自控工程系统设计中控制阀的选型探讨

一、控制阀的工作原理
    要正确选型必须知道控制阀的工作原理，控制阀与孔板一样是一个局部阻力元件。控制阀的节流面积可以由阀芯的移动来改变，因此是一个可变的节流元件。因此可以把控制阀模拟成节流件孔板的形式。对于不可压缩流体，根据伯努利方程，控制阀的流量方程为：P₁/ρg+V₁²/2g=P₂/ρg+V₂²/2g；

     V₁，V₂—节流前后速度；P₁，P₂—节流前后压力；A—节流面积；Q—流量ζ—阻力系数；g—重力加速度；ρ—流体密度。
    当控制阀的口径一定时即控制阀两端压差（P₁-P₂）不变时，流量Q随阻力系数而变化。减少，Q增大。
二、控制阀选型的重要性
    调节阀在过程控制中的作用是接受调节器或计算机的控制信号，改变被调介质的流量，使被调参数维持在所要求的范围内，从而达到生产过程自动化。调节阀是自控系统中的执行器，它的应用质量直接反应在系统的调节品质上。作为过程控制中的终端元件，人们对它的重要性较过去有了更新的认识。调节阀应用的好坏，除产品自身质量、用户是否正确安装、使用、维护外，正确地计算、选型十分重要。由于计算选型的失误，造成系统开开停停，有的甚至无法投用，设计人员应该认识阀在现场的重要性，必须对调节阀的选型重视，至关重要。
三、控制阀选型的原则
    控制阀由执行机构和调节阀两部分组成，控制阀选型需遵循下面的原则：
    1、根据工艺条件，选择合适的结构形式和材料
    A、根据阀的阀体的结构形式可分为单座调节阀、双座调节阀、角阀、三通调节阀、偏心旋转阀、蝶阀、球阀、隔膜调节阀等。
    选择阀门之前，要对控制过程的介质、工艺条件和参数进行细心的分析，收集足够的数据，了解系统对调节阀的要求。可以从以下几个方面考虑
    1）阀芯的形状结构主要根据所选择的流量特性和不平衡力等因素考虑。
    2）耐磨损性，当流体介质是含有高浓度磨损性颗粒的悬浮液时，阀芯、阀座接合面每一次关闭都会受到严重摩擦。因此阀门流路要光滑、阀的内部材料要光滑。
    3）耐腐蚀，由于介质具有腐蚀性，在能满足调节功能的情况下，应尽量选择简单的阀门。
    4）介质的温度、压力，当介质的温度、压力高且变化大时，应选用阀芯和阀座的材料受温度、压力变化小的阀门。
    5）防止闪蒸和空化闪蒸和空化，只产生于液体介质。闪蒸和空化不仅影响流量系数的计算，还会形成振动和噪声，使阀门的使用的寿命变短。
    如：套筒调节阀与偏心旋转阀在振动和噪声较大的场合选用套筒阀合适，而介质有黏性或带有微小颗粒时，则选用偏心旋转阀较合适。
    B、材料的选择
    调节阀的各个零部件，特别是与工艺流体接触的阀体与阀内组件、材料的正确选择与调节阀的结构型式和公称通径的选择同样重要。选择调节阀材料必须考虑以下各个因素。
    1）流体的压力和温度对材料的影响。
    2）流体腐蚀性对材料的影响。
    3）流体的空化现象和泥浆流体对材料的影响。
    4）从结构上考虑，材料组配是否有问题。阀体材料的选择一般高于管道材料；
    a）在高温情况下，必须充分考虑高温强度、高温下的金相组织变化及耐腐蚀性问题。一般含有合金钢材料：铬、镍、钼等。
    b）高温高压下，钢受到氢气的浸蚀，一般会造成脱碳现象，引起脆化（常称氢脆）。钢中加入铬、镍、钼等元素后，它与碳元素结合，可提高钢的抗氢腐蚀性。
    c）在选低温材料时，要充分考虑低温冲击值，还要考虑材料在低温下出现韧性下降的问题。奥式不锈钢的低温机械性能比较稳定，经常采用。（304、316L）
    d）当流体是液体，特别是热水时，必须充分考虑材料的耐气蚀问题。特别是流体的温度大于100℃时，最好用铬钼钢。
    e）耐腐蚀材料一般有不锈钢、20#合金钢、哈式合金等。
    阀内组件材料一般用304、316等不锈钢，有时根据特殊情况进行硬化处理。
    常温、常压差不做硬化处理，但阀座要求精度高、泄露小，也应考虑硬化处理。
    方法有：热处理、堆焊硬化层、表面硬化处理等
    2、根据工艺对象的特点，选择控制阀的流量特性
    控制阀流量特性的选择，控制阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与位移（阀门的相对开度）间的关系，理想流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线和快开等4种，常用的理想流量特性只有直线、等百分比（对数）、快开三种。抛物线流量特性介于直线和等百分比之间，一般可用等百分比特性来代替，而快开特性主要用于二位调节及程序控制中，因此控制阀特性的选择实际上是直线和等百分比流量特性的选择。
    控制阀流量特性的选择可以通过理论计算，但所用的方法和方程都很复杂。选择的基本原则是；
    1）、线性流量特性
    a）、压差变化小，几乎恒定。
    b）、液位定值调节系统
    c）、主要干扰为给定值的流量、温度调节系统。
    整个系统的压力损失大部分分配在阀上（开度变化，阀上压差变化相对较小。大多数选用等百分比流量特性。
    2）等百分比流量特性
    a）、要求大的可调范围
    b）、管道系统压力损失大
    c）、开度变化、阀上压差变化相对较大
    d）、流量、压力、温度定值调节系统
    e）、主要干扰为给定值的压力调节系统。
    f）、各种调节系统。
    3、根据工艺操作参数，选择合适的控制阀口径尺寸
    控制阀口径的选择和确定主要依据阀的流通能力即C_v。在各种工程的仪表设计和选型时，都要对控制阀进行C_v计算，并提供控制阀设计说明书。从控制阀的C_v计算到阀的口径确定，一般需经以下步骤：
    1）计算流量的确定。现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，决定计算流量的Q_max和Q_min。
    2）阀前后压差的确定。根据已选择的阀流量特性及系统特点选定S（阻力系数），再确定计算压差。
    3）计算C_v。根据所调节的介质选择合适的计算公式和图表，求得C_max和C_min。
    液体：a）、C_v值计算公式为：C_v=1.17Q

    式中：Q=最大流量m³/h
    G=比重（水=1）
    P1=进口压力Kgf/cm²
    P2=出口压力Kgf/cm²
    上面的公式只适用于流体流动呈紊流状态，或雷诺数大的场合，流体接近层流或雷诺数小的场合，上述公式必须进行粘度修正。
    当饱和温度的热水或者接近饱和温度的热水，流经控制阀节流口压力会降低，控制阀出口处的水中可能会有水蒸气。在这流动条件下，液体流动的基本定律就不再是正确的。控制阀的CV值的计算就需要修正。在这种情况下，应按下列步骤进行：

    △T=在进口压力下的液体饱和温度与进口温度之差。
    △P_C=计算流量用的允许压差（Kgf/cm²）
    P_S=进口温度下液体的绝对饱和压力（Kgf/cm²abs）
    只有当公式2）或3）计算出△P_C的小于控制阀上的实际压差△P时，公式1）必须用△P_C代替△P；
    除水以外的其它液体，一般的计算办法是计算出闪蒸的比率，然后分别计算出液体和气体的C_v值，他们之和作为计算结果。闪蒸的比率：
    进口温度T₁下的热量（Kal/kg）；i₁出口压力P₂的饱和温度（T₂）下的热量（Kal/kg）；r²出口压力P₂的饱和温度（T₂）下的潜热（Kal/kg）
   
    b）、气体计算公式：气体在△P≥P₁/2状态时，气体的流速达到音速，流量会达到饱和状态。压差再增大，流量也不会增加了。因此分为两种情况讨论：
   
    Q：最大流量，比重（空气=1），T：流体温度（℃），P₁进口绝对压力（Kgf/cm²），P₂进口绝对压力（Kgf/cm²）；△P=P₁-P₂
    c）、水蒸汽计算公式

   △P<P₁/2和△P≥P₁/2，
   
    P₁进口绝对压力（Kgf/cm²），P₂进口绝对压力（Kgf/cm²）；△P=P₁-P₂

    最大流量（kg/hr）

    d）、其它水蒸汽的计算公式：

   
    W：最大流量（Kg/hr）
    V₁：在进口压力P₁下蒸汽比容（cm³/gr at P₁）
    V₂：在出口压力P₂下蒸汽比容（cm³/gr at P₂）
    P₁：进口绝对压力（Kgf/cm²）
    P₂：进口绝对压力（Kgf/cm²）；△P=P₁-P₂
    4）选用C_v。
    计算出最大流量、正常流量、最小流量对应的流量系数C_max、C_nor，C_min后，根据已确定的控制阀的选型，在该系列中控制阀的流量系数中不小于最接近于此C_max值的一个，作为最终选定的流量系数C₁₀₀。
    5）控制阀开度验算。一般要求最大计算流量时的开度≯90%，正常流量的开度在50～80%范围内工作。最小计算流量时的开度≮10%。
    6）控制阀实际可调比的验算。一般要求实际可调比≮10。阀的最小C_v值应在固有的可调范围之内，实际上大多数控制阀控制流体时，开度变化、阀上压差也相应变化。开度与流量之间的固有流量特性变成了实际的流量特性，可调范围也变小了。如果要使阀在更小的开度范围内工作，应选择可调范围大的控制阀。
    7）阀座直径和公称直径的确定。如果验证合适后，根据C_max确定最终的控制阀的口径。
    4、根据工艺过程的要求，选择所需要的辅助装置
    在生产过程中，控制系统对阀门提出各式各样的特殊要求，因此，控制阀必须配用各种附属装置（简称附件）来满足生产过程的需要。控制阀的附件包括：
    A、阀门定位器
    1）阀门定位器用于改善控制阀调节性能的工作特性，实现正确定位。
    2）用于克服摩擦力或需要提高控制阀动作速度的长度。
    3）分程控制和控制阀需要改变气开、气关的场合。
    4）调节器比例带较宽而又要求控制阀对小信号有响应的场合。
    5）采用无弹簧的执行机构（如偏心旋转调节阀）
    6）大口径控制阀。
    7）高压差场合。
    B、阀位开关显示阀门的上下限行程的工作位置
    如果要显示阀芯的终端位置全开或全闭，通常要在阀门的上端或下端安装一个或两个行程开关。3.4.3保持阀门处于气源发生故障前的开度位置气动保位阀当控制阀的气源发生故障时，保持阀门处于气源发生故障前的开度位置，待故障消除后，又能自动恢复正常工作。
    C、电磁阀实现气路的电磁切换，保证阀门在电源故障时阀门处于所希望的安全开度位置
    D、手轮机构当控制系统的控制器发生故障时，可切换到手动方式操作阀门
    1）未设置旁路的控制阀，一般选配手轮机构。
    2）控制阀的使用过程中，要求开度限制在某个范围之内，可选用手轮机构来限制阀的开度。
    3）在某些调节系统中，如低压、常温、无腐蚀、无粘结干净介质、大口径及贵重金属管路等，可使用手轮代替旁路阀。
    但是在安全联所用的紧急切断阀或安装在今之人进入的危险区内的控制阀，不得设置手轮机构。
    E、气动继动器使执行机构的动作加速，减少传输时间
    F、空气过滤减压器用于净化气源、调节气压
    G、将控制阀动作到故障安全位置
    储气罐保证当气源故障时，使无弹簧的气缸工活塞执行机构能够将控制阀动作到故障安全位置。其大小取决于气缸的大小、阀门动作时间的要求及阀门的工作条件等。总之，附件的作用就在于使控制阀的功能更完善、更合理、更齐全。当控制阀的附件（阀门定位器、电气转换器、电磁阀极限位开关等）用于防爆场合时，其防爆等级应符合有关的防爆规范和规定。
    5、合理选择执控制阀的作用方式选择
    控制阀的作用方式只是在选用气动执行机构时才有，其作用方式通过执行机构正反作用和阀门的正反作用组合形成。组合形式有4种，具体见表1：


    通过这四种组合形成的控制阀作用方式有气开和气关两种。对于控制阀作用方式的选择，主要从三方面考虑：a）工艺生产安全；b）介质的特性；c）保证产品质量，经济损失最小。
    6、控制阀执行机构的选择
    1）输出力的考虑，执行机构不论是何种类型，其输出力都是用于克服负荷的有效力（主要是指不平衡力和不平衡力矩加上摩擦力、密封力、重力等有关力的作用）。因此，为了使控制阀正常工作，配用的执行机构要能产生足够的输出力来克服各种阻力，保证高度密封和阀门的开启。
    2）对于双作用的气动、液动、电动执行机构，一般都没有复位弹簧。作用力的大小与它的运行方向无关，因此，选择执行机构的关键在于弄清最大的输出力和电机的转动力矩。
    3）对于单作用的气动执行机构，输出力与阀门的开度有关，控制阀上的出现的力也将影响运动特性，因此要求在整个控制阀的开度范围建立力平衡。
    执行机构类型的确定，对执行机构输出力确定后，根据工艺使用环境要求，选择相应的执行机构。对于现场有防爆要求时，应选用气动执行机构，且接线盒为防爆型，不能选择电动执行机构；如果没有防爆要求，则气动、电动执行机构都可选用，但从节能方面考虑，应尽量选用电动执行机构。对于液动执行机构，其使用不如气动、电动执行机构广泛，但具有调节精度高、动作速度快和平稳的特点，因此，在某些情况下，为了达到较好调节效果，必须选用液动执行机构，如发电厂透明机的速度调节、炼油厂的催化装置反应器的温度调节控制等。
    对控制行程时间的要求：所选用的控制阀执行机构应能满面足阀门行程和工艺对泄露量等级的要求。在某些场合，如选用压力控制阀（包括放空阀），应考虑实际可能的压差进行适当的放大，即要求执行机构能提供较大的作用力。否则，可能当工艺上出现异常情况时，控制阀前后的实际压差较大，会发生关不上或打不开的危险。
四、结论
    控制阀的选型是非常细致的工作，不仅要有扎实的专业理论知识，还要有丰富实践经验。选得好不仅有利于调节控制回路PID参数的整定，使被调参数得到较好地控制效果，也使控制阀的使用寿命大大增长。控制阀的选择要因地制宜，并非一成不变，要在实践的过程中不断总结和创新，特别随着机电一体化技术、计算机和数字信息技术的应用，控制阀的结构功能变得更好、更全面，为选择控制阀提供了更大的方便。

参考资料
  陆德民，张振基，黄步余。石油化工自动控制设计手册。第三版。化学工业出版社，208-244。
  乐嘉谦。仪表工手册。第二版。化学工业出版社，373-380。

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