一、影响控制阀额定流量系数的因素 控制阀额定流量系数与下列因素有关。
控制阀计算流量系数：控制阀计算流量系数可以根据工艺提供的正常流量、最大流量和最小流量，及计算压差确定。
控制阀的压降比：控制阀压降比的减小会使实际最大流量下降，压降比越小，实际最大流量的下降越大。表2显示压降比s与控制阀最大流量下降的百分比的关系。
表2 压降比s与控制阀最大流量下降的百分比的关系
| s
| 0.1
| 0.2
| 0.3
| 0.4
| 0.5
| 0.6
| 0.7
| 0.8
| 0.9
|
| 百分比
| 31.6%
| 44.7%
| 54.8%
| 63.3%
| 70.7%
| 77.5%
| 83.7%
| 89.4%
| 94.9% |
表2表明，当压降比s减小时，控制阀可调节的最大流量减小。例如，在压降比s在0.8以上时，由于在选用控制阀额定流量系数时，通过向上圆整的方法，因此，一般情况下，采用确定控制阀额定流量系数的传统方法可以在最大流量时满足工艺最大流量的控制要求。但当压降比在0.3到0.6时，控制阀可调节的最大流量是额定最大流量的54.8~77.5%，造成在最大开度下仍不能满足工艺最大流量的控制要求。为此，在控制阀额定流量系数确定时，应考虑压降比的影响，增大放大倍率。压降比越小，放大倍率越大。
工艺所需流量时控制阀的开度：在选用控制阀时，如果考虑今后的扩展，可在最大流量时希望开度在80%或更小的开度值。如果，从经济性考虑，可在正常流量时选用60%（线性
流量特性）或90%开度（等百分比流量特性），或更大的开度值。但需注意，由于选用不同的希望开度，会影响附加管件的阻尼系数，并影响计算流量系数的值，因此，需复算计算流量系数。此外，实际开度计算也应考虑s的影响。
控制阀固有流量特性：控制阀固有流量特性影响相对行程和相对流量的关系，因此，应考虑流量特性对选用额定流量系数的影响。例如，等百分比流量特性控制阀的放大倍率大于线性流量特性控制阀的放大倍率。流量特性的选用与被控对象特性、扰动的性质等有关[3]。
固有可调比：固有可调比影响控制阀流量特性，因此，影响额定流量系数的确定。
二、控制阀额定流量系数的估算公式 考虑压降比的影响，控制阀流量特性发生畸变，因此，估算公式如下
[4]。
线性流量特性：
（1）
等百分比流量特性：
（2）
抛物线流量特性：
（3）
理想快开流量特性：
（4）
式中，R是理想可调比，Q为实际流量，Q
max为最大流量，s是压降比。
将上述关系转换为不同开度下流量与最大流量之比，可获得对应的比值。则根据某一希望开度时的流量可确定最大流量时的放大倍率k。即：
Kv= kKv1 （5）
表3和表4分别是R=30时线性流量特性和等百分比流量特性控制阀，在不同压降比和希望开度下的放大倍率关系。表5是R=50时等百分比流量特性控制阀，在不同压降比和希望开度下的放大倍率关系。表中，s=1的倍率值与表1的倍率值是一致的。
示例1 控制阀额定流量系数的确定。
某乙烯工程的压力控制系统，根据最大流量计算获得流量系数值为54.5，选用等百分比流量特性，希望开度在85%，压降比为0.3，理想可调比为50，根据表4，倍率为2.3594。因此，应选流量系数为：54.5×2.260=128.5873。 选用控制阀额定流量系数为160，计算出实际开度为76.5%。
如果不考虑压降比的影响，从表4可得倍率为1.7982，因此，选用额定流量系数为100的控制阀，运行在压降比为0.3的情况下，实际开度为99.58%。实际应用时就可能出现最大流量不能满足工艺控制要求的情况。对于线性流量特性的控制阀，当压降比为0.3时，最大流量只能达到额定最大流量的70%，因此，必然出现不能满足工艺控制要求的情况。 表3线性流量特性控制阀，不同压降比时的倍率k（R=30）
S
| 0.05
| 0.10
| 0.15
| 0.2
| 0.25
| 0.3
| 0.4
| 0.5
| 0.6
| 0.7
| 0.8
| 0.9
| 1.0
|
10%
| 8.8415
| 8.2566
| 8.0522
| 7.9481
| 7.8849
| 7.8425
| 7.7892
| 7.7570
| 7.7355
| 7.7201
| 7.7085
| 7.6995
| 7.6923
|
20%
| 6.2019
| 5.3351
| 5.0130
| 4.8439
| 4.7396
| 4.6687
| 4.5786
| 4.5237
| 4.4867
| 4.4601
| 4.4400
| 4.4243
| 4.4118
|
30%
| 5.3447
| 4.3087
| 3.9028
| 3.6831
| 3.5448
| 3.4494
| 3.3265
| 3.2504
| 3.1987
| 3.1613
| 3.1329
| 3.1107
| 3.0928
|
40%
| 4.9668
| 3.8300
| 3.3668
| 3.1095
| 2.9443
| 2.8288
| 2.6775
| 2.5824
| 2.5171
| 2.4693
| 2.4329
| 2.4042
| 2.3810
|
50%
| 4.7693
| 3.5702
| 3.0680
| 2.7832
| 2.5973
| 2.4657
| 2.2904
| 2.1786
| 2.1007
| 2.0432
| 1.9990
| 1.9640
| 1.9354
|
60%
| 4.6538
| 3.4144
| 2.8853
| 2.5804
| 2.3787
| 2.2342
| 2.0392
| 1.9127
| 1.8235
| 1.7570
| 1.7054
| 1.6642
| 1.6304
|
70%
| 4.5808
| 3.3142
| 2.7659
| 2.4462
| 2.2324
| 2.0778
| 1.8665
| 1.7273
| 1.6280
| 1.5532
| 1.4946
| 1.4474
| 1.4085
|
80%
| 4.5318
| 3.2460
| 2.6839
| 2.3530
| 2.1300
| 1.9673
| 1.7426
| 1.5927
| 1.4844
| 1.4019
| 1.3367
| 1.2837
| 1.2397
|
90%
| 4.4973
| 3.1977
| 2.6253
| 2.2859
| 2.0556
| 1.8865
| 1.6509
| 1.4918
| 1.3756
| 1.2861
| 1.2147
| 1.1561
| 1.1070
|
100%
| 4.4721
| 3.1623
| 2.5820
| 2.2361
| 2.0000
| 1.8257
| 1.5811
| 1.4142
| 1.2910
| 1.1952
| 1.1180
| 1.0541
| 1.0000
|
表4等百分比流量特性控制阀，不同压降比时的倍率k（R=30）
S
| 0.05
| 0.10
| 0.15
| 0.2
| 0.25
| 0.3
| 0.4
| 0.5
| 0.6
| 0.7
| 0.8
| 0.9
| 1.0
|
10%
| 21.791
| 21.560
| 21.483
| 21.444
| 21.421
| 21.405
| 21.386
| 21.374
| 21.366
| 21.361
| 21.356
| 21.353
| 21.351
|
20%
| 15.809
| 15.488
| 15.380
| 15.326
| 15.293
| 15.272
| 15.244
| 15.228
| 15.217
| 15.209
| 15.203
| 15.199
| 15.195
|
30%
| 11.659
| 11.222
| 11.073
| 10.997
| 10.952
| 10.921
| 10.883
| 10.860
| 10.845
| 10.834
| 10.826
| 10.819
| 10.814
|
40%
| 8.8448
| 8.2602
| 8.0559
| 7.9518
| 7.8886
| 7.8463
| 7.7930
| 7.7608
| 7.7393
| 7.7239
| 7.7124
| 7.7034
| 7.6961
|
50%
| 7.0000
| 6.2450
| 5.9722
| 5.8310
| 5.7446
| 5.6862
| 5.6125
| 5.5678
| 5.5377
| 5.5162
| 5.5000
| 5.4874
| 5.4772
|
60%
| 5.8476
| 4.9188
| 4.5674
| 4.3812
| 4.2655
| 4.1867
| 4.0859
| 4.0243
| 3.9827
| 3.9526
| 3.9300
| 3.9123
| 3.8981
|
70%
| 5.1668
| 4.0861
| 3.6555
| 3.4200
| 3.2705
| 3.1669
| 3.0325
| 2.9489
| 2.8919
| 2.8504
| 2.8189
| 2.7941
| 2.7742
|
80%
| 4.7852
| 3.5914
| 3.0927
| 2.8103
| 2.6264
| 2.4963
| 2.3234
| 2.2132
| 2.1365
| 2.0801
| 2.0367
| 2.0023
| 1.9744
|
90%
| 4.5798
| 3.3128
| 2.7642
| 2.4442
| 2.2303
| 2.0755
| 1.8640
| 1.7246
| 1.6251
| 1.5501
| 1.4914
| 1.4441
| 1.4051
|
100%
| 4.4721
| 3.1623
| 2.5820
| 2.2361
| 2.0000
| 1.8257
| 1.5811
| , 1.4142
| 1.2910
| 1.1952
| 1.1180
| 1.0541
| 1.0000
|
表5等百分比流量特性控制阀，不同压降比时的倍率k（R=50）
S
| 0.05
| 0.10
| 0.15
| 0.2
| 0.25
| 0.3
| 0.4
| 0.5
| 0.6
| 0.7
| 0.8
| 0.9
| 1.0
|
10%
| 34.0920
| 33.9450
| 33.8959
| 33.8713
| 33.8565
| 33.8467
| 33.8343
| 33.8270
| 33.8220
| 33.8185
| 33.8159
| 33.8138
| 33.8122
|
20%
| 23.2770
| 23.0612
| 22.9888
| 22.9526
| 22.9308
| 22.9162
| 22.8980
| 22.8871
| 22.8798
| 22.8746
| 22.8707
| 22.8677
| 22.8653
|
30%
| 16.0651
| 15.7508
| 15.6446
| 15.5913
| 15.5592
| 15.5377
| 15.5109
| 15.4948
| 15.4840
| 15.4763
| 15.4706
| 15.4661
| 15.4625
|
40%
| 11.3286
| 10.8782
| 10.7239
| 10.6459
| 10.5989
| 10.5674
| 10.5279
| 10.5041
| 10.4882
| 10.4769
| 10.4683
| 10.4617
| 10.4564
|
50%
| 8.3066
| 7.6811
| 7.4610
| 7.3485
| 7.2801
| 7.2342
| 7.1764
| 7.1414
| 7.1181
| 7.1013
| 7.0887
| 7.0789
| 7.0711
|
60%
| 6.4703
| 5.6449
| 5.3415
| 5.1832
| 5.0858
| 5.0198
| 4.9361
| 4.8852
| 4.8510
| 4.8264
| 4.8078
| 4.7934
| 4.7818
|
70%
| 5.4274
| 4.4109
| 4.0154
| 3.8022
| 3.6683
| 3.5763
| 3.4578
| 3.3847
| 3.3351
| 3.2992
| 3.2721
| 3.2508
| 3.2336
|
80%
| 4.8767
| 3.7124
| 3.2324
| 2.9634
| 2.7896
| 2.6674
| 2.5063
| 2.4045
| 2.3342
| 2.2826
| 2.2432
| 2.2120
| 2.1867
|
90%
| 4.6029
| 3.3447
| 2.8024
| 2.4873
| 2.2774
| 2.1260
| 1.9201
| 1.7851
| 1.6892
| 1.6172
| 1.5610
| 1.5159
| 1.4788
|
100%
| 4.4721
| 3.1623
| 2.5820
| 2.2361
| 2.0000
| 1.8257
| 1.5811
| 1.4142
| 1.2910
| 1.1952
| 1.1180
| 1.0541
| 1.0000
|
需要指出，在上述估算法中，假设控制阀两端的压降不变，实际生产过程中，随控制阀开度的变化，控制阀两端的压降是变化的。流量系数随开度的增加而减小。
三、传统确定控制阀额定流量系数的方法 确定计算流量：根据工艺提供的设计条件，确定计算流量Q
max和Q
min。
确定计算压差：根据已选择的控制阀流量特性及系统特点，确定压降比s，并确定计算压差。
计算流量系数：按照工作情况判定介质性质及阻塞流情况，选择合适计算公式或图表，根据已经确定的计算流量和计算压差，计算出最大和最小流量时的Kv
max和Kv
min。根据阻塞流情况，必要时进行噪声预估计算。
选用控制阀额定流量系数：根据已求取的Kv
max，进行放大和圆整，在制造商提供的产品系列中，选用大于Kv
max并最接近的系列值，作为控制阀订货的额定流量系数Kv。
控制阀开度验算：一般要求最大计算流量时开度不大于90%，最小计算流量时开度不小于10%。
控制阀实际可调比的验算：一般要求实际可调比不小于10。
阀座直径和公称直径的确定：验算合格后，根据额定流量系数Kv确定。
传统估算方法中，放大倍率m可如表1所示确定。
表1 m计算值
| 开度
| 10%
| 20%
| 30%
| 40%
| 50%
| 60%
| 70%
| 80%
| 90%
|
| R=30
| 线性
| 7.69
| 4.41
| 3.09
| 2.38
| 1.94
| 1.63
| 1.41
| 1.24
| 1.11
|
| 等百分比
| 21.4
| 1.52
| 10.8
| 7.70
| 5.48
| 3.90
| 2.77
| 1.97
| 1.41
|
| 平方根
| 4.61
| 2.62
| 1.90
| 1.53
| 1.32
| 1.18
| 1.10
| 1.04
| 1.01
|
| 抛物线
| 14.3
| 8.35
| 5.46
| 3.85
| 2.86
| 2.21
| 1.76
| 1.43
| 1.18
|
| R=50
| 线性
| 8.47
| 4.63
| 3.18
| 2.43
| 1.96
| 1.64
| 1.42
| 1.24
| 1.11
|
| 等百分比
| 33.8
| 22.9
| 15.5
| 10.4
| 7.07
| 4.78
| 3.23
| 2.19
| 1.48
|
| 平方根
| 4.85
| 2.68
| 1.92
| 1.54
| 1.32
| 1.18
| 1.10
| 1.04
| 1.01
|
| 抛物线
| 19.4
| 10.2
| 6.28
| 4.25
| 3.07
| 2.32
| 1.81
| 1.46
| 1.20 |
文献
[1]给出了计算示例，说明了估算方法。但该计算方法在确定额定流量系数时，没有考虑压降比s的影响，实际开度计算也按s=1确定。由于传统估算方法要求压降比s在0.6~1之间，及数值向上圆整，因此，确定额定流量系数的传统方法对控制系统影响并不大。随着对节能的重视，由于控制阀是耗能元件，控制阀两端如果能够在小压降下运行有利于系统能量的充分利用，因此，工艺设计计算时已经将控制阀的压降比作为重要设计条件。例如，化工工艺设计手册
[2]已经明确指出控制阀压降比设计值为0.3。
当控制阀压降比s=0.5时，控制阀可调节的最大流量约是控制阀额定最大流量的70%，因此，在实际应用中确定控制阀额定流量系数的传统方法所选用控制阀在全开时不能满足工艺最大流量的控制要求。
四、计算机确定控制阀额定流量系数 为便于确定控制阀额定流量系数，用MATLAB语言编制了计算程序。图1是确定控制阀额定流量系数的显示画面。画面上部有5个可选项，分别用矩形框显示。其中，计算流量系数由用户直接键入计算流量系数值。其他四个矩形框是选择框，点击框右面的下拉式箭头，可从弹出的对话框，选择所需的数值。例如，固定可调比有30、50、200、300等选项。此外，考虑制造商产品系列中额定流量系数不一定与程序中数值一致，在下部“选用额定流量系数Kv”行设置了一个矩形框，用于输入制造商额定流量系数的系列值。当用计算机选用时，该矩形框内输入“NaN”。
当输入有关数据后，用鼠标左键点击“确认”键钮，在该输入画面可显示圆整前额定流量系数值，即计算流量系数与倍率之积、选用的额定流量系数及在该额定流量系数下，计算流量时的开度。显示画面还显示由于压降比造成的流量特性的畸变及实际开度数值。
可方便地对输入数据进行修改，只需在输入更改数据后，点击“确认”键钮，就可显示新的估算结果。
需要指出，压降比不仅对确定控制阀额定流量系数有影响，而且造成流量特性的畸变，但对流量特性的畸变可采用非线性补偿环节来克服
[5]，例如，采用智能电气
调节阀定位器，DCS中串接的非线性功能模块等。当采用非线性补偿环节进行补偿后，它不仅有利于控制系统的稳定运行，也对实际开度的计算有影响，不在此多述。
作者介绍
何衍庆 杨洁 王为国 王大方 （华东理工大学，上海，200237）
邱宣振 王秀娟 （中国石化集团上海工程有限公司，上海，200120）
参考文献 [1] 吴国熙.调节阀使用与维修. 北京：化学工业出版社. 1999
[2]上海工程有限公司. 化工工艺设计手册. 下册. 第3版. 北京：化学工业出版社. 2003
[3] 何衍庆,俞金寿, 蒋慰孙. 工业生产过程控制. 北京：化学工业出版社. 2004
[4] 何衍庆,邱宣振等. 控制阀工程设计、应用和维修. 北京：化学工业出版社. 2005
[5] 杨洁,王为国, 王大方等. 被控对象非线性特性的补偿. 石油化工自动化. V.5, P.30, 2005
