著截流元件(閥板)從關閉位置運動到額定行程的過 程中流量系數與截流元件(閥板)行程之間的關系。典型地，這些特性可以繪制在曲線圖上，其水平軸用百分比行程表示，而垂直軸用百分比流量(或Cv 值)表示。由于閥門流量是閥門行程和通過閥門的壓力降的函數，在恒定的壓力降下進行流量特性測試提供了一種比較閥門特性類型的系統方法。用這種方法測得的典型的閥門特性有線性、等百分比和快開。
等百分比特性：一種固有流量特性，額定行程的等量增加會理想地產生流量系數(Cv)的等百分比的改變(圖2)。
線性特性： 一種固有流量特性，可以用一條直線在流量系數(Cv 值)相對于額定行程的長方形圖上表示出來。因此，行程的等量增加提供流量系數(Cv)的等量增加。
快開特性：一種固有流量特性：在截流元件很小的行程下可以獲得很大的流量系數(圖2)。
額定流量下的壓力降：也是表示氣動元件的流量特性之一。
氣動元件常常在額定流量下工作，故測定額定流量下氣動元件上下游的壓力降，作為該元件的流量特性指標。顯然，此指標也只反映不可壓縮流態下的瀏覽特性。

選擇調節閥時，首先要收集完整的工藝流體的物理特性參數與調節閥的工作條件，主要有流體的成份、溫度、密度、粘度、正常流量、zui大流量、zui小流量、zui大流量與zui小流量下的進出口壓力、zui大切斷壓差等。在對調節閥具體選型確定前，還必須充分掌握和確定調節閥本身的結構、形式、材料等方面的特點，而技術方面需要重點考慮流量特性、壓降、閃蒸、氣蝕、噪聲等問題。

調節閥選擇陷阱一：流量特性選擇
調節閥的流量特性是指介質流過閥的相對流量與相對位移間的關系。選擇的總體原則是調節閥的流量特性應與調節對象特性及調節器特性相反，這樣可使調節系統的綜合特性接近于線性。選擇通常在工藝系統要求下進行，但是還要考慮很多實際情況，現分別加以說明。

1直線性流量調節閥直線性流量特性是指調節閥的相對流量與相對位移成直線關系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數。選用直線性流量特性閥的場合一般為：①差壓變化小，幾乎恒定；②工藝系統主要參數的變化呈線性；③系統壓力損失大部分分配在調節閥上（改變開度，閥上差壓變化相對較?。?；④外部干擾小，給定值變化小，可調范圍要求小的場合。

2等百分比特性調節閥
等百分比流量特性也稱對數流量特性。它是指單位相對位移變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系。即調節閥的放大系數是變化的，它隨相對流量的增大而增大。優先選用等百分比特性閥的場合為：①實際可調范圍大；②開度變化，閥上差壓變化相對較大；③管道系統壓力損失大；④工藝系統負荷大幅度波動；⑤調節閥經常在小開度下運行。

除了以上兩種常用的流量特性之外，還有拋物線特性和快開特性等其他流量特性的調節閥。在密封結構上，若流量特性精度要求高，則可選用高精度流量特性的金屬密封型，而軟密封型精度較低。

3調節閥壓降的系統考慮調節閥作為過程控制系統中的終端部件，是zui常用的一種執行器。按過程控制系統的要求，調節閥應具有在低能量消耗的狀態下工作，且能充分與系統匹配的工作特性。但是在調節閥的使用中這兩個要求是不能同時滿足的，甚至是互相矛盾的。在要得到同樣的流量的情況下，選擇一只較小口徑的調節閥，雖然其他阻力不變而總的阻力必然比較大，形成大的系統總壓降。假若物流的推動力是由泵產生，就意味著必須選功率大一些的泵和電機，這樣必然帶來大的能耗。

當管道系統中介質的流速增加時，流體通過管道上的各種安裝部件時產生的流體壓降也會發生一系列的動態變化，作為管道流體控制主要部件的調節閥所引起的流體壓降是一個很重要而又容易被忽略的因素，我們在分析與調節閥有關的系統問題時，不僅要考慮到調節閥本身的問題，而且也要考慮到調節閥的壓降對系統動態平衡的影響。

4 調節閥的閃蒸和氣蝕
在調節閥內流動的液體常常出現閃蒸和氣蝕兩種現象。它們的發生不但影響口徑的選擇和計算，而且將導致嚴重的噪聲、振動、材質的破壞等。在這種情況下，調節閥的工作壽命會大大縮短，對此在選型使用中要尤其重視。

正常情況下，作為液體狀態的介質，流入、流經、流出調節閥時均保持液態。閃蒸作為液體狀態的介質，流入調節閥時是液態，在流經調節閥中的縮流處時，流體的壓力低于氣化壓力，液態介質變成氣態介質，并且它的壓力不會再回復到氣化壓力之上，流出調節閥時介質一直保持氣態。

閃蒸就象一種噴沙現象，它作用在閥體和管線的下游部分，給調節閥和管道的內表面造成嚴重的沖蝕，同時也降低了調節閥的流通能力。氣蝕作為液體狀態的介質，流入調節閥時是液態，在流經調節閥中的縮流處時流體的壓力低于氣化壓力，液態介質變成氣態介質，隨后它的壓力又回復到氣化壓力之上，zui后在流出調節閥前介質又變成液態?？梢愿鶕恍┈F象來初步判斷氣蝕的存在，當氣蝕開始時它會發出一種嘶嘶聲，當氣蝕發展到*穩定時，調節閥中會發出嘎嘎的聲音，就像有碎石在流過調節閥時發出的聲響。氣蝕對調節閥及內件的損害也是很大的，同時它也降低了調節閥的流通效能，就像閃蒸一樣。因此，我們必須采取有效的措施來防止或者zui大限度地減小閃蒸或氣蝕的發生：
（1）盡量將調節閥安裝在系統的zui低位置處，這樣可以相對提高調節閥入口和出口的壓力；
（2）在調節閥的上游或下游安裝一個截止閥或者節流孔板，以改變調節閥原有的安裝壓降特性（這種方法一般對于小流量情況比較有效）；
（3）選用專門的反氣蝕內件也可以有效地防止閃蒸或氣蝕，它可以改變流體在調節閥內的流速變化，從而增加了內部壓力；
（4）盡量選用材質較硬的調節閥。因為在發生氣蝕時，對于這樣的調節閥，它有一定的抗沖蝕性和耐磨性，可以在一定的條件下讓氣蝕存在，并且不會損壞調節閥的內件。相反，對于軟性材質的調節閥，由于它的抗沖蝕性和耐磨性較差，當發生氣蝕時，調節閥的內部構件很快就會被磨損，因而無法在有氣蝕的情況下正常工作。

總之，目前還沒有什么工程材料能夠適應嚴重條件下的氣蝕情況，只能針對客觀情況來綜合分析，選擇一種相對比較合理的解決辦法。

 為了在適當的范圍內調節流量，①在設計或選型調節閥時，流量系數應該留有一定的裕量，以便在流量發生波動或比預期的流量大時，流量仍有可調性。一般具有直線調節特性的閥門推薦取計算流量系數的1.15～1.66倍，具有等百分比調節特性的閥門推薦取計算流量系數的1.22～2倍。②考慮調節閥必需的或規定的壓降值，系統壓降的分配需要根據具體情況而定。③選定閥門閥瓣的調節特性以滿足工況的需要。zui后應該考慮流量范圍，閥門必須在整個流量范圍內保持有效調節。

    2 調節范圍
    調節范圍是用來描述閥門在整個流量范圍保持必要調節的能力的一個參數，調節范圍的大小也可用可調比來表示，調節閥的可調比就是調節閥所能控制的流量與zui小流量之比。若以R來表示，則R=Qmax/Qmin，zui小流量Qmin是指可調流量的下限值，它與泄漏量是不同的。
    閥門的可調比取決于閥門類別、閥門增益和閥門調節元件的特性。例如：單座閥、雙座閥、蝶閥、或球閥，zui小可調流量系數被認為是，在此系數下，閥門的增益顯著地大于由閥瓣特性決定的值。因此，調節范圍取決于閥門的增益（增益即為流量的變化除以閥瓣升程的變化）。一般認為具有良好調節作用的閥門可調比應該大于50，但由于閥瓣結構設計及加工方面的限制，zui小可調流量Qmin不能太小，因此，理想可調比一般均小于50。目前我國統一設計是時取R=30。
    選擇合適的調節閥，以便產生需要的調節范圍。首先，計算出工況所需要的調節范圍。其次，選取需要的閥門，查看閥瓣升程90%的流量系數與閥瓣升程10%的流量系數之比，是否等于或大于需要的調節范圍，如果小于所需要的調節范圍可重新選擇另外的閥門，需要的話也可選擇兩臺閥門并聯。
    但是，在多數生產過程中，調節閥不是與管路串聯就是與旁路閥并聯，隨管路系統的阻力變化或旁路閥開啟程度的不同，調節閥的可調比也產生相應的變化，這時的可調比就成為實際可調比R’。

圖1 調節閥與管道串聯

圖2 調節閥與管道并聯
    當調節閥與管道串聯時如圖1，由于流量的增加，管道的阻力損失也增加。若系統的總壓差△PS不變，則分配到調節閥的壓差△P就相應的減小，這就使調節閥所能通過的流量減小，這時實際可調比，s=△P/△Ps。由此式可以看出，串聯管道時調節閥實際可調比會降低。當調節閥與管道并聯時如圖2，實際可調比R’=Qmax/Q2，可以看出并聯實際可調比與調節閥固有的可調比無關，調節閥的zui小流量一般比旁路流量小得多，故其可調比實際是總管流量與旁路流量的比值。由此得出，串聯或并聯管道都使實際可調比下降，所以在選擇調節閥和組成系統時不應使S值太小，并且盡量避免打開并聯管路的旁路閥，以保證調節閥有足夠的可調比。
    3 流量特性
    調節閥的流量特性是指介質流過閥門的流量與閥瓣升程值之間的關系。通常用流量與閥桿位置或升程的關系曲線表示。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，我們先假定閥門的壓降不變，前者稱為閥門固有流量特性，后者稱為閥門工作流量特性。
    3.1 固有流量特性
    我們經常用到的固有流量特性主要有直線、等百分比（對數）、拋物線及快開特性。圖3為這4種流量特性的關系曲線圖，圖4為不同流量特性的閥瓣形狀。

圖3 理想的固有流量特性

圖4 不同流量特性的閥瓣形狀
    直線流量特性是指調節閥的相對流量與閥桿相對位移成直線關系，即單位位移變化所引起的流量變化是常數。具有此特性的閥門在開度小時流量相對變化大，靈敏度高，不易控制，甚至發生振蕩；而在開度大時，流量相對變化值小，調節緩慢，不夠及時。
    等百分比流量特性也稱為對數流量特性，它是指閥桿單位相對位移變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系。在小開度時，調節平穩緩和；在大開度時，調節靈敏有效，從圖3可看出，等百分比特性在直線特性下方，因此，在同一位移時，直線閥通過的流量要比等百分比大。
    拋物線流量特性是指閥桿單位位移的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量值的平方根成正比關系，它介于直線特性與等百分比特性之間，相對來說此特性應用較少。
    快開特性在開度較小時就有較大的流量，隨開度的增大，流量很快達到；此后再增加開度，流量變化很小。它的閥瓣形式是平板型的，如圖4所示，它的有效位移一般為閥座直徑的1/4，當位移在增大時，閥的流通面積不變，失去調節作用。
    為特定功用選擇閥門的一個主要問題是挑選適合于工況的特性。理論上，每一種情況都應做透徹的分析，并相應地挑選閥門調節元件。但是這樣既費時、代價又高。對于無需精密調節的場合，可根據經驗按表1選擇。
表1 閥門特性的典型用途

    3.2 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，為了描述這一特性我們引進了壓降比k（壓降比被定義為通過閥門的壓降除以總的系統動壓降）。工作流量特性就是在恒定壓降比下，流量與閥桿升程之間的關系。圖5和圖6為直線特性和等百分比特性的工作流量特性，從圖可以看出當K值越小時，工作流量特性與固有流量特性偏差越大，因此在設計系統時應把系統壓降盡可能大的部分分配給調節閥。

圖5 具有線性固有流量特性的工作流量特性

圖6 具有等百分比流量特性的工作流量特性  

5 調節閥的噪聲分析
氣蝕和噪聲是調節閥在控制高壓差流體中的兩大公害。調節閥上的噪聲更是石油化工生產中的主要污染源。在使用中除需選用低噪聲結構的調節閥外，改變閥的操作條件更是消除或降低氣蝕和噪聲的根本方法。調節閥在工作時，應注意它的噪聲情況，分析好噪聲的產生機理可以更好地監視調節閥的工作狀態和有效處理所發生的問題，下面通過舉例說明。

（1）機械類振動——如當閥芯在套筒內水平運動時，可以使閥芯與套筒的間隙盡量小或者使用硬質表面的套筒。
（2）固有頻率振動——如閥芯或者其它的組件，它們都有一個固有振動頻率，對此，可以通過專門的鑄造或鍛造處理來改變閥芯的特性，如有必要也可以更換其他類型的閥芯。
（3）閥芯不穩定性——如由于閥芯振蕩性位移引起流體的壓力波動所產生的噪聲，這種情況一般是由于調節回路執行器等的阻尼因素引起的，對此可以重新調節阻尼系數或者在閥芯位移方向上加上減振設施。
（4）介質的力學流動性——介質在管道或者調節閥中流動時，也會發出噪聲，對于這種情況，這里不作具體闡述（氣蝕也會產生噪聲）。

調節閥選擇陷阱二：流向選擇
調節閥的流向，就是調節閥閥體上所標識的箭頭方向，通常安裝調節閥時，要使閥體上的箭頭方向與被調介質的流動方向一致。

但由于生產現場的差異，對調節閥的使用要求也是各不相同，實踐證明調節閥的流向會影響閥的工作特性，并直接影響到控制系統的正常運行與否。

調節閥按其介質的流動方向不同分為“流開型”與“流閉型”兩種。流向不同時調節閥閥芯的受力也是不同的，如閥前壓力作用在閥芯上，有把閥芯頂開的趨勢，成為“流開型”；反之，有把閥芯壓向閥座，使閥產生關閉的趨勢，成為“流閉型”。從介質對閥芯的繞流方向開看，“流開型”介質是從閥芯的小頭往大端流動，“流閉型”介質是從閥芯大端往小頭流動，調節閥流向對使用性能的影響。

小口徑高壓閥，如果把流開型改為流閉型后，其使用壽命可大大延長，這是因為流開型介質向著開方向流，汽蝕、沖蝕主要作用在密封面上，而使閥芯根部和閥芯閥座的密封面很快遭受破壞；而流閉型介質向著閉方向流，汽蝕、沖蝕作用在節流之后、閥座密封面以下，保護了密封面和閥芯根部，從而延長了調節閥的使用壽命。

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥有時由于產量增加，或計算、選擇失誤使調節閥的流量系數偏小時，閥全開還滿足不了生產時，可用改變流量的方法，即改流開型為流閉型來使用，這樣可使調節閥多通過10%~15%的流量。

流開型和流閉型兩種流向各有利弊，所以正確選擇調節閥的流向是很有必要的。選擇時應根據工況實際進行選擇。如很多設備要求調節閥能*關斷工作介質，這時閥的關閉性就成主要的要求，則應選擇“流閉型”的。若所選閥門是單座閥時，則流向正好與閥體所標箭頭相反。角型高壓閥，汽蝕嚴重、壽命短，也應選擇“流閉型”的，并且可提高閥門使用壽命。對閥桿密封要求嚴的場合，為防止泄露，應選擇“流開型”的。對于懸浮液、高黏度、含固體顆粒的介質，為防止泄露、堵塞，應選用“流閉型”的。

同一種閥型其流向不一定都是相同的，如小口徑的高壓閥，其工作壓差較高，汽蝕嚴重，壽命短，則應選擇“流閉型”的，但對于口徑較大的高壓閥，其工作壓力大但壓差并不太大時，還是應選擇“流開型”的較妥，因為“流開型”穩定性好，可以不使用防止閥振蕩的措施。

由于“流閉型”的流通能力比“流開型”大10%~15%，當“流開型”方向安裝的調節閥全開流量還達不到工藝要求時，可改成“流閉型”暫時解決困難。

由于“流閉型”穩定性差，選用“流閉型”后，穩定性成為主要問題，由于閥門工作再小開度時易振蕩，所以應盡量使閥門的zui小開度在30%~40%。要選用彈簧剛度大的執行機構，必要時應與閥門定位器配套使用 。閥門流向的改變，都會使流通能力和流量特性發生變化，這必然會對控制系統產生影響，因此在改變閥門流向時，對上述問題也應作適當的考慮。

調節閥選擇陷阱三：正裝、反裝
閥門的正裝和反裝，是針對直通雙座調節閥和直通單座調節閥的閥芯安裝位置而言的，直通雙座調節閥，由于其有兩個閥芯和閥座，采用雙導向結構，因此可以很方便的把正裝的閥芯改成反裝，只需把閥芯倒裝，閥桿與閥芯的下端鏈接，上、下閥座互換位置之后就可改變安裝方式了。對于口徑大于25mm的直通單座調節閥，其閥芯也是雙導向結構，只要改變閥桿于閥芯的連接位置就可以實現正裝或反裝。

直通雙座調節閥正裝時，閥芯向下移，閥芯與閥座間的流通面積減少；反裝時，閥芯向下位移，閥芯與閥座間的流通面積增大。正裝和反裝時，閥芯位移L與流通面積F的關系可以表示為：

從以上可以得知，改變調節閥的流向與調節閥的正裝、反裝不是一回事，其作用和用途也是不相同的。
調節閥流向是對介質的流動方向而言的，也就是說，當介質的流動方向向著閥的打開方向流動，即與閥開方向相同時，為“流開型”；如向著閥的關閉方向流動，即與閥關閉方向相同時，為“流閉型”。改變調節閥的方向，會影響調節閥的性能。所以改變調節閥的流向是為了滿足生產中的一些使用要求。與常規閥門相比，調節閥的選型及設計更為復雜。要使調節閥能夠實現預期的目的，在設計及選型時不僅要考慮上述三方面的因素，工況對泄露量等級的要求、介質對材料的腐蝕及汽蝕和閃蒸現象對材料的破壞等都是不可忽視的。

而調節閥的正裝、反裝是改變閥芯的安裝位置，來改變調節閥的流通能力，即正裝時閥的流通面積減少，而反裝時閥的流通面積增大。所以調節閥就有正裝和反裝兩種產品。在其與氣動執行機構配合使用時，就涉及組合問題。即氣動執行機構正、反作用和調節閥正裝、反裝的組合，決定了氣動執行器是氣關還是氣開式的。與本文相關的產品有：美標316不銹鋼法蘭截止閥