調(diào)節(jié)閥是流量控制的zui終執(zhí)行元件，是過程控制系統(tǒng)中*的一個重要環(huán)節(jié)。一個簡單的控制系統(tǒng)就是由被控對象、測量變送裝置、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥等環(huán)節(jié)組成。調(diào)節(jié)閥的作用是接受調(diào)節(jié)器送來的控制信號，調(diào)節(jié)管道中介質(zhì)的流量，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程中溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)的自動控制。自動控制系統(tǒng)中一切*的控制理論、巧妙的控制思想、復(fù)雜的控制策略都是通過執(zhí)行器對被控對象進行作用的。執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥構(gòu)成，調(diào)節(jié)閥直接與流體接觸，它的工作與生產(chǎn)工藝密切相關(guān)，直接影響生產(chǎn)過程的物料平衡與能量平衡。若選擇不當(dāng)就會造成閥的使用壽命和系統(tǒng)的控制質(zhì)量降低，甚至造成全線停車。
調(diào)節(jié)閥是按照工藝流體的特性參數(shù)及其工作條件如溫度、閥前后壓力、密度、zui大流量、正常流量、zui小流量以及閥的結(jié)構(gòu)形式、公稱通徑、閥的作用形式、材質(zhì)、壓力等級及流量特性的。其中閥的流量特性在管道系統(tǒng)中的畸變對控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量會帶來很大的影響。
一、調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性
調(diào)節(jié)閥的流量特性分為固有特性和工作特性2種。固有特性又稱調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性，是由生產(chǎn)制造廠決定的，調(diào)節(jié)閥一旦制成以后，它的結(jié)構(gòu)特性就不變了。
調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性是指閥芯與閥座間節(jié)流面積與調(diào)節(jié)閥開度之間的關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達式為：
f=φ（l）
式中：
f——f=F/F100，相對節(jié)流面積，調(diào)節(jié)閥在某一開度下節(jié)流面積F與全開時節(jié)流面積F100之比；
l——l=L/L100，相對開度，調(diào)節(jié)閥在某一開度下行程L與全開時行程L100之比。調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性取決于閥芯的形狀，不同的閥芯曲面形成不同的結(jié)構(gòu)特性：直線結(jié)構(gòu)特性、等百分比結(jié)構(gòu)特性、快開結(jié)構(gòu)特性、拋物線結(jié)構(gòu)特性。
直線結(jié)構(gòu)特性是指調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積與閥的開度成直線關(guān)系，用相對量來表式為：
df/dl=c，c為常數(shù)
若已知邊界條件為：L=0時，F(xiàn)=F0；L=L100時，F(xiàn)=F100。解上式微分方程帶入邊界條件可得：
f=[1+（R-1）l]/R
式中：R——R=F100/F0，為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍。等百分比結(jié)構(gòu)特性是指在任意開度下，單位行程變化所引起的節(jié)流面積變化與該節(jié)流面積本身成正比，用相對量來表示為：
df/dl=c，c為常數(shù)
解上式微分方程帶入邊界條件可得：
f=R（l-1）
快開結(jié)構(gòu)特性是指閥門的節(jié)流面積隨行程變化，很快達到zui大（飽和），此閥適用于迅速開閉。其特性方程為：
f=1-（1-1/R）（1-l）2
拋物線結(jié)構(gòu)特性是指閥的節(jié)流面積與開度成拋物線關(guān)系。其特性方程為：
f=[1+（R1/2-1）l]2/R
其特性接近等百分比特性。
圖1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性
1直線；2等百分比；3快開；4拋物線
從圖1可看出，對于直線結(jié)構(gòu)特性的閥，只要閥芯位移變化量相同，則節(jié)流面積變化量也總是相同的。對于同樣大的閥芯位移，小開度時的節(jié)流面積相對變化量大，大開度時的節(jié)流面積相對變化量小。對于等百分比結(jié)構(gòu)特性的閥，小開度時的節(jié)流面積變化平緩，大開度時的節(jié)流面積變化加快，可保證在各種開度下的靈敏度都一樣?？扉_結(jié)構(gòu)特性的閥其靈敏度極差，很少用做調(diào)節(jié)閥，主要用于雙位控制和程序控制。拋物線結(jié)構(gòu)特性的閥，其特性接近等百分比特性。因此，流量特性的選擇主要是指合理選用線性和等百分比流量特性。選擇的原則是在負荷變化的情況下，結(jié)合工藝配管情況，使控制系統(tǒng)總的放大系數(shù)即綜合特性接近線性。
二、調(diào)節(jié)閥的工作流量特性
調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)通過閥門的相對流量與相對開度之間的關(guān)系，相對流量用q=Q/Q100來表示，調(diào)節(jié)閥的流量特性的數(shù)學(xué)表達式為：
q=f（l）
其特性又受到閥前后壓差和它所在的管路系統(tǒng)的影響。當(dāng)調(diào)節(jié)閥前后壓差固定（ΔP=常數(shù)）時得到的流量特性稱為理想流量特性。假設(shè)調(diào)節(jié)閥各開度下流通能力與閥節(jié)流面積成線性關(guān)系，則：
C=C100f
式中：C和C100——調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)和額定流量系數(shù)。
通過調(diào)節(jié)閥的流量為：
r為介質(zhì)密度，當(dāng)閥全開時，f=1，Q=Q100，則
當(dāng)ΔP=常數(shù)時，由以上公式可得：
q=f
這表明，當(dāng)閥前后壓差固定時，調(diào)節(jié)閥的理想流量特性與調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性*相同。
但是，當(dāng)一臺調(diào)節(jié)閥接在管路中工作時，閥門開度一定，隨著流量的變化，閥門前后的壓差是變化的，于是理想特性就變成了工作特性。在實際應(yīng)用中，調(diào)節(jié)閥安裝在工藝管道系統(tǒng)中，由于除調(diào)節(jié)閥以外的管道、裝置、設(shè)備等存在阻力，并且該阻力損失隨通過管道的流量成平方關(guān)系變化。因此，當(dāng)系統(tǒng)兩端壓差ΔP一定時，調(diào)節(jié)閥上的壓差ΔPv就會隨著流量的增加而減少，這個壓差的變化也會引起通過調(diào)節(jié)閥的流量發(fā)生變化，因此這時調(diào)節(jié)閥的理想流量特性就會產(chǎn)生畸變而成為工作特性，如圖2所示。
圖2 調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)工作
系統(tǒng)的總壓差ΔP等于管路系統(tǒng)的壓差∑ΔPe與調(diào)節(jié)閥的差壓ΔPv之和，當(dāng)總壓差ΔP一定時，隨著閥開度增加，管道流量增加，由于設(shè)備和管道上的壓力損失∑ΔPe與通過的流量成平方關(guān)系，則分配到調(diào)節(jié)閥上的壓降ΔPv相應(yīng)減小。這樣，在相同的閥芯位移下，現(xiàn)在的流量要比調(diào)節(jié)閥上壓降保持不變的理想情況小，調(diào)節(jié)閥的流量特性將偏離固有特性而發(fā)生畸變。通常以閥阻比S100表示調(diào)節(jié)閥全開時的壓降ΔP100與系統(tǒng)總壓降ΔP之比，它是表示串聯(lián)管系中配管狀況的一個重要參數(shù)。
對于直線結(jié)構(gòu)特性調(diào)節(jié)閥，由于串聯(lián)管道阻力的影響，直線的理想流量特性畸變成一組斜率越來越小的曲線，如圖3（a）所示。隨著S100值的減小，流量特性將畸變成為快開特性，以致開度到達50%－70%時，流量已接近其全開時的數(shù)值。對于等百分比結(jié)構(gòu)特性調(diào)節(jié)閥，情況相似，見圖3（b）。隨著S100值的減小，流量特性將畸變成為直線特性。在實際使用中，S100值一般不希望低于0.3－0.5。S100很小就意味著調(diào)節(jié)閥上的壓降在整個管道系統(tǒng)總壓降中所占比重甚小，無足輕重，所以它在較大開度下調(diào)節(jié)流量的作用也就很不靈敏了。
圖3 串聯(lián)管系中調(diào)節(jié)閥的工作流量特性
對于一個流量調(diào)節(jié)閥的管道系統(tǒng)，閥阻比S100值越大，說明調(diào)節(jié)閥的壓降占整個系統(tǒng)的比重越大，調(diào)節(jié)閥的控制能力就越強；反之，S100值越小則說明調(diào)節(jié)閥的控制能力越差，也就是當(dāng)流量增加時，調(diào)節(jié)閥前后壓降逐漸減少，調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積雖然增大了，但流量并沒有按理想特性增大，而是流量增大速度變緩。隨著S100值的減小，即管道阻力增加，帶來2個不利的后果：一是調(diào)節(jié)閥的流量特性發(fā)生越來越大的畸變，直線特性漸漸趨于快開特性，等百分比特性漸漸趨于直線特性，這就使小開度時放大系數(shù)增加，大開度時放大系數(shù)減小，造成小開度時控制不穩(wěn)定和大開度時控制遲鈍。二是調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍隨之減小。因此，在實際使用中通常要求S100值不低于0.3—0.5。
在實際使用中，調(diào)節(jié)閥一般都裝有旁路閥，以備手動操作和維護調(diào)節(jié)閥之用。當(dāng)生產(chǎn)量提高或其它原因使介質(zhì)流量不能滿足工藝生產(chǎn)要求時，可以把旁路閥打開一些，以應(yīng)生產(chǎn)之需，這就形成了并聯(lián)管道的情況，如圖4所示。
圖4 調(diào)節(jié)閥與管路并聯(lián)
并聯(lián)管路的總流量是調(diào)節(jié)閥流量與旁路流量之和，即
Q∑=Q+Qe
令S100為并聯(lián)管系中調(diào)節(jié)閥全開流量Q100與總管zui大流量Q∑max之比時，稱為閥全開流量比，它是表征并聯(lián)管系配管情況的一個重要參數(shù)。由于旁路閥流量Qe的存在，使得并聯(lián)管路的zui小流量Q∑min提高，并使調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)范圍下降，同時流量特性發(fā)生畸變。其工作流量特性曲線如圖5所示。
圖5 并聯(lián)管系中調(diào)節(jié)閥的工作流量特性
由圖5可見，當(dāng)S100=1時，旁路關(guān)閉，并聯(lián)管道工作流量特性就是調(diào)節(jié)閥的理想流量特性。隨著S100值的減小，即旁路閥逐漸開大，盡管調(diào)節(jié)閥本身的流量特性無變化，但管道系統(tǒng)的可調(diào)比卻大大下降，這將使管系中可控的流量減小，嚴(yán)重時甚至?xí)共⒙?lián)管系中調(diào)節(jié)閥失去控制作用。實際使用時，一般要求S100>018，即旁路流量只占管道總流量的百分之十幾。
三、流量特性的選擇
實際使用的調(diào)節(jié)閥既有旁路又有串聯(lián)設(shè)備，因此它的理想流量特性畸變、管道系統(tǒng)可調(diào)比下降更為嚴(yán)重，調(diào)節(jié)閥甚至起不了調(diào)節(jié)作用。因此，我們選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性不僅要考慮控制系統(tǒng)特性、負荷變化，還要考慮S100值的大小。
首先，從控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)去考慮。理想的控制回路，希望它的總放大系數(shù)在控制系統(tǒng)的整個操作范圍內(nèi)保持不變，但在實際生產(chǎn)過程中控制對象的特性往往是非線性的，它的放大系數(shù)要隨其外部條件變化。因此，適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)閥特性，以調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)變化來補償對象放大系數(shù)的變化，可將系統(tǒng)的總放大系數(shù)整定不變，從而保證控制質(zhì)量在整個操作范圍內(nèi)保持一定。若控制對象為線性時，調(diào)節(jié)閥可采用直線工作特性。但許多的控制對象，其放大系數(shù)隨負荷加大而減小，假如我們選用放大系數(shù)隨負荷加大而趨大的調(diào)節(jié)閥，正好補償，等百分比特性具有這種性能，因此得到廣泛應(yīng)用。
其次，從配管情況考慮。我們*步選出的是閥的工作流量特性。由于調(diào)節(jié)閥所處的管道系統(tǒng)各不相同，S100值的大小直接引起閥的工作流量特性，偏離其結(jié)構(gòu)特性而發(fā)生畸變。因此，當(dāng)我們根據(jù)已定的希望工作流量特性來選取閥的結(jié)構(gòu)特性時，就必須考慮配管情況。S100值大時，調(diào)節(jié)閥的工作特性畸變??；S100值小時，調(diào)節(jié)閥的工作特性畸變大。我們可以參考表1選擇閥的結(jié)構(gòu)特性。
表1 閥的結(jié)構(gòu)特性
選擇閥門的結(jié)構(gòu)特性與S100值有很大的關(guān)系，S100值大時，調(diào)節(jié)閥的工作特性畸變小，對控制有利，但也說明調(diào)節(jié)閥的壓力損失，這樣很不經(jīng)濟，因此必須綜合考慮，工程設(shè)計中一般認為S100值在0.3—0.6之間比較合適。華潤賽力事達玉米工業(yè)有限公司結(jié)晶糖車間FV－011，介質(zhì)為糖液的流量調(diào)節(jié)閥，試運行時工作正常，投產(chǎn)后由于生產(chǎn)量提高擴能，介質(zhì)流量不能滿足工藝要求，將旁路閥打開，形成了并聯(lián)管道的情況，降低了調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比，使流量特性發(fā)生畸變，控制質(zhì)量降低。后來將工藝管徑擴大，經(jīng)過計算S100，選擇了等百分比結(jié)構(gòu)特性調(diào)節(jié)閥，閥門正常工作。
四、結(jié)論
調(diào)節(jié)閥流量特性在實際應(yīng)用中會由理想的固有流量特性畸變成工作流量特性，降低了控制質(zhì)量，甚至達到無法控制。本文剖析了畸變的因素，介紹了選用合適的閥結(jié)構(gòu)特性的方法。了解調(diào)節(jié)閥流量特性在管道系統(tǒng)中的畸變及其對控制系統(tǒng)質(zhì)量的影響，選擇合適的調(diào)節(jié)閥流量特性，可以延長閥的使用壽命，更好地提高控制質(zhì)量。
