控制阀固有流量特性 上海申弘阀门有限公司 之前介绍蒸汽截止阀热损失，现在介绍摘 要：控制阀固有流量特性是制造商出厂时所具有的，当安装到现场后，由于阀两端压降与系统压降之比不为1，造成固有流量特性发生畸变，因而控制系统开环增益不能保持恒定，使控制系统稳定性变差。采用被控对象静态特性确定控制阀工作流量特性，然后根据应用条件下的压降比，“量身定制”控制阀固有流量特性，改进后的控制阀应用在实际条件时，其工作流量特性能够补偿被控过程的非线性，即使在压降比有改变时，仍可较好地补偿被控对象的非线性，从而可有效改善控制系统的稳定性。
关键字：控制阀 流量特性 压降比 静态特性 1 问题的提出
是制造商出厂时提供的。当控制阀在工业生产过程中使用时，由于存在压降比s，使固有流量特性发生了畸变，流量特性上凸，造成闭环控制系统的稳定性等指标变差。通常，只能根据所需工作流量特性，按经验法或根据压降比法选用合适的固有流量特性。根据控制系统稳定运行准则，是否可根据被控生产过程的数学模型，先确定其合适的控制阀工作流量特性，满足稳定性要求，提高控制系统的性能（例如，偏离度指标）；然后，根据所需控制阀工作流量特性和工况下的压降比设计控制阀的固有流量特性，以实现量身定制控制阀流量特性，满足应用要求。笔者根据控制阀工作流量特性、固有流量特性和压降比的函数关系，设计了，进行预畸，使工作流量特性满足应用要求。 对控制阀的特性选择及改变，随着现代技术的发展，其概念有所扩展。本文研究了一些工程项目中对控制阀特性的选择方法，并对现代工程上用控制阀特性补偿对象特性，达到系统稳定运行的硬件、软件方法予以介绍。
1 控制系统需要不同控制阀特性
控制阀流量特性的选择影响系统的稳定运行，实际应用时通过合理选择控制阀的流量特性，使其增益K能随对象增益的变化而变化，而开环总增益基本不变，来满足控制系统稳定运行准则。但控制阀特性都是按理想流量特性（固有流量特性）来设计制造，即控制阀两端压降恒定时的流量特性，由于管道等阻力在工作状况下（压降变化），控制阀的流量特性会变化，即工作流量特性（使用时的流量特性）与控制阀出厂时的理想流量特性会有一定改变，有些工况可通过智能阀门定位器或DCS编制软件来改变控制阀流量特性。 
2 控制阀流量特性的选择
2.1 理论上控制阀理想流量特性选择
控制阀理想流量特性有线性、等百分比、快开（理想）、快开（实际）等。其选择的原则是根据系统稳定运行准则，通过调节机构的特性来补偿因对象特性变化而造成的开环总特性变化的影响。
图1 控制阀理想流量特性与阀芯形状图 2.2 工程实际应用上对控制阀理想特性的选择
由于控制阀是系统调节的重要手段之一，各行业都有多年实际应用的经验，从了解中，常用有以下的方法。在工程上对控制阀理想特性的选择首先具有行业的考虑，一般按同类装置以前的特性选用，具有针对性。如：①造纸行业由于纤维等原因用到快开阀；②石化、化工、医药等行业一般只用到线性，等百分比两种特性；③由于控制阀在动作不快时，等百分比都适合应用，有些行业从习惯上，已选用等百分比特性，如某些石化装置；④有些装置用到大口径、大压差控制阀，由于大口径的线性控制阀比等百分比控制阀动作快（特别小开度时），故在大口径大压差的情况下采用线性阀，以减少动作滞后；⑤一个装置有多个不同的控制对象，根据控制对象特点选择不同阀门特性，一般线性特性不能涵盖装置所有的控制阀门，如温度调节对象应选用等百分比阀，通常每个装置含有多个温控对象。 当前，随着对控制精度要求的不断提高，对控制阀的流量特性也提出了更高要求，本文讨论的方法对提高控制系统控制品质具有重要意义。为此，笔者对“量身定制”工作流量特性进行研究，并据此设计。 
2 工作流量特性的设计
控制阀安装在现场后，其固有流量特性畸变成为工作流量特性，设固有流量特性用q＝f（l）表示，工作流量特性用q＝g（l）表示。其中，q———相对流量；l———相对行程；s———控制阀全开时两端压降与系统压降之比。因此，它们均为量纲一的量，变化范围是0～1。则考虑s后的工作流量特性可表示为（1）
图1显示控制阀工作状况固有流量特性的畸变。可见，控制阀工作状况下固有流量特性发生变化，其特点如下：
1）s＝1表示管道压降为零，工作流量特性与固有流量特性相同，即系统压降全部降落在控制阀两端时，工作流量特性不发生畸变。
2）随s的减小，管道压降增加，控制阀两端压降减小，使控制阀全开时的zui大流量下降，实际可调比下降。
3）随s的减小，工作流量特性与固有流量特性之间的差异变大，工作流量特性上凸，s越小，上凸越严重，流量特性的畸变使原有控制系统的总开环增益变化，会严重影响系统控制品质。
为此，常用的方法是根据所需工作流量特性确定。解决固有流量特性畸变的设计思路是根据压降比设计。其设计依据：根据节能要求，在工艺设计时，通常以压降比为0.3～0.5设计管路和选用供能设备；控制阀阀瓣的设计依据是流量特性函数，只要有所需的流量特性函数关系，就可设计阀瓣；数控机床等加工设备的广泛应用使复杂函数关系的阀瓣设计变得容易。因此，能否根据s的要求，设计所需工作流量特性是关键问题。图1 控制阀工作状况下流量特性的畸变f（l）与g（l）的关系如式（2）所示：
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀根据式（2），可确定不同可调比R下，为达到线性或对数工作流量特性时控制阀的固有流量特性。表1是根据不同压降比下为达到线性工作流量特性时控制阀的固有流量特性值；图2是为达到线性工作流量特性应采用的曲线；图3是为达到等百分比工作流量特性应采用的曲线。表2是等百分比工作流量特性时的数据。
表1 线性工作流量特性时数据（R＝30） 
图2 线性工作特性控制阀所需固有流量特性 图3 等百分比工作特性控制阀所需固有流量特性
表2 等百分比工作流量特性时数据（R＝30） 3 按工作流量特性设计控制阀的效果分析
按上述设计方法，可绘制不同s下的实际流量特性。图4是按s＝0.4设计的线性流量特性的控制阀，并用于不同s时的流量特性，可见在s＝0.4时是标准线性流量特性。同样，图5是按s＝0.4设计的对数流量特性的控制阀，并用于不同s时的流量特性，在s＝0.4时是标准的等百分比流量特性。 图4 线性工作特性控制阀实际流量特性 图5 对数工作特性控制阀实际流量特性
与图1比较，可以发现，按s＝0.4设计的控制阀线性工作流量特性和对数流量特性，在其他s值下，其曲线的畸变明显减小。在s＝0.4时能够获得标准的线性工作流量特性和标准的对数流量特性，满足应用要求。由于特性曲线的畸变减小，使控制系统开环增益的变化减小。因此，明显改善了控制系统稳定性，控制系统的偏离度得到改善。
4 控制阀工作流量特性的确定
控制阀工作流量特性与被控生产过程特性有关。下面以换热器生产过程为例，说明如何确定控制阀的工作流量特性。如图6所示的单程、逆流、列管式换热器，换热器两侧没有发生相变，列出热量衡算式为式中：U———传热系数；Am———传热面积；ΔTm———平均温度差，对单程、逆流换热器，采用对数平均值，即：）换热器的静态特性基本方程可表示为 因此，载热体流量qm2到出口温度T1o通道增益可表示为
图7显示该环节的增益曲线。从图7可见，K＞0，即载热体流量增大时，出口温度增大?；蝗绕魃淌且桓鼍哂斜ズ头窍咝蕴匦缘墓?，实际应用中，可根据图7确定控制阀的工作流量特性。图8是所需工作流量特性曲线，由于设计换热器时，当加热量不足时，会增大传热面积，因而，对进入饱和区有一定限制。图8中还画出了等百分比流量特性曲线，可见两者的特性十分接近，通常在20%以下，等百分比流量特性的数值要大些（R＝30时的zui大偏差为3.333%）。 图7 换热器的特性注：曲线1，2，3，4表示的值图8 控制阀工作流量特性示意 
需注意，上述设计是根据qm1c1＝UAm确定的?？杉≡竦劝俜直攘髁刻匦允钦返?。当设计的换热器进入饱和区的区域较大时，计算得到的控制阀工作流量特性会有较大差别，但曲线的形状仍相接近。
因此，如果控制阀的工作流量特性是等百分比流量特性，就可以很好地补偿被控对象的非线性，大幅提高控制系统稳定性，明显改善控制系统的偏离度。
5 结束语
考虑到工艺管路设计，通常以压降比s为0.3～0.5为设计依据，因此，用s＝0.3时线性和等百分比工作流量特性作为依据，设计，可以获得很好的控制效果。这种“量身定制”的设计方法，还可以根据实际应用的压降比和被控对象的静态特性确定所需工作流量特性，并设计合适的，为控制阀的应用提供控制。
实际应用中，以压降比s为0.3～0.4为设计依据，可提供具有更优良工作流量特性的控制阀，因此，是提高控制阀控制品质的有效途径。与本文相关的产品有角式平衡型截止阀设计说明 |
