调节阀计算与选型指导(一)

发布时间:2010-09-02  点击数:2268
   人们常把测量仪表称之为生产过程自动化的“眼睛”;把控制器称之为“大脑”;把执行器称之为“手脚”。自动控制系统一切先进的控制理论、巧秒的控制思想、复杂的控制策略都是通过执行器对被控对象进行作用的。调节阀是生产过程自动化控制系统中最常见的一种执行器,一般的自动控制系统是由对象、检测仪表、控制器、执型器等所组成。调节阀直接与流体接触控制流体的压力或流量。正确选取调节阀的结构型式、流量特性、流通能力;正确选取执行机构的输出力矩或推力与行程;对于自动控制系统的稳定性、经济合理性起着十分重要的作用。如果计算错误,选择不当,将直接影响控制系统的性能,甚至无法实现自动控制。控制系统中因为调节阀选取不当,使得自动控制系统产生震荡不能正常运行的事例很多很多。因此,在自动控制系统的设计过程中,调节阀的设计选型计算是必须认真考虑、将设计的重要环节。
   正确选取符合某一具体的控制系统要求的调节阀,必须掌握流体力学的基本理论。充分了解各种类型阀的结构型式及其特性,深入了解控制对象和控制系统组成的特征。选取调节阀的重点是阀径选择,而阀径选择在于流通能力的计算。流通能力计算公式已经比较成熟,而且可借助于计算机,然而各种参数的选取很有学问,最后的拍板定案更需要深思熟虑。
二、调节阀的结构型式及其选择
   常用的调节阀有座式阀和蝶阀两类。随着生产技术的发展,调节阀结构型式越来越多,以适应不同工艺流程,不同工艺介质的特殊要求。按照调节阀结构型式的不同,逐步发展产生了单座调节阀双座调节阀、角型阀、套筒调节阀(笼型阀)、三通分流阀、三通合流阀、隔膜调节阀、波纹管阀、O型球阀V型球阀偏心旋转阀(凸轮绕曲阀)、普通蝶阀、多偏心蝶阀等等。
    如何选择调节阀的结构型式?主要是根据工艺参数(温度、压力、流量),介质性质(粘度、腐蚀性、毒性、杂质状况),以及调节系统的要求(可调比、噪音、泄漏量)综合考虑来确定。一般情况下,应首选普通单、双座调节阀和套筒调节阀,因为此类阀结构简单,阀芯形状易于加工,比较经济。如果此类阀不能满足工艺的综合要求,可根据具体的特殊要求选择相应结构型式的调节阀。现将各种型式常用调节阀的特点及适用场合介绍如:
   (1)单座调节阀(VP,JP):泄漏量小(额定Kv值的0.01%)允许压差小,JP型阀并且有体积小、重量轻等特点,适用于一般流体,压差小、要求泄漏量小的场合。
   (2)双座调节阀(VN):不平衡力小,允许压差大,流量系数大,泄漏量大(额定K值的0.1%),适用于要求流通能力大、压差大,对泄漏量要求不严格的场合。
   (3)套简阀(VM.JM):稳定性好、允许压差大,容易更换、维修阀内部件,通用性强,更换套筒阀即可改变流通能力和流量特性,适用于压差大要求工作平稳、噪音低的场合。
   (4)角形阀(VS):流路简单,便于自洁和清洗,受高速流体冲蚀较小,适用于高粘度,含颗粒等物质及闪蒸、汽蚀的介质;特别适用于直角连接的场合。
   (5)偏心旋转阀(VZ):体积小,密封性好,泄漏量小,流通能力大,可调比宽R=100,允许压差大,适用于要求调节范围宽,流通能力大,稳定性好的场合。 
   (6)V型球阀(VV):流通能力大、可调比宽R=200~300,流量特性近似等百分比,v型口与阀座有剪切作用,适应用于纸浆、污水和含纤维、颗粒物的介质的控制。 
   (7)O型球阀(VO):结构紧凑,重量轻,流通能力大,密封性好,泄漏量近似零,调节范围宽R=100~200,流量特性为快开,适用于纸浆、污水和高粘度、含纤维、颗粒物的介质,要求严密切断的场合。 
   (8)隔膜调节阀(VT):流路简单,阻力小,采用耐腐蚀衬里和隔膜有很好的防腐性能,流量特性近似为快开,适用于常温、低压、高粘度、带悬浮颗粒的介质。 
   (9)蝶阀(VW):结构简单,体积小、重量轻,易于制成大口径,流路畅通,有自洁作用,流量特性近似等百分比,适用于大口径、大流量含悬浮颗粒的流体控制。
三、调节阀的流量特性及其选择
    调节阀流量特性分固有特性和工作特性两种。固有特性又称调节阀的结构特性,是由生产厂制造时决定的。调节阀在管路中工作,管路系统阻力分配情况随流量变化,调节阀的前后差压也发生变化,这样就产生了调节阀的工作特性。
  3.1 结构特性
   调节阀是通过行程的变化,改变阀芯与阀座间的节流面积,来达到控制流量的目的。因此阀芯与阀座的节流面积跟着行程怎样变化,对调节阀的工作特性能有很大影响。通常把调节阀的相对节流面积与阀门的相对开度之间的关系称为调节阀的结构特性。所谓阀门的相对开度是指调节阀某一开度行程与全开行程之比(角行程与直行程道理相同),用l=L/Lmax来表示。所谓阀门的相对节流面积是指调节阀某一开度下的节流面积与全开时的节流面积之比,用f=F/Fmax来表示。 
    调节阀结构特性的数学表达式为: 
    f=Φ(l)                 (3-1) 
    上式的函数关系取决于阀芯及相关阀门组件的形状和结构。不同的结构就形成了几种典型的结构特性。 
    3.1.1 直线结构特性 
   阀门的相对节流面积与相对开度成直线关系。即: 
   df/dl=c                    (3-2) 
    式中:c为常数 
    设边界条件为:当L=0时,F=Fmax;L=Lmax时,F=Fmax:解上述微分方程,并带入边界条件得出数学表达式为: 
                 (3-3) 
    式中:R=Fmax/Fmin为调节阀节流面积的变化范围。 
     3.1.2 等百分比结构特性
     阀门的相对节面积随行程的变化率与此点的节流成正比关系。即:
     df/dl=cf                      (3-4)
     解上述微分方程,并代入前述相同边界条件,得出数学式为:
     f=R(l-1)                    (3-5)
     式中:R=Fmax/Fmin
      3.1.3 快开结构特性
     阀门的节流面积随行程变化,很快达到最大(饱和),此阀适用于迅速开闭。
      3.1.4 抛物线结构特性
     阀门的相对节流面积与相对开度成抛物线关系。即:
                              (3-6)
     解上述微分方程,并代入前述相同的边界条件,得出数学式为:
                  (3-7)
     式中:R=Fmax/Fmin 
   3.2 工作流量特性 
   调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系相对流量用q=Q/Qmax来表示。 
    调节阀的流量特性的数学表示式为: 
    q=Φ(l)                                   (3-8) 
    一般说来,改变调节阀的节流面积,便可控制流量;但实际上由于各种因素的影响,如节流面积变化的同时,还发生阀前后压差的变化,而压差ΔPv的变化引起流量的变化。为了分析问题方便,先假定阀前后压差是固定的。 
    3.2.1 理想流量特性
     在调节阀前后压差一定的情况下(ΔPv=常数)得到的流量特性,称为理想流量特性。假设调节阀各开度下的流通能力与节流面积成线性关系,即:
     Ci=Cf                                  (3-9)
      式中:C:阀全开时的流通能力
              Ci:阀在某一开度下的流通能力
              f:相对节流面积
     由流体力学得知,伯努利方程可以推导出调节阀流量方程为:
             (3-10)
      式中:F:调节阀节流面积
              ε:调节阀阻力系数,随开度变化
              g:重力加速度
               r:流体重度
               P1,P2:调节阀前、阀后压力
     调节阀的流量方程也可以简化写为:
                              (3-11)
     当f=1时,Q=Qmax则可得到:
                         (3-12)
     考虑到△P为常数,将式(3-11)和(3-12)相比即得:
     q=f                 (3-13)
     综上可知,当阀门各开度下的流通能力C与节流面积F成线性关系时,即假定阀前后压差固定,ΔP为常数时,调节阀的理想流量特性与调节阀的结构特性完全相同,这样一来,调节阀的理想流量特性,也就有直线、等百分比、快开、抛物线等4种形式 
    3.2.2 实际工作流量特性
    在调节阀前后压差变化的情况下,得到的流量特性,称为工作流量特性。在实际的工艺装置中,调节阀安装在工艺管道系统中,由于除调节阀以外的管道、装置、设备等存在阻力,并且该阻力损失随通过管道的流量成平方关系变化。因此,当系统两端压差ΔP一定时,调节阀上的压差ΔPv就会随着流量的增加而减小,如图1所示。这个压差的变化也会引起通过调节阀的流量发生变化,因此这时调节阀的理想流量生就会产生畸变而成为工作特性。

    管道系统的总压差△Ps是管道系统(除调节阀外的阀门、设备和管道)的压差与调节阀前后压差之和,即:
     ΔPs=△P2+∑ΔP1             (3-14)
     图1(b)中△Pvm是最大流量时调节阀前后的压差,∑△Pim是最大流量时管路系统的压差,令:
                            (3-15)
     这就是工艺管道系统的阻损比S,也就是调节阀全开时,阀上的压降△Pv与管路系统各局部阻力件之和∑Pim加阀上的压降△Pv,两者之间的比根据式(3-11),则调节阀通过的流量即:
                     (3-16)
     当调节阀开度达到100%时,即f=1时则有:
                 (3-17)
     如果工艺管道系统的阻力损失全部由调节阀决定,即管道设备阻力等于零时(ΔPv=ΔPs),此时的系统阻损比S=1,则调节阀前后压差就是管道系统的总压降△Ps。此时调节阀工作特性就成为理想特性,此时的最大流量为:
                              (3-18)
     如果将式(3-16)和(3-18)相比就可以得到Q作参此量的相对流量特性:
                                               (3-19)
     如果将式(3-16)和(3-17)相比就可以得到以Q100作参比量的相对流量特性:
                                               (3-20)
     进一步推导,考虑管道系统的节流面积恒定不变其相对面积总是1,则其管道流量表达式如下:
                                               (3-21)
      式中:Q:管道流量
              Cg:管道流通能力
               ∑ΔPi:管道阻力
               γ:流体密度
     式(3-16)和(3-21)流量相等,并根据式(3-14)则推导出
                                       (3-22)
     当调节阀全开时f=1,于是调节阀最大开度时的前后差压(实际是调节阀前后压差的最小值)为:

      则:
      
                                    (3-23)
     将式(3-23)和(3-22)联豆解方程组则有
                                       (3-24)
     将式(3-24)代入式(3.19)则得到
 
                              (3- 25)
     将上式中代入相应的结构特性,就可以得出Qmax作为参比值的工作特性如图2。
     由于实际上S<1,因此工作特性中Q和Q100都将相对减小。随着调节阀开度的增加,管道系统的流量也随之增加,则管道系统的压降∑ΔPi从最小(近似等于零)逐步增大到∑Pim。这样一来,随着调节阀开度的增加,调节阀前后压差ΔPv将由于∑ΔPi的增加而减少,参看图1。因此实际上管道系统的最大流量Q100必然小于理想情况(S=1)时的最大流量Qmax也就使得直线和等百分此两种调节阀的特性曲线都随S的减小而下垂,如图2。

    将式(3-24)和△Pm=S•ΔPs代入式(3-20)则得到:
                              (3- 26)
     将上式中代入相应的结构特性,就可以得出Q100作为参比值的工作特性,如图3。
     对于一个流量调节阀的管道系统,阻损比S值(又称压降比)越大,则说明调节阀的压降占整个系统比重越大,调节阀控流能力越大;如果S=1.0,则△Pv=△Ps是不变的,则调节阀工作特性就是理想特性。反之S值越小,则说明调节阀的压降占整个系统的比重越小;也就是调节阀的控制能力越差,也就是当流量增加时,调节阀前后压降逐步减少。因此调节阀的节流面积虽然增大了但由于ΔPv减小,流量并没有按理想特性增大,而使流量增大速率变缓。随着S值的减小,即管道阻力增加,则带来两个不利的后果:一是调节阀的流量特性发生越来越大的畸变;直线特性渐渐趋于快开特性,等百分比特性渐渐趋于直线特性,这样一来使小开度时放大系数增加、大开度时放大系数减小,造成小开度时控制不稳定和大开度时控制迟钝。因此在实际使用中,通常要求S值不低于0.3~0.5。二是调节阀的可调节阀的可调范围随之减小,实际可调比R''随S减小而减小:
                  (3-27)
     式中:R:调节阀的固有可调比
           R‘:调节阀的实际可调比

     3.3 流量特性的选择
     直线结构特性调节阀的特性曲线的斜率在全行程是一个定值以相对行程l等于10%、50%、80%三点为例;当行程变化10%时,所引起节流面积变化总是10%,我们再看它的节流面积相对变化值分别为:
            
     由此可见,直线结构特性在变化相同行程情况下,阀门开度小时,节流面积相对变化值大;阀门开度大时,节流面积相对变化值小。这个特点,往住使直线结构特性阀门在小开度情况下的灵敏度过高而导致控制性能变坏。
     再看等百分比结构特性的调节阀,其特性曲线的斜率是随行程的增大而递增的。以同样的相对行程等于10%、50%、80%三点为例,当行程变化成10%,(假设R=30)所引起的节流面积变化分别是1.91%、7.3%和20.4%;因此这种阀在接近关闭时工作得缓和平稳,而在接进全开启状态时工作的灵敏有效。同样再看它的节流面积相对变化率分4为:
            
     由此可见行程变化成10%,所I起节流面积变化的相对值总是40%,具有等比率特性、等百分比结构特性即由此得名。
     实际市场上调节阀,有直线、等百分比和快开三种基本特性。对于陕开特性,一般用于两位式调节和开关控制。对于调节系统选择调节阀特性,则指的是如何选择直线和等百分比特性在设计选用中主要依据以下两个原则。
     (1)从控制系统的控制品质出发,选择阀的工作特性
     理想的控制回路,希望它的总放大系数在控制系统的整个操作范围内保持不变,但在实际生产过程中控制对象的特性往往是非线性的,它的放大系数要随其外部条件而变化。因此,适当选择调节阀特性,以调节阀的放大系数变化来补偿对象放大系数的变化,可将系统的总放大系数整定不变,从而保证控制质量在整个操作范围内保持一定。若控制对象为线性时,调节阀可以采用直线工作特性。但许多的控制对象,其放大系数随负荷加大而趋小,假如我们选用放大系数随负荷加大而趋大的调节阀,正好补偿。等百分比特性阀具有这种性能,因此它得到广泛应用。
     (2)从配管情况出发,根据调节阀的希望工作特性选择阀的结构特性。
     必须说明,按第一原则选出的是阀的工作流量特性。由于流量调节阀的管道系统各不相同,S值的大小直接引起阀的工作流量特性偏离其结构特性而发生畸变。因此,当我们根据已定的希望工作特性来选取调节阀的结构特性时,就必须考虑配管情况。S值大计时,调节阀的工作特性畸变小;反之S值小,调节阀的工作特性畸变大。考虑配管情况可以参考表1进行选择。

表1 阀的结构特性选择
调节阀与系统压降比S 1- 0.6 0.6- 0.3 <0.3
调节阀的工作流量特性 快开 直线 等百分比 快开 直线 等百分比 控制不适宜
调节阀的结构特性 快开 直线 等百分比 直线 等百分比 等百分比 控制不适宜

    选择阀的结构特性与S值很有关系,S值大则工作特性畸变小,对控制有利。但是,S值大说明调节阀的压力损失大,这样不经济。因此必须综合考虑,工程设中普遍认为压降比S为0.3~0.6是比较合适的。