调节阀流量特性分析及应用选择
1 概述
在自动控制系统中，调节阀是其常用的执行器。控制过程是否平稳取决于调节阀能否准确动作，使过程控制体现为物料能量和流量的精确变化。所以，要根据不同的需要选择不同的调节阀。选择恰当的调节阀是管路设计的主要问题，也是保证调节系统安全和平稳运行的关键。


2 调节阀的组成
调节阀由执行机构和调节机构组成，接受调节器或计算机的控制信号，用来改变被控介质的流量，使被调参数维持在所要求的范围内，从而达到过程控制的自动化。


2.1 执行机构
执行机构按照驱动形式分为气动、电动和液动3种。气动执行机构具有结构简单，动作可靠，性能稳定，价格低，维护方便，防火防爆等优点，在许多控制系统中获得了广泛地应用。电动执行机构虽然不利于防火防爆，但其驱动电源方便可取，且信号传输速度快，便于远距离传输，体积小，动作可靠，维修方便，价格便宜。液动执行器的推力最大，调节精度高，动作速度快，运行平稳，但由于设备体积大，工艺复杂，所以目前使用不多。


执行机构不论是何种类型，其输出力都是用于克服负荷的有效力（主要是指不平衡力和不平衡力矩、摩擦力、密封力及重力等有关力的作用）。因此，为了使调节阀正常工作，配用的执行机构要能产生足够的输出力来克服各种阻力，保证高度密封和阀门的开启。对执行机构输出力确定后。应根据工艺使用环境要求，选择相应的执行机构。例如，对于现场有防爆要求时，应选用气动执行机构，且接线盒为防爆型。如果没有防爆要求，则气动或电动执行机构都可选用，但从节能方面考虑，应尽量选用电动执行机构。对于要求调节精度高，动作速度快和运行平稳的工况，应选用液动执行机构。


综合各类执行器的特点，自动控制系统普遍采用电动执行机构。如结构简单、体积小的 ZAZ 直行程类及 ZAJ 角行程类，3610L(R) 型电子式及SKD型多转电动执行机构等。各类执行机构尽管在结构上不完全相同，但基本结构都包括放大器、可逆电机、减速装置、推力机构、机械限位组件、弹性联轴器和位置反馈等部件（图 1）。


电动执行机构的方框图
图1 电动执行机构的方框图


电动执行机构一般需要与伺服放大器配套，接受调节器的信号，该信号经过伺服放大器放大后转换为三位继电信号，控制可逆电机正转或反转，带动调节机构，使阀开启或关闭。


2.2 调节机构
调节阀门是调节阀的调节机构，它根据控制信号的要求而改变阀门开度的大小来调节流量，是一个局部阻力可以变化的节流元件。调节阀门主要由上下阀盖、阀体、阀瓣、阀座、填料及压板等部件组成。在自动控制系统中，阀门主要的调节介质为水和蒸汽等。在压力比较低，使用情况单一的情况下，常用的调节阀有直通调节阀、三通调节阀和蝶阀等。


直通阀有直通单座阀和双座阀之分。单座阀结构简单，价格低廉，关闭时泄漏量小，但由于阀座前后存在的压差对阀瓣产生的不平衡力较大，所以适用于低压差的场合，例如供水管或回水管中。双座阀有两个阀瓣阀座，在其关闭状态时，两个阀瓣的受力可部分抵消，阀瓣所受的不平衡力小，但是由于热胀冷缩效应，其同时关闭性较差，造价也较高，只适用于阀前后压差较高但密闭要求不高的场合，例如供水或回水之间的压差旁通阀。


三通阀有三个出入口与管道相连，总进水量较恒定，适用于定水量系统中，并要求有固定的安装方向，不宜反装，不适于温差较大场合。三通调节阀有合流阀与分流阀之分。合流阀是将来自两个入口的流体混合至一个出口。分流阀则是将一个入口的流体分别由两个口送出。


蝶阀结构较简单，由阀体、蝶板轴及轴封等部分组成，其行程为 0°~90°。蝶阀有两位式控制和比例控制 2 种方式。蝶阀的特点是阻力损失小，体积小，质量轻，安装方便，并且开启阀门和关闭阀门的允许压差较大，但其调节性能和关阀密闭性能较差，通常用于压差较大但调节性能要求不高的场所。除用作两通阀外，还可以用两个蝶阀组合，完成三通阀的功能。在自动控制系统中，开/关型电动蝶阀常用于冷水和热水系统中，作为水路的连通和关断控制。


3 性能
3.1 工作原理
根据流体力学可知，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。对不可压缩流体，调节阀的流量可表示为：


调节阀流量公式


式中：Q–调节阀某一开度的流量，mm3/s
P1–调节阀进口压力，MPa
P2–调节阀出口压力，MPa
A–节流截面积，mm2
ξ–调节阀阻力系数
ρ–流体密度，kg/mm3


由式（1）可知，当 A 一定，ΔP=P1-P2 也恒定时，通过阀的流量 Q 随阻力系数 ξ 变化，即阻力系数 ξ 愈大，流量愈小。而阻力系数 ξ 则与阀的结构和开度有关。所以调节器输出信号控制阀门的开或关，可改变阀的阻力系数，从而改变被调介质的流量。


3.2 流量特性
调节阀的流量特性是指被调介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。其数学表达式为：


调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系


式中：Qmax–调节阀全开时流量，mm3/s
L—-调节阀某一开度的行程，mm
Lmax–调节阀全开时行程，mm


调节阀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调节阀进出口压差固定不变情况下的流量特性，有直线、等百分比、抛物线及快开 4 种特性（表1）。