控制閥壓差的確定I周洪義Zhouhy@Hl.概述在工藝系統(tǒng)中控制閥是最重要的控制元件。■從自動控制的角度來講，控制閥應(yīng)該具有較大的壓差。__■從工藝系統(tǒng)的角度來講，控制閥應(yīng)該具有較小的壓差?！稣_合理地確定控制閥的壓差就是要解決好上述兩方面的矛盾，控制閥既能滿足控制要求，又經(jīng)濟(jì)合理。_2、控制閥的有關(guān)概念rf_l)控制閥的工作原理Q=C[(Pl-P2)/r](1/2)c-一即儀表專業(yè)選閥時用到的一個重要參數(shù)，稱為控制閥的流通能力。其定義為控制閥全開，控制閥兩端蟲差為lkg/cm2時，侖經(jīng)?福閥弁M密為lg/cm3流體的流量。__2、控制閥的有關(guān)概念2）控制閥的理想流量特性Q/Qmax=f（1/]max）如圖1所示，只以控制閥進(jìn)出口為研究對象（注意無其他阻力元件），使控制閥壓差為定值時，得到的流量特性為理想流量特性。理想流量特性眾多，對四種理想流量特性進(jìn)行了重點研究。2、控制閥的有關(guān)概念5直線流量特性當(dāng)控制閥單位相對開度變化引起的相對流量變化是一個常數(shù)時，控制閥具有直線流量特性。敗)=kd(l/l)1過積分代邊界條件得出：Q/Q關(guān)1/1^1R稱為可調(diào)比，即控制閥可以調(diào)節(jié)的最大流量0^和可以調(diào)節(jié)的最小流量Qm/比值。QwiQ不是控制閥關(guān)閉勒泄漏量，它是可調(diào)流量沾卞限值，當(dāng)詉量低于此值時，控制閥無法保證調(diào)節(jié)精度。一般Qmin=(2-4%)Q^,即R=25-50,而泄漏量僅為(0.1-0.01%)。直線流量特性的控其開度變化相同時，流量變化也是相同的。一般控制閥，理想可調(diào)比R=30時，直線流量特性控制閥的相對流量隨相對開度間的變化情況如圖2中的直線⑴所示。等百分比流量特性。中的曲線(2)所示。盟￥得出:Q/Qmax

?____________等百分比流量特性的控制閥，其開度變化百分比相同時，流量變化百分比也相同。對于一般控制閥，理想可調(diào)比R=30時，等百分比流量特性控制閥的相對流量隨相對開度間的變化情況如圖2_2、控制閥的有關(guān)概念當(dāng)控制閥單位相對開度變化引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比時，稱控制閥具有__2、控1快開流量特性快開流量特性。0.5當(dāng)控制閥單位相對開度變化引起的相對流量變化與此點的相對流量成反比時，稱控制閥具有d(_w)=k(Q/QmaxPdd/l)運過積分代入邊界條件出：Q/Qmax-l/R[l+(R^l)l/l]快開流量特性的控&，開度較小時，對應(yīng)流量就比較大，在其開度范圍內(nèi)，隨著開度增加,流量很快達(dá)到最大，開度再增加時，流量變化幅度很小以至于不變。對于一般控制閥，理想可調(diào)制閥的有關(guān)概念比R=30時，快幵流量特性控制閥的相對流量隨相對開度間的變化情況如圖2中的曲線(3)所示。2、t拋物線流量特性當(dāng)控制閥單位相對開度變化引起的相對流量變化與此點相對流量的平方根成正比時，稱控制閥具有拋物線流量特性。d(Q/Q_)=k(Q/Q_)05d(l/lmJ制閥的有關(guān)概念、--maxz

“w'?maxff*maxzM過積分代入邊界條件得:Q/Q謝=1/R[1+(RO.M)1/1P拋物線流量特性的控働閥，其開度變化時，流量介于直線流量特性和等百分比流量特性之間變化。對于一般控制閥，理想可調(diào)比R=30時，拋物線流量特性控制閥的相對流量隨相對開度間的變化情況如圖2中的曲線⑷所示。<2_H「呂—r-g010聖22、控制閥的有關(guān)概念203010印60708090W0相綱unh⑻■,'樹R=30)

⑵等百分比⑶快開⑷撤物線2、控制閥的有關(guān)概念JS幾種流量特性的比較直線流量特性，相同的開度變化，流量變化AQ是相同的，那么在小流量時，大，操作很靈敏不易控制；大流量時，A小，操作平穩(wěn)易于是制，因此，直線流量特性控制閥適合于負(fù)荷變ftd、的場合。對于等百分比流量特性，相同的開度變化，小開度時流量變化厶Q??；大開度時流量變化AQ大。因此，等百分比流量特性控制閥適合于負(fù)荷變化大的場合。對于快開流量特性，隨開度變大，流量很快達(dá)到最大，開度再増加時，流量變化幅度很小以至于不變，因此.快開流量特性控制閥不適合于調(diào)節(jié)流量，但適合于在雙位控制或程控場合中使用.拋物線流量特性，其特性曲線介于直線流量特性和等百分比流量特性之間，而且接近于等百分比流量特性，因此常用等百分比流量特性控制閥來代替拋物線流量特性控制閥.所以，我們經(jīng)常用到的是直線流量特性控制閥和等百分比流量特性控上述特性說明了為什么需要給出Qmin.Qnor、Umax的原因，它是儀表專業(yè)確定控制閥特性的依據(jù)。_2、控制閥的有關(guān)概念3）控制閥的實際流量特性由于控制閥都是安裝在管路上如圖3所示，在系統(tǒng)總壓降一定的情況下，當(dāng)流量發(fā)生變化時，管路壓降在變化，控制閥壓差也在發(fā)生變化。因此控制閥壓差變化時，得到的流量特性為實際流量特性。_2、控制閥的有關(guān)概念串聯(lián)管路控制閥的實際流量特性對調(diào)節(jié)來說：Q/Qmax=f(l/lmax)Qfflax=Cqk(AP1/r)05(1)則Q=Cqkf(△?#)??5

(2)對管路來說：Q=Cff(AP2/r)°-5(3)貝GQ-Cqkf(l/loax)(APyr)^5

^(AP/r)^5△P2=Cqk2,Cg2f2(l/lmjAPtAP=APj+AP2AP1/AP=1/[1+Cqk2z

C?f2(l/l慰)](4)__2、控制閥的有關(guān)概念串聯(lián)管路控制閥的實際流量特性當(dāng)控制閥全開時，控制閥上有最小壓差，設(shè)最小壓差為APlm。由于控制閥全開，此時有：f(l/lmax)=1APlm/AP=l/(1+Cqk2/(7)Cqk2/Cg2=AP/APlffi-1令=SCQk2/Cg2=1/S-1s為控制閥全開時，控制閥的壓差與系統(tǒng)總壓差的比值，稱為控制閥的阻比，有的資料上稱之為控制閥的閥權(quán)度。AP1/AP=1/[1+(1/S-1)Rl/l^)!(5)_2、控制閥的有關(guān)概念串聯(lián)管路控制閥的實際流量特性對于圖3的系統(tǒng)，當(dāng)APfO時，控制閥有：Qfflax=Cqk(AP/r)o^⑹(2)/(6)有：Q/Qmai=f(l/lmax)(API/AP)05

(7)將⑸代入⑺有:Q/Q矚二f(l/lnJ{1/[1+(1/S-1)Rl/l^)]5

(8)(8)式即為控制閥的實際流量與理想最大流量參比關(guān)系。對于R=30的控制閥，當(dāng)控制閥阻比發(fā)生變化時，其關(guān)系曲線如圖4所示。=J_2、控制閥的有關(guān)概念■串聯(lián)管路控制閥的實際流量特性.2.控制閥的有關(guān)概念串聯(lián)管路控制閥的實際流量特性對于圖3的系統(tǒng)，當(dāng)八P^AP^時，控制閥全開有：Q100=Cqk(APlm/r)0-5(9)(2)/0)有：Q/QBa=f(l/lDJ(API/APlm)05=r(Umax)S°-5(AP1/AP)05將(5)代入上式有：Q/Q.^fd/I.ax)U/[S+(1-S)P(vimax)]}°-5

(10)(io)式即為控制閥的實際流量特性，它不但和控制閥的相對開度有關(guān)，而且與控制閥的阻比s有關(guān)。對于安裝在實際管路中R=3?的控制閥，當(dāng)控制閥阻比發(fā)生變化時，其實際性能曲線的變化趨勢如圖s所示。_2、控制閥的有關(guān)概念--串聯(lián)管路控制閥的實際流量特性0L0203010506070B090|00韻度Imax⑻⑵等科—f辟町緬鍊姑料線（叫wo作靴）_2、控制閥的有關(guān)概念串聯(lián)管路控制閥的實際流量特性從圖4和圖5可見：■當(dāng)控制閥阻比S=1時，即管道阻力為零，系統(tǒng)的總壓降全部落在控制閥上，此時實際流量特性和理想流量特性是一致的?！鲭S著控制閥阻比S的減小，即管道阻力增加，控制閥最大流量比管道阻力為零時理想最大流量要小，可調(diào)比在縮小。隨著控制閥阻比S的減小，實際流量特性偏離理想流量特性，S越小偏離程度越大?！鰪膱D4可見，隨著控制閥阻比S的減小，直線流量特性趨向于快開流量特性，等百分比冷量特性趨向于直線流量特性。而且隨著控制閥阻比S的減小，可調(diào)最小流量在升髙，可調(diào)比在縮小?！鲆虼耍S著控制閥阻比S的減小，實際流量曲線偏離理想流量曲線，可調(diào)比在縮小，可調(diào)節(jié)范圍在變窄。反之則說明，為了保證控制閥具有較好的調(diào)節(jié)性能*控制閥要求有一定的壓差，在實際應(yīng)用中，為保證控制閥具有較好的調(diào)節(jié)性能，避免控制閥實際特性發(fā)生畸變，一般希望控制閥阻比S>0,3._2、控制閥的有關(guān)概念串聯(lián)管路控制閥的實際流量特性根據(jù)圖5和試驗測試，控制閥阻比S對控制閥特性的影響結(jié)果如下表所示：阻比S1-0.60.6-03<0.3理想特性直線等百分比直線等百分比直線等百分比實際特性接近直線分比直線等百分比快開直線調(diào)節(jié)性能好較好不適宜調(diào)節(jié)b2、控制閥的有關(guān)概念串聯(lián)管路控制閥的實際流量特性結(jié)論：綜合兼顧控制和工藝兩方面要求，一般S=0.3-0.5,特殊情況下：?髙壓減至低壓時，S很容易在0.5以上。雖然S越大越好，但有時壓差很大，容易造成控制閥沖蝕或流體已呈阻塞流，此時可在控制閥前增設(shè)減壓孔板，使部分壓差消耗在孔板上?？装迳戏謸?dān)的壓差可和自控專業(yè)協(xié)商確定?！錾泽{壓力減至低壓或物料自流的場合，要使S在(K3以上有時有困難。此時可想辦法降低管路阻力，如：放大管徑、改變設(shè)備布置以縮短管道長度或増加位差、減少彎頭等措施，一定要確保S^(L3。?低壓經(jīng)由泵至髙壓的場合，為了降低能耗，要求至少S>0.15。但為獲得較好的控制閥品質(zhì)，建議於03、■氣體管路由于阻力降很小，S很容易在0.5以上。但在低壓和真空系統(tǒng)中，由于容許壓力降較小，要求S50JS。__2、控制閥的有關(guān)概念一并聯(lián)管路控制閥的實際流量特性如圖6所示的控制閥與管路并聯(lián)的系統(tǒng)，壓差A(yù)P為定值。阻比對于不同的X，實際性能曲線的變化趨勢如圖7所示。_2、控制閥的有關(guān)概念-■-并聯(lián)管路控制閥的實際流量特性S^9.

(幻(2}pj分■他川':VJOSOJU405<0BG706090100-—r—!'"■卜~~3rZZ////Z/y/?將曹賂特性曲錢_2、控制閥的有關(guān)概念"i并聯(lián)管路控制閥的實際流量特性結(jié)論：■當(dāng)x=l時，即旁路關(guān)閉，實際流量特性和理想流量特性是一致的，■隨著X逐漸減小，即旁路逐漸開大，通過旁路的流量逐漸増加，實際流量特性起點在上移，可調(diào)比在縮小，但流量特性曲線形狀基本不變。在實際應(yīng)用中，為保證控制閥有一定的可調(diào)比，即具有比較好的調(diào)節(jié)性能，一般希望控制閥阻比最好這種控制閥和管路并聯(lián)的情況在實際工程中并不多見，但對于一些需要保持系統(tǒng)有一個最低流量，負(fù)荷變化不大（即調(diào)節(jié)比較?。┑膱龊希瑸榉乐箖x表故障時最低流量得不到保證，可以采用控制閥和管路并聯(lián)。另外，當(dāng)所選的控制閥偏小，作為一種補(bǔ)救措施；或者裝置有擴(kuò)容能力，但控制閥己不能滿足要求時，可將控制閥的旁路稍開，使控制閥達(dá)到所期望的調(diào)節(jié)目的。此時，先關(guān)閉控制閥主管路，通過閥后總管上的流量計來標(biāo)定旁路閥的開度。__2、控制閥的有關(guān)概念■■4）控制閥的可調(diào)比■理想可調(diào)比R_可調(diào)比R為控制閥可以調(diào)節(jié)的最大流量Qinax和可以調(diào)節(jié)的最小流量的比值。即：R=Qmax/Qmin?串聯(lián)管路的實際可調(diào)R產(chǎn)R⑸05串聯(lián)管路控制閥的實際可調(diào)比久與理想可調(diào)比R和阻比S有關(guān)。阻比S越小，實際可調(diào)比越小。因此，為保證一定的可調(diào)比，控制閥的阻比S要適當(dāng)，不能使阻比S過小。IB

2>控制閥的有關(guān)概念4）控制閥的可調(diào)比國產(chǎn)的控制閥，理想可調(diào)比R=30。但考慮到選用控制閥時圓整口徑以及對C值的圓整和放大，一般取R<LO。即使如此，在控制閥與管路串聯(lián)的系統(tǒng)中，當(dāng)S=0.3時，Rs仍為5.4。而一般工藝過程中，Qmin=30Wnor,Qmax=125%Qnor>Rs不過4.16。因此，只要S彡0.3是可以滿足要求的，只要阻比S不是太小或?qū)烧{(diào)比要求太髙，可不必驗算實際可調(diào)比。當(dāng)要求的可調(diào)比較大時，控制閥滿足不了工藝要求，此時，可采用提髙控制閥阻比S，或采用大小兩個控制閥并聯(lián)工作的分程調(diào)節(jié)系統(tǒng)。__2、控制閥的有關(guān)概念■■4）控制閥的可調(diào)比■并聯(lián)管路的實際可調(diào)比Rs并聯(lián)管路控制閥的實際可調(diào)teRs與控制閥的理想可調(diào)比R無關(guān)，只和總管最夭流量與旁路流量有關(guān)。Pb差的確定3我們經(jīng)常遇到的是如圖8所示處于串聯(lián)管路中的控制閥。通過前面對控制閥實際特性和可調(diào)比等的演算和分析，可以看出影響控制閥調(diào)節(jié)性能的關(guān)鍵參數(shù)是控制閥全開通過最大流量時，控制閥前后的最小壓差A(yù)Plm.所以APlaBP為我們要確定的控制閥壓差。差的確定3(11)(12)S=APlm/(hf+APj=0,3-0.5由式（12）可以計算出APlm=O.429^L0hfo即控制閥的壓差應(yīng)為管路阻力降的0.429到1.0倍。式（11）和式（12）就是控制閥壓差的計算公式及核算式，用法為先由式（11）計算出控制閥的壓差，再由式（12）進(jìn)行核算。只有同時滿足式（11）和式（12）的要求時，計算出的控制閥壓差才可以作為控制閥的選型依據(jù)。流體自1-1到2-2截面間的能量守恒關(guān)系式為Pa+h=hf+APlB+PbAPlm=pa+h々hf由控制閥阻比的定義及S=0.3-0.5得：差的確定3如何計算出管道阻力降hf?■首先根據(jù)工藝流程圖和控制要求規(guī)劃出控制閥的大致位置■結(jié)合設(shè)備布置圖及接管標(biāo)髙構(gòu)想出管系的走向圖（工藝專業(yè)應(yīng)該學(xué)會繪制管系圖）■根據(jù)管系圖進(jìn)行水力學(xué)計算求出管道阻力降hf■管道專業(yè)的配管圖應(yīng)盡量接近先前構(gòu)想的管系圖■為了安全起見，計算出的管道阻力降應(yīng)考慮15-20%的裕量。對于低壓系統(tǒng)和髙粘度物料，配管草圖出來以后要對管道阻力降進(jìn)行核算，因為這樣的管線長度和彎頭數(shù)量變化對管道阻力降的影響比較大。發(fā)現(xiàn)控制閥壓差確定的有問題，應(yīng)及時進(jìn)行調(diào)整。差的確定3常見工況的處理方法?低壓經(jīng)由泵至髙壓的工況APlm=S/(1-S)hfH=Pb-Pa+h+^APlB在這種場合下，為了降低能耗，控制閥的阻比可以要求為S>0.15。但當(dāng)流量小、楊程低，泵的軸功率較小時，為獲得較好的控制閥品質(zhì)，建議SS0.3。同時，由于根據(jù)泵樣本選的泵揚(yáng)程一般比所需揚(yáng)程要髙，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時，應(yīng)先定出泵的揚(yáng)程，扣除揚(yáng)程裕量后，再反算控制閥壓差。差的確定3見工況的處理方法■工藝條件有波動的工況一般來說，工藝條件是相對穩(wěn)定的，它容許在一定的范圍內(nèi)波動。如圖所示，由于pa、ph及前后設(shè)備的液位可能出現(xiàn)最髙正常和最低值*這樣就可能出現(xiàn)多種操作條件。但仔細(xì)研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)[最小、前設(shè)備液位最低，而6最大、后設(shè)備液位最髙時，控制_壓差最小，所需泵揚(yáng)程最髙。此時應(yīng)在這種條件下確定控制閥壓差和泵的揚(yáng)程，又比如說鍋爐給水系統(tǒng)的控制閥，因為鍋爐產(chǎn)汽壓力經(jīng)常波動，會影響到控制閥阻比下降，此時在考慮控制閥壓差時應(yīng)増加系統(tǒng)設(shè)備靜壓的5^10%作為控制閥壓差的裕量，即用下式進(jìn)行控制閥阻比的核算，S=[APlB-(0.05^0.1)(Pa_Pb)]/(hf+APJ=O.3^-0.5即:AP^S/d-S)hf+1/(1-s)(0.05^0.1)(Pa~Pb)差的確定3常見工況的處理方法■髙壓減至低壓的工況這種工況時，控制閥阻比S—般很大。雖然S越大越好，但有時壓差很大，容易造成控制閥沖蝕或流體已呈阻塞流，此時可在控制閥前增設(shè)減壓孔板，使部分壓差消耗在孔板上?？装迳戏謸?dān)的壓差可和自控專業(yè)協(xié)商確定，以控制閥壓差不髙于控制閥的容許壓差為宜。差的確定3常見工況的處理方法■稍髙壓力減至低壓或物料自流的工況這種工況時，滿足式(11)的控制閥壓差，可能滿足不了式(12)的要求。此時可想辦法降低管路阻力，如：放大管徑、改變設(shè)備布置以縮短管道長度或增加位差、減少局部阻力降等措施，一定要確保S>0.3。差的確定3常見工況的處理方法■輸送氣體介質(zhì)的工況氣體管路由于阻力降很小，控制閥阻比S—般都很大例如，熱媒為飽和蒸汽的加熱器，其進(jìn)口蒸汽管線上的控制閥，