控制閥特性及選擇方法

調(diào)節(jié)閥是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器，用于完成對受控對象流量的調(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)注意的問題。 0？前言調(diào)節(jié)閥是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器。它是自動控制的終端主控制元件，直接控制被測介質(zhì)的輸送。調(diào)節(jié)閥由致動器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。它接收來自調(diào)節(jié)器或計算機(jī)的控制信號，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)過程控制的自動化。在自動控制領(lǐng)域，控制過程是否穩(wěn)定直接取決于調(diào)節(jié)閥能否準(zhǔn)確動作，因此過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)計的主要問題，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)。它會根據(jù)控制信號的要求更改閥門開度的大小以調(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，電動和液壓兩種類型，即以壓縮空氣為動力的氣動調(diào)節(jié)，以電為動力的電動調(diào)節(jié)以及由液體介質(zhì)驅(qū)動的壓力（例如如油）液壓調(diào)節(jié)。其中，氣動執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，性能穩(wěn)定，價格低廉，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。雖然電動執(zhí)行器不利于防火防爆，但其驅(qū)動電源方便可取，信號傳輸速度快，便于長距離傳輸，體積小，動作可靠，維護(hù)方便，價格便宜。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力大，調(diào)節(jié)精度高，動作速度快，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)分析控制過程的介質(zhì)，過程條件和參數(shù)，以了解系統(tǒng)對控制閥的要求，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，可以考慮以下幾個方面：①閥芯的形狀結(jié)構(gòu)？主要根據(jù)所選的流動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，當(dāng)懸架接觸時，閥芯和閥座接頭表面每次關(guān)閉時都會承受劇烈的摩擦。因此，閥門的流路應(yīng)平整，閥門的內(nèi)部材料應(yīng)堅硬，③耐腐蝕性能？因為介質(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，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)過程中，閃蒸和氣蝕現(xiàn)象不僅影響流量系數(shù)的計算，而且還會形成振動和噪聲，從而縮短了閥門的使用壽命。因此，在選擇閥門時，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。 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)過程環(huán)境要求選擇相應(yīng)的執(zhí)行器。例如，當(dāng)現(xiàn)場有防爆要求時，應(yīng)使用氣動執(zhí)行器，接線盒必須防爆，并且不能選擇電動執(zhí)行器。如果沒有防爆要求，可以同時使用氣動和電動執(zhí)行器，但是從節(jié)能的角度來看，應(yīng)盡可能選擇電動執(zhí)行器。對于液壓執(zhí)行器，雖然沒有像氣動和電動執(zhí)行器那樣廣泛使用，但它具有調(diào)節(jié)精度高，運(yùn)動快，平滑的特點(diǎn)，因此在特殊情況下，也將使用它來達(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)動平穩(wěn)，重量輕，外形美觀，結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)的執(zhí)行器。 2？流動特性分析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，通過閥門的流量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)和開度有關(guān)。因此，調(diào)節(jié)器的輸出信號控制閥的打開或關(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調(diào)節(jié)閥的被調(diào)節(jié)介質(zhì)的相對流量與調(diào)節(jié)閥的相對開度之間的關(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的流量特性。具有四個特征：直線，相等的百分比，拋物線和快速打開，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，其變化主要有兩個原因：①由于泵的特性，當(dāng)系統(tǒng)流量減少時，由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加；②當(dāng)流量減少時，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變化。在這種情況下，相對流量與調(diào)節(jié)閥的相對開度之間的關(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？四個理想的流動特性調(diào)節(jié)閥的原理流量特性特性線性調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度呈線性關(guān)系，即由單位相對行程變化引起的相對流量變化為常數(shù)。 （1）開口小時，流量變化大；開口大時，流量變化小。 （2）當(dāng)負(fù)載較小時，調(diào)節(jié)性能太敏感而不能振動。當(dāng)負(fù)載較大時，調(diào)整緩慢且不及時。區(qū)別。由相對沖程的等百分比單位變化引起的相對流量變化與此時的相對流量成正比。 （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)工作相對穩(wěn)定，特別是當(dāng)開度大時，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。快速打開當(dāng)閥門行程較小時，流量將相對增加并迅速達(dá)到。 （1）開孔小時流量大。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)連接管路時的工作流量特性串聯(lián)調(diào)節(jié)管路時，控制閥的開度變化會引起流量變化。從流體力學(xué)理論來看，管道的阻力損失與流量呈平方關(guān)系。流量會發(fā)生變化，系統(tǒng)阻力也會隨之發(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)閥的全開流量就相應(yīng)減少，從而使理想的直線特性失真成速開特性，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)選擇的控制閥過大或產(chǎn)品處于非滿負(fù)荷狀態(tài)時，控制閥的工作口較小。有時為了使控制閥具有一定的開度，關(guān)閉閥以增加管道的阻力。實(shí)際上，為了減少通過調(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，隨著平行管道的旁通閥逐漸打開，調(diào)節(jié)閥的全開流量與主管的流量之比減小。此時，盡管調(diào)節(jié)閥本身的流量特性沒有改變，但系統(tǒng)的可調(diào)范圍已大大減小，調(diào)節(jié)閥在工作過程中可控制的流量的可變范圍也已大大減小。降低，甚至沒有調(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)超過總流量的20％。 3？流動特性的選擇流動特性的選擇方法：①通過數(shù)學(xué)計算的分析方法，②在實(shí)際工程中總結(jié)的經(jīng)驗方法。由于分析方法復(fù)雜且耗時，因此在一般工程中使用經(jīng)驗方法。具體而言，應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行考慮：（1）考慮自動調(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，以保持良好的性能。為了調(diào)整系統(tǒng)的質(zhì)量，希望開環(huán)總放大因子與每個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應(yīng)的閥前后的壓差Δp1m與系統(tǒng)壓差Δp之比。控制閥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)荷變化的情況來看，線性閥的流量變化小，開度大，調(diào)整過于敏感，容易發(fā)生振蕩。在較大的開口處，調(diào)節(jié)效果較弱，導(dǎo)致調(diào)節(jié)不及時和不靈敏。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)閉時工作平穩(wěn)，接近完全打開時放大系數(shù)大，工作靈敏有效。因此，適合負(fù)載變化范圍大的場合。行程較小時，快開特性閥的流量較大。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)對象都可以選擇等百分比流量調(diào)節(jié)閥，而沒有自平衡能力的調(diào)節(jié)對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，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)提供的過程條件，然后根據(jù)其流量計算調(diào)節(jié)閥的流量