調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)參數(shù)及其流量特性探析
調(diào)節(jié)閥與工業(yè)生產(chǎn)過程控制的發(fā)展同步進行，為提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，對組成控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)提出了更高要求。例如，對檢測元件和變送器要求有更高的檢測和變送精確度，要有更快的響應和更高的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性;對調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器要求有更小的死區(qū)和摩擦，有更好的復現(xiàn)性和更短的響應時間，并能夠提供補償對象非線性的流量特性等。同時，由于工業(yè)生產(chǎn)過程的大型化和精細化，對調(diào)節(jié)閥等也提出了更高要求。
1、調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)參數(shù)
1.1、調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)
流量系數(shù)表示流體流經(jīng)閥門產(chǎn)生單位壓力損失時流體的流量，是衡量閥門流通能力的指標。由于單位的不同，流量系數(shù)有不同的代號和量值。
采用國際單位制時，流量系數(shù)用Kv表示。流量系數(shù)Kv的定義為：
調(diào)節(jié)閥兩端壓差為0.1MPa時，溫度為278K-313K(5℃-40℃)的水每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的立方米數(shù)，以m3/h表示。流量系數(shù)隨閥門尺寸、形式及結(jié)構(gòu)而變化，該系數(shù)值越大說明流體流過閥門時的壓力損失越小。
調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv值，是調(diào)節(jié)閥的重要參數(shù)，它反映調(diào)節(jié)閥通過流體的能力，也就是調(diào)節(jié)閥的容量。根據(jù)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)Kv的計算，就可以確定選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。
1.2、阻力系數(shù)
流體通過彎管和截面突變的地方時，會有擾動、攪拌，形成氣穴、漩渦和尾流，或使流體質(zhì)點相互撞擊，產(chǎn)生較大的能量損耗�？梢哉J為，調(diào)節(jié)閥體腔內(nèi)的每個元件都可以看作為一個產(chǎn)生阻力的元件系統(tǒng)(流體轉(zhuǎn)彎、擴大、縮小、再轉(zhuǎn)彎等)，調(diào)節(jié)閥內(nèi)的阻力損失等于調(diào)節(jié)閥各個元件阻力損失的總和。調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)就是表征調(diào)節(jié)閥對流體產(chǎn)生的阻力損失大小的量，該系數(shù)取決于閥門產(chǎn)品的尺寸、結(jié)構(gòu)以及內(nèi)腔形狀等。流體通過閥門時，其流體阻力損失通常以閥門前后的流體壓力降△p表示，即△p=ξρv2/2。
1.3、壓力恢復系數(shù)
圖1 流體通過調(diào)節(jié)閥時壓力和流速的變化
在建立流量的計算公式時，為了簡化計算，將調(diào)節(jié)閥模擬為節(jié)流孔板來推導公式，沒有考慮閥門結(jié)構(gòu)對流量的影響，認為當流體流過調(diào)節(jié)閥時壓力由閥前壓力p1直接變化到閥后壓力p2，而實際上當流體流過時的壓力變化如圖1所示。由圖1可知在閥芯、閥座處由于節(jié)流作用而在附近的下游處產(chǎn)生一個縮流，其流體的流速最大，但靜壓最小。在遠離縮流處，隨著閥內(nèi)的流通面積的增大，流體的流速減小，由于相互摩擦，部分能量轉(zhuǎn)變成內(nèi)能，大部分靜壓被恢復，形成了閥門壓差如。換言之，流體在節(jié)流處的壓力急劇下降，并在其后的節(jié)流通道中逐漸恢復，但己經(jīng)不能恢復到原來的p1值。這便是壓力恢復現(xiàn)象。
壓力恢復系數(shù)FL表示調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流經(jīng)縮流處后，動能轉(zhuǎn)換為靜壓的恢復能力。FL值是閥體內(nèi)部幾何形狀的函數(shù)，各種閥門因結(jié)構(gòu)不同，其壓力恢復能力和壓力恢復系數(shù)也不相同。一般，F(xiàn)L=0.5-0.98。壓力恢復系數(shù)FL越小，表示該調(diào)節(jié)閥流路設(shè)計好，流動阻力小，其壓力恢復能力也越好，即經(jīng)縮流后，靜壓能夠恢復到接近進口壓力，這類閥門被稱為高壓力恢復閥，如球閥、蝶閥等。壓力恢復系數(shù)FL調(diào)節(jié)閥越大，表示該閥門流路復雜、流阻大、摩擦損失大、進口壓力經(jīng)調(diào)節(jié)閥后的降低大，因此，壓力恢復能力差，被稱為低壓力恢復閥，如單座閥、雙座閥等。
2、閃蒸、空化及其影響
在調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動的液體，常常出現(xiàn)閃蒸和空化兩種現(xiàn)象。如圖1所示，當壓力為P1的液體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流處時，流速突然急劇增加， 而靜壓力驟然下降，當閥后壓力P2達到或者低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓時，部分液體就汽化成氣體，形成氣液兩相共存的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為閃蒸。閃蒸造成氣液兩相流，氣體與液體同時流過閥芯和下游管道，造成沖刷，其特點是閥芯呈現(xiàn)平滑拋光的外形�？梢姰a(chǎn)生閃蒸時，對閥芯、閥座材料己開始有侵蝕破壞作用;并且閃蒸也影響液體流量計算公式的正確性，使計算復雜化。
如果產(chǎn)生閃蒸之后，P2不是保持在飽和蒸汽壓以下，而是在離開節(jié)流處之后又驟然上升，這時氣泡產(chǎn)生破裂并轉(zhuǎn)化為液態(tài)，這個過程即為空化作用。由此可見，空化作用是一種兩階段現(xiàn)象，第一個階段，破裂，即空化階段�？栈饔脮拐{(diào)節(jié)閥產(chǎn)生阻塞流和汽蝕。許多氣泡集中在閥的節(jié)流孔后，阻礙流體的流動，自然影響了流量的增加，產(chǎn)生了阻塞情況。
3、調(diào)節(jié)閥的流量特性
3.1、理想可調(diào)比
調(diào)節(jié)閥前后壓差保持不變時的可調(diào)比，稱為理想可調(diào)比，其計算公式為R=Qmax/Qmin=Kvmax/Kvmin�？梢钥闯�，理想可調(diào)比等于Kvmax(最大流量系數(shù))與Kvmin(最小流量系數(shù))之比。它反映了調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)能力的大小。如果單從自控角度考慮，希望可調(diào)比越大越好，但由于受到調(diào)節(jié)閥閥瓣結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝的限制，Kvmin不能太小，一般國內(nèi)設(shè)計取R=30或R=50。
3.2、流量特性
調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對流量與相對位移(閥門的相對開度)之間的關(guān)系。用數(shù)學的表達數(shù)表示Q/Qmin=f(l/L)，式中Q/Qmax為相對流量，即調(diào)節(jié)閥在某一開度時流量Q與全開流量Qmax之比;l/L為相對位移，即調(diào)節(jié)閥在某一開度時閥芯位移l與全開位移L之比。
通常來說，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯與閥座之間的流通截面積，便可控制流量。但在實際工況中，由于多種因素的影響，通過閥門的流量可能隨壓降而變化。為了便于分析，設(shè)定閥門的壓降不變，然后再引申到真實情況進行分析，前者稱為閥門固有流量特性，后者稱為閥門工作流量特性。
3.2.1、固有流量特性
閥門的固有流量特性指的是在閥前、閥后壓差保持不變時，介質(zhì)流過閥門的相對流量與相對位移(閥門的相對開度)之間的關(guān)系。閥門的固有流量特性不同于結(jié)構(gòu)特性(閥的結(jié)構(gòu)特性是指閥芯位移與流體通過的截面積之間的關(guān)系，不考慮壓差的影響，純粹由閥芯大小和幾何形狀決定)。
3.2.2、工作流量特性
在實際生產(chǎn)過程中，閥門的壓差總是變化的，這時流量特性稱為工作流量特性。因為調(diào)節(jié)閥往往和工藝設(shè)備、管道等串聯(lián)或并聯(lián)適用，流量因阻力損失的變化而變化，在實際工作中因閥門前后壓差的變化而使理想流量特性畸變成工作特性。
3.2.3、流量特性的選擇準則
生產(chǎn)過程中常用的調(diào)節(jié)閥的理想流量特性有直線、等百分比和快開三種。拋物線流量特性介于直線與百分比之間，一般可用等百分比來代替，而快開特性主要用于二位調(diào)節(jié)及程序控制中。因此，調(diào)節(jié)閥的特性選擇實際上是指如何選擇直線和等百分比流量特性。
調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇可以通過理論計算，但使用的方法和方程都很復雜，而且由于干擾的不同，高階響應方程計算就更加繁雜。因此，目前對調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇多采用經(jīng)驗準則�？蓮娜缦聨讉�方面來考慮：
(1)從調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量分析并選擇;
(2)從工藝配管情況考慮并選擇;
(3)從負荷變化情況分析和選擇。
4、結(jié)束語
調(diào)節(jié)閥作為一種常用閥門，在各行各業(yè)有著廣泛的應用，其性能的提高對流程工藝效益的提高以及能源消耗的降低有著不可忽視的作用。因此，研究調(diào)節(jié)閥的流量特性具有重要的工業(yè)應用價值。
