控制閥特性及選擇方法

調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器，用于完成對(duì)受控對(duì)象流量的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥的正確選擇是調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制質(zhì)量的保證。詳細(xì)介紹了控制閥的組成分類和流量特性，給出了控制閥的選擇方法和應(yīng)注意的問(wèn)題。 0？前言調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器。它是自動(dòng)控制的終端主控制元件，直接控制被測(cè)介質(zhì)的輸送。調(diào)節(jié)閥由致動(dòng)器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。它接收來(lái)自調(diào)節(jié)器或計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)，并用于更改受控介質(zhì)的流量，以將調(diào)節(jié)后的參數(shù)保持在所需范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制的自動(dòng)化。在自動(dòng)控制領(lǐng)域，控制過(guò)程是否穩(wěn)定直接取決于調(diào)節(jié)閥能否準(zhǔn)確動(dòng)作，因此過(guò)程控制反映在物料能量和流量的變化上。因此，應(yīng)根據(jù)不同需求選擇不同的控制閥。選擇合適的調(diào)節(jié)閥是管道設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題，也是確保調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。 1？選型調(diào)節(jié)閥一般由執(zhí)行器和閥門組成。調(diào)節(jié)閥是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。它會(huì)根據(jù)控制信號(hào)的要求更改閥門開(kāi)度的大小以調(diào)節(jié)流量。它是節(jié)流元件，其局部電阻可以改變。調(diào)節(jié)閥主要由上下閥蓋，閥體，閥芯，閥座，填料和壓板組成。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，閥門的主要調(diào)節(jié)介質(zhì)是水和蒸汽。在壓力較低且單次使用的情況下，常用的調(diào)節(jié)閥為直通調(diào)節(jié)閥，三通調(diào)節(jié)閥和蝶形閥。根據(jù)使用的能量類型，可將執(zhí)行器分為氣動(dòng)，電動(dòng)和液壓兩種類型，即以壓縮空氣為動(dòng)力的氣動(dòng)調(diào)節(jié)，以電為動(dòng)力的電動(dòng)調(diào)節(jié)以及由液體介質(zhì)驅(qū)動(dòng)的壓力（例如如油）液壓調(diào)節(jié)。其中，氣動(dòng)執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，維修方便，防火防爆等優(yōu)點(diǎn)，并廣泛用于許多控制系統(tǒng)中。雖然電動(dòng)執(zhí)行器不利于防火防爆，但其驅(qū)動(dòng)電源方便可取，信號(hào)傳輸速度快，便于長(zhǎng)距離傳輸，體積小，動(dòng)作可靠，維護(hù)方便，價(jià)格便宜。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力大，調(diào)節(jié)精度高，動(dòng)作速度快，穩(wěn)定，但設(shè)備大，工藝復(fù)雜。 （1）調(diào)節(jié)閥類型的選擇調(diào)節(jié)閥體類型的選擇是調(diào)節(jié)閥選擇中最重要的環(huán)節(jié)。在選擇閥之前，必須仔細(xì)分析控制過(guò)程的介質(zhì)，過(guò)程條件和參數(shù)，以了解系統(tǒng)對(duì)控制閥的要求，并應(yīng)根據(jù)收集的數(shù)據(jù)確定要使用的閥的類型。在具體的選擇中，可以考慮以下幾個(gè)方面：①閥芯的形狀結(jié)構(gòu)？主要根據(jù)所選的流動(dòng)特性和不平衡力等因素，②耐磨性？當(dāng)流體介質(zhì)中含有高濃度的磨料顆粒時(shí)，當(dāng)懸架接觸時(shí)，閥芯和閥座接頭表面每次關(guān)閉時(shí)都會(huì)承受劇烈的摩擦。因此，閥門的流路應(yīng)平整，閥門的內(nèi)部材料應(yīng)堅(jiān)硬，③耐腐蝕性能？因?yàn)榻橘|(zhì)是腐蝕性的，所以只要能夠滿足調(diào)節(jié)功能，就應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的閥門④介質(zhì)的溫度，壓力？當(dāng)介質(zhì)溫度和壓力較高且變化較大時(shí)，閥芯的閥和閥座材料應(yīng)選擇溫度和壓力變化很小的情況。 ⑤防止閃光和氣蝕？閃蒸和空化僅發(fā)生在液體介質(zhì)中。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，閃蒸和氣蝕現(xiàn)象不僅影響流量系數(shù)的計(jì)算，而且還會(huì)形成振動(dòng)和噪聲，從而縮短了閥門的使用壽命。因此，在選擇閥門時(shí)，應(yīng)防止閥門閃蒸和氣蝕。 （2）調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇①考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力嗎？無(wú)論哪種類型的執(zhí)行器，輸出力都是克服載荷的有效力（主要是不平衡力和不平衡扭矩，摩擦力，密封力，重力和其他相關(guān)力）。因此，為了使調(diào)節(jié)閥正常工作，匹配的致動(dòng)器必須能夠產(chǎn)生足夠的輸出力以克服各種阻力，并確保高度的密封和閥的打開(kāi)。 ②考慮執(zhí)行器的使用環(huán)境要求嗎？確定執(zhí)行器的輸出功率后，根據(jù)過(guò)程環(huán)境要求選擇相應(yīng)的執(zhí)行器。例如，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有防爆要求時(shí)，應(yīng)使用氣動(dòng)執(zhí)行器，接線盒必須防爆，并且不能選擇電動(dòng)執(zhí)行器。如果沒(méi)有防爆要求，可以同時(shí)使用氣動(dòng)和電動(dòng)執(zhí)行器，但是從節(jié)能的角度來(lái)看，應(yīng)盡可能選擇電動(dòng)執(zhí)行器。對(duì)于液壓執(zhí)行器，雖然沒(méi)有像氣動(dòng)和電動(dòng)執(zhí)行器那樣廣泛使用，但它具有調(diào)節(jié)精度高，運(yùn)動(dòng)快，平滑的特點(diǎn)，因此在特殊情況下，也將使用它來(lái)達(dá)到更好的調(diào)節(jié)效果。最后，必須考慮執(zhí)行器的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，選擇運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，重量輕，外形美觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)的執(zhí)行器。 2？流動(dòng)特性分析2.1工作原理根據(jù)流體力學(xué)，調(diào)節(jié)閥是節(jié)流元件，其局部阻力可以改變。對(duì)于不可壓縮流體，調(diào)節(jié)閥的流量公式如下：p1——調(diào)節(jié)閥前的壓力，p2——調(diào)節(jié)閥后的壓力，A ————節(jié)流閥截面積，ξ- -調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)ρ-流體密度。從等式（1）可知，當(dāng)A為常數(shù)且Δp= p1-p2也為常數(shù)時(shí)，通過(guò)閥門的流量Q隨電阻系數(shù)ξ的變化而變化，即，電阻系數(shù)ξ越大，則系數(shù)越小流量。電阻系數(shù)ξ與閥門的結(jié)構(gòu)和開(kāi)度有關(guān)。因此，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)控制閥的打開(kāi)或關(guān)閉，這可以改變閥的阻力系數(shù)，從而改變被調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量。 2.2流量特性分析調(diào)節(jié)閥的流量特性是指流過(guò)調(diào)節(jié)閥的被調(diào)節(jié)介質(zhì)的相對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系。調(diào)節(jié)閥的流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指調(diào)節(jié)閥的前后壓力差固定時(shí)的流量特性。具有四個(gè)特征：直線，相等的百分比，拋物線和快速打開(kāi)，如表1所示。在實(shí)際系統(tǒng)中，閥門兩側(cè)的壓降不是恒定的，其變化主要有兩個(gè)原因：①由于泵的特性，當(dāng)系統(tǒng)流量減少時(shí)，由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加；②當(dāng)流量減少時(shí)，線圈上的電阻也減小，從而導(dǎo)致閥上的泵壓力更大。因此，調(diào)節(jié)閥前后的壓力差通常會(huì)變化。在這種情況下，相對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系稱為工作流量特性。具體地，可以分為串聯(lián)管道的工作流特性和并聯(lián)管道的工作流特性。表格1？四個(gè)理想的流動(dòng)特性調(diào)節(jié)閥的原理流量特性特性線性調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度呈線性關(guān)系，即由單位相對(duì)行程變化引起的相對(duì)流量變化為常數(shù)。 （1）開(kāi)口小時(shí)，流量變化大；開(kāi)口大時(shí)，流量變化小。 （2）當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，調(diào)節(jié)性能太敏感而不能振動(dòng)。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，調(diào)整緩慢且不及時(shí)。區(qū)別。由相對(duì)沖程的等百分比單位變化引起的相對(duì)流量變化與此時(shí)的相對(duì)流量成正比。 （1）單位行程變化引起的流量變化百分比相等，（2）在全行程范圍內(nèi)工作相對(duì)穩(wěn)定，特別是當(dāng)開(kāi)度大時(shí)，放大率也大，工作量更大靈敏有效；（3）廣泛使用，適應(yīng)性強(qiáng)。拋物線特性介于直線特性和等百分比特性之間，經(jīng)常被等百分比特性代替。 ？ （1）特性在直線和等百分比特性之間；（2）調(diào)節(jié)性能理想，但閥芯加工困難?？焖俅蜷_(kāi)當(dāng)閥門行程較小時(shí)，流量將相對(duì)增加并迅速達(dá)到。 （1）開(kāi)孔小時(shí)流量大。隨著沖程的增加，流速迅速達(dá)到。 （2）通常用于雙位置調(diào)節(jié)和程序控制。 （1）串聯(lián)連接管路時(shí)的工作流量特性串聯(lián)調(diào)節(jié)管路時(shí)，控制閥的開(kāi)度變化會(huì)引起流量變化。從流體力學(xué)理論來(lái)看，管道的阻力損失與流量呈平方關(guān)系。流量會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)阻力也會(huì)隨之發(fā)生變化，因此調(diào)節(jié)閥的壓降也將發(fā)生變化。串聯(lián)連接管道時(shí)的工作流量特性與壓降分布比有關(guān)。閥上的壓降越小，調(diào)節(jié)閥的全開(kāi)流量就相應(yīng)減少，從而使理想的直線特性失真成速開(kāi)特性，而理想的等百分比特性失真成線性特征。在實(shí)際使用中，當(dāng)選擇的控制閥過(guò)大或產(chǎn)品處于非滿負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，控制閥的工作口較小。有時(shí)為了使控制閥具有一定的開(kāi)度，關(guān)閉閥以增加管道的阻力。實(shí)際上，為了減少通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量，減小了壓降分配比，使流量特性失真，并且調(diào)節(jié)質(zhì)量變差。 （2）并聯(lián)管道的工作流量特性并聯(lián)管道一般由閥分支和旁通管分支組成，調(diào)節(jié)閥安裝在閥分支管上。調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管道上。當(dāng)系統(tǒng)阻力恒定時(shí)，隨著平行管道的旁通閥逐漸打開(kāi)，調(diào)節(jié)閥的全開(kāi)流量與主管的流量之比減小。此時(shí)，盡管調(diào)節(jié)閥本身的流量特性沒(méi)有改變，但系統(tǒng)的可調(diào)范圍已大大減小，調(diào)節(jié)閥在工作過(guò)程中可控制的流量的可變范圍也已大大減小。降低，甚至沒(méi)有調(diào)整效果。為了使調(diào)節(jié)閥具有更好的調(diào)節(jié)性能，通常認(rèn)為旁路流量最多不應(yīng)超過(guò)總流量的20％。 3？流動(dòng)特性的選擇流動(dòng)特性的選擇方法：①通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的分析方法，②在實(shí)際工程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)方法。由于分析方法復(fù)雜且耗時(shí)，因此在一般工程中使用經(jīng)驗(yàn)方法。具體而言，應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：（1）考慮自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，根據(jù)自動(dòng)控制原理中的特性補(bǔ)償原理，以保持良好的性能。為了調(diào)整系統(tǒng)的質(zhì)量，希望開(kāi)環(huán)總放大因子與每個(gè)鏈路放大因子的乘積保持恒定。這樣，可以正確選擇閥門的特性，并利用閥門放大倍數(shù)的變化來(lái)補(bǔ)償物體的放大倍數(shù)的變化，從而可以保持系統(tǒng)的總放大倍數(shù)。不變。 （2）根據(jù)管路系統(tǒng)的壓降變化選擇控制閥的壓降比。定義為與控制閥能夠控制的流量相對(duì)應(yīng)的閥前后的壓差Δp1m與系統(tǒng)壓差Δp之比?？刂崎y的流量特性與壓降比S有著密切的關(guān)系，如表2所示。表2-根據(jù)管道系統(tǒng)的壓降選擇控制閥的特性。管路系統(tǒng)S1-0.60.6-0.30.3-0的壓力下降率實(shí)際工作流量特性直線等百分比直線等百分比調(diào)整不適用于所選的流量特性直線等百分比直線等百分比（3 ）從負(fù)荷變化的情況來(lái)看，線性閥的流量變化小，開(kāi)度大，調(diào)整過(guò)于敏感，容易發(fā)生振蕩。在較大的開(kāi)口處，調(diào)節(jié)效果較弱，導(dǎo)致調(diào)節(jié)不及時(shí)和不靈敏。因此，在壓降小于S且負(fù)載變化很大的應(yīng)用中，不應(yīng)使用線性閥。等百分比閥接近關(guān)閉時(shí)工作平穩(wěn)，接近完全打開(kāi)時(shí)放大系數(shù)大，工作靈敏有效。因此，適合負(fù)載變化范圍大的場(chǎng)合。行程較小時(shí)，快開(kāi)特性閥的流量較大。隨著沖程的增加，流速很快達(dá)到。通常用于雙位置調(diào)節(jié)和程序控制的情況。 （4）根據(jù)調(diào)整對(duì)象的特性進(jìn)行選擇。通常，所有具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對(duì)象都可以選擇等百分比流量調(diào)節(jié)閥，而沒(méi)有自平衡能力的調(diào)節(jié)對(duì)象則可以選擇線性流量特性調(diào)節(jié)閥。 4？調(diào)節(jié)閥口徑的選擇選擇調(diào)節(jié)閥口徑的目的是將閥門和管路結(jié)合起來(lái)，以產(chǎn)生合理的組合線性特性，從而可以有效地控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。根據(jù)過(guò)程所需的流量確定調(diào)節(jié)閥的直徑，然后根據(jù)提供的過(guò)程條件，然后根據(jù)其流量計(jì)算調(diào)節(jié)閥的流量