調(diào)節(jié)閥的工作原理與選型

1 概述

    在自動控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥 是其常用的執(zhí)行器?？刂七^程是否平穩(wěn)取決于調(diào)節(jié)閥能否準(zhǔn)確動作，使過程控制體現(xiàn)為物料能量和流量的變化。所以，要根據(jù)不同的需要選擇不同的調(diào)節(jié)閥。選擇恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)閥是管路設(shè)計(jì)的主要問題，也是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。

2 調(diào)節(jié)閥的組成

    調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，接受調(diào)節(jié)器或計(jì)算機(jī)的控制信號，用來改變被控介質(zhì)的流量，使被調(diào)參數(shù)維持在所要求的范圍內(nèi)，從而達(dá)到過程控制的自動化。

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

    執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照驅(qū)動形式分為氣動、電動和液動3種。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，性能穩(wěn)定，價(jià)格低，維護(hù)方便，防火防爆等優(yōu)點(diǎn)，在許多控制系統(tǒng)中獲得了廣泛地應(yīng)用。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)雖然不利于防火防爆，但其驅(qū)動電源方便可取，且信號傳輸速度快，便于遠(yuǎn)距離傳輸，體積小，動作可靠，維修方便，價(jià)格便宜。液動執(zhí)行器的推力zui大，調(diào)節(jié)精度高，動作速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，但由于設(shè)備體積大，工藝復(fù)雜，所以目前使用不多。

    執(zhí)行機(jī)構(gòu)不論是何種類型，其輸出力都是用于克服負(fù)荷的有效力（主要是指不平衡力和不平衡力矩、摩擦力、密封力及重力等有關(guān)力的作用）。因此，為了使調(diào)節(jié)閥正常工作，配用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能產(chǎn)生足夠的輸出力來克服各種阻力，保證高度密封和閥門 的開啟。對執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力確定后。應(yīng)根據(jù)工藝使用環(huán)境要求，選擇相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如，對于現(xiàn)場有防爆要求時(shí)，應(yīng)選用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，且接線盒為防爆型。如果沒有防爆要求，則氣動或電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)都可選用，但從節(jié)能方面考慮，應(yīng)盡量選用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對于要求調(diào)節(jié)精度高，動作速度快和運(yùn)行平穩(wěn)的工況，應(yīng)選用液動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    綜合各類執(zhí)行器的特點(diǎn)，自動控制系統(tǒng)普遍采用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如結(jié)構(gòu)簡單、體積小的 ZAZ 直行程類及 ZAJ 角行程類，3610L（R） 型電子式及SKD型多轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)盡管在結(jié)構(gòu)上不*相同，但基本結(jié)構(gòu)都包括放大器、可逆電機(jī)、減速裝置、推力機(jī)構(gòu)、機(jī)械限位組件、彈性聯(lián)軸器和位置反饋等部件（圖 1）。

圖1 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方框圖

    電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般需要與伺服放大器配套，接受調(diào)節(jié)器的信號，該信號經(jīng)過伺服放大器放大后轉(zhuǎn)換為三位繼電信號，控制可逆電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，帶動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使閥開啟或關(guān)閉。

2.2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

    調(diào)節(jié)閥門是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，它根據(jù)控制信號的要求而改變閥門開度的大小來調(diào)節(jié)流量，是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。調(diào)節(jié)閥門主要由上下閥蓋、閥體、閥瓣、閥座、填料及壓板等部件組成。在自動控制系統(tǒng)中，閥門主要的調(diào)節(jié)介質(zhì)為水和蒸汽等。在壓力比較低，使用情況單一的情況下，常用的調(diào)節(jié)閥有直通調(diào)節(jié)閥、三通調(diào)節(jié)閥和蝶閥等。

    直通閥有直通單座閥 和雙座閥 之分。單座閥結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，關(guān)閉時(shí)泄漏量小，但由于閥座前后存在的壓差對閥瓣產(chǎn)生的不平衡力較大，所以適用于低壓差的場合，例如供水管或回水管中。雙座閥有兩個(gè)閥瓣閥座，在其關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)閥瓣的受力可部分抵消，閥瓣所受的不平衡力小，但是由于熱脹冷縮效應(yīng)，其同時(shí)關(guān)閉性較差，造價(jià)也較高，只適用于閥前后壓差較高但密閉要求不高的場合，例如供水或回水之間的壓差旁通閥。

    三通閥有三個(gè)出入口與管道相連，總進(jìn)水量較恒定，適用于定水量系統(tǒng)中，并要求有固定的安裝方向，不宜反裝，不適于溫差較大場合。三通調(diào)節(jié)閥有合流閥與分流閥之分。合流閥是將來自兩個(gè)入口的流體混合至一個(gè)出口。分流閥則是將一個(gè)入口的流體分別由兩個(gè)口送出。

    蝶閥結(jié)構(gòu)較簡單，由閥體、蝶板軸及軸封等部分組成，其行程為 0°~90°。蝶閥有兩位式控制和比例控制 2 種方式。蝶閥的特點(diǎn)是阻力損失小，體積小，質(zhì)量輕，安裝方便，并且開啟閥門和關(guān)閉閥門的允許壓差較大，但其調(diào)節(jié)性能和關(guān)閥密閉性能較差，通常用于壓差較大但調(diào)節(jié)性能要求不高的場所。除用作兩通閥外，還可以用兩個(gè)蝶閥組合，完成三通閥的功能。在自動控制系統(tǒng)中，開/關(guān)型電動蝶閥常用于冷水和熱水系統(tǒng)中，作為水路的連通和關(guān)斷控制。

3 性能

3.1 工作原理

    根據(jù)流體力學(xué)可知，調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對不可壓縮流體，調(diào)節(jié)閥的流量可表示為：

式中：Q–調(diào)節(jié)閥某一開度的流量，mm3/s
P1–調(diào)節(jié)閥進(jìn)口壓力，MPa
P2–調(diào)節(jié)閥出口壓力，MPa
A–節(jié)流截面積，mm2
ξ–調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)
ρ–流體密度，kg/mm3

由式（1）可知，當(dāng) A 一定，ΔP=P1-P2 也恒定時(shí)，通過閥的流量 Q 隨阻力系數(shù) ξ 變化，即阻力系數(shù) ξ 愈大，流量愈小。而阻力系數(shù) ξ 則與閥的結(jié)構(gòu)和開度有關(guān)。所以調(diào)節(jié)器輸出信號控制閥門的開或關(guān)，可改變閥的阻力系數(shù)，從而改變被調(diào)介質(zhì)的流量。

3.2 流量特性

    調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過調(diào)節(jié)閥的相對流量與調(diào)節(jié)閥的相對開度之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Qmax–調(diào)節(jié)閥全開時(shí)流量，mm3/s
L—-調(diào)節(jié)閥某一開度的行程，mm
Lmax–調(diào)節(jié)閥全開時(shí)行程，mm

    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。理想流量特性是指在調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓差固定不變情況下的流量特性，有直線、等百分比、拋物線及快開 4 種特性（表1）。

    在實(shí)際系統(tǒng)中，閥門兩側(cè)的壓力降并不是恒定的，使其發(fā)生變化的原因主要有兩個(gè)方面。一方面，由于泵的特性，當(dāng)系統(tǒng)流量減小時(shí)由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加。另一方面，當(dāng)流量減小時(shí)，盤管上的阻力也減小，導(dǎo)致較大的泵壓加于閥門。因此調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口的壓差通常是變化的，在這種情況下，調(diào)節(jié)閥相對流量與相對開度之間的關(guān)系。稱為工作流量特性。具體可分為串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性和并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性。

（1）串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性

    調(diào)節(jié)閥與管道串聯(lián)時(shí)，因調(diào)節(jié)閥開度的變化會引起流量的變化，由流體力學(xué)理論可知，管道的阻力損失與流量成平方關(guān)系。調(diào)節(jié)閥一旦動作，流量則改變，系統(tǒng)阻力也相應(yīng)改變，因此調(diào)節(jié)閥壓降也相應(yīng)變化。串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性與壓降分配比有關(guān)。閥上壓降越小，調(diào)節(jié)閥全開流量相應(yīng)減小，使理想的直線特性畸變?yōu)榭扉_特性，理想的等百分比特性畸變?yōu)橹本€特性。在實(shí)際使用中，當(dāng)調(diào)節(jié)閥選得過大或生產(chǎn)處于非滿負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)閥則工作在小開度，有時(shí)為了使調(diào)節(jié)閥有一定的開度，而將閥門開度調(diào)小以增加管道阻力，使流過調(diào)節(jié)閥的流量降低，實(shí)際上就是使壓降分配比值下降，使流量特性畸變，惡化了調(diào)節(jié)質(zhì)量。

（2）并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性

    調(diào)節(jié)閥與管道并聯(lián)時(shí)，一般由閥支路和旁通管支路組成，調(diào)節(jié)閥安裝在閥支路管路上。調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管道上，在系統(tǒng)阻力一定時(shí)，調(diào)節(jié)閥全開流量與總管zui大流量之比隨著并聯(lián)管道的旁路閥逐步打開而減少。此時(shí)，盡管調(diào)節(jié)閥本身的流量特性無變化，但系統(tǒng)的可調(diào)范圍大大縮小，調(diào)節(jié)閥在工作過程中所能控制的流量變化范圍也大大減小，甚至起不到調(diào)節(jié)作用。要使調(diào)節(jié)閥有較好的調(diào)節(jié)性能，一般認(rèn)為旁路流量zui多不超過總流量的 20%。

4 調(diào)節(jié)閥的選擇

4.1 流量特性選擇

    流量特性的選擇方法有兩種，一種是通過數(shù)學(xué)計(jì)算的分析法，另一種是在實(shí)際工程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)法。由于分析法既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)，所以一般工程上都采用經(jīng)驗(yàn)法。具體來說，應(yīng)該從調(diào)節(jié)質(zhì)量、工況條件、負(fù)荷及特性幾個(gè)方面考慮。

（1）根據(jù)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量

    根據(jù)自動控制原理中的特性補(bǔ)償原理，為了使系統(tǒng)保持良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量，希望開環(huán)總放大系數(shù)與各環(huán)節(jié)放大系數(shù)之積保持常數(shù)。這樣，適當(dāng)選擇閥的特性，以閥的放大系數(shù)變化來補(bǔ)償對象放大系數(shù)的變化，從而使系統(tǒng)的總放大系數(shù)保持不變。

（2）根據(jù)管道系統(tǒng)壓降變化情況

    調(diào)節(jié)閥的壓降比 S 定義為該調(diào)節(jié)閥可控制的zui大流量所對應(yīng)閥門進(jìn)出口差壓 ΔP1m 和系統(tǒng)差壓 ΔP 之比：

調(diào)節(jié)閥流量特性與壓降比S有密切的關(guān)系（表2）。

（3）根據(jù)負(fù)荷變化

直線閥在小開度時(shí)流量變化大，調(diào)節(jié)過于靈敏，易振蕩。在大開度時(shí)，調(diào)節(jié)作用又顯得微弱，造成調(diào)節(jié)不及時(shí)，不靈敏。因此在壓降比S較小，負(fù)荷變化大的場合不宜采用直線閥。等百分比閥在接近關(guān)閉時(shí)工作緩和平穩(wěn)，而接近全開狀態(tài)時(shí)，放大系數(shù)大，工作靈敏有效，因此它適用于負(fù)荷變化幅度大的場合。快開特性閥在行程較小時(shí)，流量就較大，隨著行程的增大，流量很快達(dá)到zui大，它一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制的場合。

（4）根據(jù)調(diào)節(jié)對象的特性

    一般有自平衡能力的調(diào)節(jié)對象都可選擇等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，不具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對象則選擇直線流量特性的調(diào)節(jié)閥。

4.2 口徑選擇

    調(diào)節(jié)閥口徑是根據(jù)工藝要求的流通能力確定的，要根據(jù)提供的工藝條件計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的流通能力，再依據(jù)其流通能力選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。流通能力是指當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開，閥兩端壓差為 9.81×104Pa，流體的密度為 1g/cm3 時(shí)，每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量值，該值以 m3/h 或 kg/h 為單位。調(diào)節(jié)閥的流通能力是合理選擇閥門及閥門口徑的一個(gè)重要參數(shù)，通過對調(diào)節(jié)閥流通能力的計(jì)算，對比廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定閥門口徑的大小。對于自動控制系統(tǒng)來說，水是流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的常見的介質(zhì)之一，所以以水為例介紹調(diào)節(jié)閥的流通能力 C：

    實(shí)際工程中，閥門口徑是分級的，C 值通常也不是連續(xù)值（公式計(jì)算的 C 值是連續(xù)的）。不同廠商的同類型產(chǎn)品有不同的 C 值與口徑對應(yīng)表。在計(jì)算出期望的 C 值后，就可以查閱生產(chǎn)商的相應(yīng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表來決定所需的閥門口徑。選取閥門口徑的原則應(yīng)盡可能接近或大于計(jì)算結(jié)果，不應(yīng)小于計(jì)算結(jié)果。

4.3 選用注意事項(xiàng)

   （1）調(diào)節(jié)閥直接按照接管管徑選取是不合理的。閥門的調(diào)節(jié)品質(zhì)與接管流速或管徑?jīng)]有關(guān)系，閥門的調(diào)節(jié)品質(zhì)僅與水的阻力及流量有關(guān)。亦即一旦系統(tǒng)設(shè)備確定之后，理論上適合該系統(tǒng)的閥門只有一種理想的口徑，而不會出現(xiàn)多種選擇。

   （2）調(diào)節(jié)閥口徑不能過小。選擇的閥門口徑過小，一方面會增加系統(tǒng)的阻力，甚至?xí)霈F(xiàn)閥門口徑  開啟時(shí)，系統(tǒng)仍無法達(dá)到設(shè)定的容量要求，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。另一方面閥門將需要通過系統(tǒng)提供較大的壓差以維持足夠的流量，加重泵的負(fù)荷，閥門易受損害，對閥門的壽命影響很大。

   （3）調(diào)節(jié)閥口徑不能過大。選擇的閥門口徑過大，不僅增加工程成本，而且還會引起閥門經(jīng)常運(yùn)行在低百分比范圍內(nèi)，引起調(diào)節(jié)精度降低，使控制性能變差，而且易使系統(tǒng)受沖擊和振蕩。

   （4）為了保證系統(tǒng)控制品質(zhì)，的方法是在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)選擇能獲得較大壓力降的閥門口徑，使閥門在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中壓力降的變化值盡可能小。閥門全開狀態(tài)下的壓力降占全泵壓百分比越高，則閥門壓力降相對變化值越小，閥門的安裝特性就越接近其內(nèi)在特性。

   （5）控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡可能工作于恒定的壓力降條件下，因?yàn)殚y門是否匹配盤管依賴于它的內(nèi)在特性和流量因子，而這些閥門參數(shù)取決于恒定的閥門壓力降。

5 結(jié)語

    設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥時(shí)，要求對調(diào)節(jié)閥的組成、分類和特性有一個(gè)清楚的認(rèn)識，并在此基礎(chǔ)上掌握正確的選擇方法。而且，對于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)配置調(diào)節(jié)閥時(shí)，還需要對整個(gè)管系環(huán)路進(jìn)行詳盡的分析，綜合考慮各種因素。只有這樣，才能正確地選擇調(diào)節(jié)閥，保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。