化工调节阀流量特性

                     上海申弘阀门有限公司

之前介绍蒸汽截止阀热损失，现在介绍化工调节阀流量特性在生产过程自动化中，用来控制流体流量的调节阀已遍及各个行业。在化工行业的过程控制系统中，作为zui终控制过程介质各项质量及安全生产指标的调节阀，在稳定生产、优化控制、维护及检修成本控制等方面都起着举足轻重的作用。本文重点讲解下调节阀的流量特性选择以及流向选择方面的知识，帮助仪表人远离选择陷阱。

化工调节阀流量特性调节阀是通过改变节流方式来控制流量的，它既是一种有效的调节手段，同时又是一个会产生节流能耗的部件。随着装置高负荷运行，调节阀的腐蚀、冲刷、磨损、振动、内漏等问题不断发生，从而导致调节阀的使用寿命缩短、工作可靠性下降、进而引起工艺系统和装置的生产效率大幅度下降，严重时可以导致全线停车。这在视质量和效益为生命的企业管理中尤为重要和紧迫。因此，如何选择和安装好调节阀，使调节阀在一个高性能状态下运行将是一个很关键的问题。

流量特性是调节阀的一种重要技术指标和参数。在调节阀应用过程中做出正确的选型具有非常重要的意义。调节阀被广泛的应用于电站行业，尤其是在锅炉系统中更为常见，例如：锅炉主给水系统、旁路系统、减温水系统等。并且调节阀性能的好坏直接影响着整个系统的运转，因此，合理的设计及选取调节阀对于整个系统的安全性、稳定性、经济性和可靠性有着十分重要的作用。随着电站行业的迅速发展，对调节阀的要求也越来越高，调节阀往往要在一个较大的流量范围内高度地调节或控制流体的流动，并且能根据阀杆的规定运动方式预计流量。因此，流量调节、调节范围及调节特性是设计及选取调节阀时所必须考虑的因素。
      调节阀是自动调节系统中的一个重要组成部分。在自动调节过程中，许多连续生产过程的调节工作，zui后都要归结在通过调节阀上的流量调节，也就是说，调节阀是执行调节指令zui后完成调节任务的一道总机关。因此，调节阀工作的好坏，直接关系着整个调节系统工作的成败。今天我们先来了解调节阀的流量特性。

    调节阀的流量特性主要是指阀芯的位移行程变化所引起的被控制流量（被调节阀调节的介质流量）变化的关系。为了说明调节阀的流量特性，首先必须弄清楚下列三个特性的含义：
     1、理想（流量）特性：在阀上压力降不变的条件下（即理想条件下）阀芯行程与流过通道口的控制剂流量的关系。理想特性是指阀在试验中规定为1kgf/m²的阀上压力降用特殊装置测得的，其目的是在比较各种不同阀芯结构的阀。调节阀的理想特性取决于阀芯形状，不同的阀芯曲面可得到不同的理想特性，它是调节阀本身所固有的一种特性。但是应当注意，理想特性与该阀自身的结构特性一般是不一样的，例如直线结构特性的阀，其理想特性则是快开特性的，抛物线结构特性的阀，其理想特性则是直线特性的，等百分比结构特性的阀，其理想特性则近似抛物线的。调节阀的理想特性，典型的有直线特性、等百分比（对数）特性、快开特性和抛物线特性四种。
     2、结构特性或面积特性：阀芯行程与其对应的通道口的截面积的关系。对已定的阀芯其结构特性只决定于阀芯的几何形状及尺寸大小；一定的结构特性，又对应着一定的理想（流量）特性，因此，它是调节阀流量特性的基础。
     3、工作（流量）特性：在实际使用条件下（即阀上压力降变化的条件下），阀芯行程与流过通道口的控制剂流量的关系。工作特性不仅和理想特性有关，而且和实际使用的外部条件-管道系统的阻力、阀芯位移时间上压力降变化诸因素有关。在这些因素的影响下，就使理想特性产生畸变而成工作特性。因此同一个调节阀在不同的使用条件下，具有不同的工作特性。这是我们在实际使用中zui关心的一个问题。1 流量调节
    流量即单位时间内通过阀门的流体质量或体积；调节的流量即按照某一规定的规律随时间变化的流量，即使进口端有适当的压力变化，也可以要求流量在有限的范围内变化。例如：在锅炉主给水及旁路系统调节阀来实现锅炉的给水量，在锅炉喷水减温器的喷水管道上调节喷水量以达到调节锅炉介质温度的目的。
   

固有特性（流量特性）：在经过阀门的压力降恒定时，随着截流元件(阀板)从关闭位置运动到额定行程的过 程中流量系数与截流元件(阀板)行程之间的关系。典型地，这些特性可以绘制在曲线图上，其水平轴用百分比行程表示，而垂直轴用百分比流量(或Cv 值)表示。由于阀门流量是阀门行程和通过阀门的压力降的函数，在恒定的压力降下进行流量特性测试提供了一种比较阀门特性类型的系统方法。用这种方法测得的典型的阀门特性有线性、等百分比和快开。
等百分比特性：一种固有流量特性，额定行程的等量增加会理想地产生流量系数(Cv)的等百分比的改变(图2)。
线性特性： 一种固有流量特性，可以用一条直线在流量系数(Cv 值)相对于额定行程的长方形图上表示出来。因此，行程的等量增加提供流量系数(Cv)的等量增加。
快开特性：一种固有流量特性：在截流元件很小的行程下可以获得很大的流量系数(图2)。
额定流量下的压力降：也是表示气动元件的流量特性之一。
气动元件常常在额定流量下工作，故测定额定流量下气动元件上下游的压力降，作为该元件的流量特性指标。显然，此指标也只反映不可压缩流态下的浏览特性。

选择调节阀时，首先要收集完整的工艺流体的物理特性参数与调节阀的工作条件，主要有流体的成份、温度、密度、粘度、正常流量、zui大流量、zui小流量、zui大流量与zui小流量下的进出口压力、zui大切断压差等。在对调节阀具体选型确定前，还必须充分掌握和确定调节阀本身的结构、形式、材料等方面的特点，而技术方面需要重点考虑流量特性、压降、闪蒸、气蚀、噪声等问题。

调节阀选择陷阱一：流量特性选择
调节阀的流量特性是指介质流过阀的相对流量与相对位移间的关系。选择的总体原则是调节阀的流量特性应与调节对象特性及调节器特性相反，这样可使调节系统的综合特性接近于线性。选择通常在工艺系统要求下进行，但是还要考虑很多实际情况，现分别加以说明。

1直线性流量调节阀直线性流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。选用直线性流量特性阀的场合一般为：①差压变化小，几乎恒定；②工艺系统主要参数的变化呈线性；③系统压力损失大部分分配在调节阀上（改变开度，阀上差压变化相对较小）；④外部干扰小，给定值变化小，可调范围要求小的场合。

2等百分比特性调节阀
等百分比流量特性也称对数流量特性。它是指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。即调节阀的放大系数是变化的，它随相对流量的增大而增大。优先选用等百分比特性阀的场合为：①实际可调范围大；②开度变化，阀上差压变化相对较大；③管道系统压力损失大；④工艺系统负荷大幅度波动；⑤调节阀经常在小开度下运行。

除了以上两种常用的流量特性之外，还有抛物线特性和快开特性等其他流量特性的调节阀。在密封结构上，若流量特性精度要求高，则可选用高精度流量特性的金属密封型，而软密封型精度较低。

3调节阀压降的系统考虑调节阀作为过程控制系统中的终端部件，是zui常用的一种执行器。按过程控制系统的要求，调节阀应具有在低能量消耗的状态下工作，且能充分与系统匹配的工作特性。但是在调节阀的使用中这两个要求是不能同时满足的，甚至是互相矛盾的。在要得到同样的流量的情况下，选择一只较小口径的调节阀，虽然其他阻力不变而总的阻力必然比较大，形成大的系统总压降。假若物流的推动力是由泵产生，就意味着必须选功率大一些的泵和电机，这样必然带来大的能耗。

当管道系统中介质的流速增加时，流体通过管道上的各种安装部件时产生的流体压降也会发生一系列的动态变化，作为管道流体控制主要部件的调节阀所引起的流体压降是一个很重要而又容易被忽略的因素，我们在分析与调节阀有关的系统问题时，不仅要考虑到调节阀本身的问题，而且也要考虑到调节阀的压降对系统动态平衡的影响。

4 调节阀的闪蒸和气蚀
在调节阀内流动的液体常常出现闪蒸和气蚀两种现象。它们的发生不但影响口径的选择和计算，而且将导致严重的噪声、振动、材质的破坏等。在这种情况下，调节阀的工作寿命会大大缩短，对此在选型使用中要尤其重视。

正常情况下，作为液体状态的介质，流入、流经、流出调节阀时均保持液态。闪蒸作为液体状态的介质，流入调节阀时是液态，在流经调节阀中的缩流处时，流体的压力低于气化压力，液态介质变成气态介质，并且它的压力不会再回复到气化压力之上，流出调节阀时介质一直保持气态。

闪蒸就象一种喷沙现象，它作用在阀体和管线的下游部分，给调节阀和管道的内表面造成严重的冲蚀，同时也降低了调节阀的流通能力。气蚀作为液体状态的介质，流入调节阀时是液态，在流经调节阀中的缩流处时流体的压力低于气化压力，液态介质变成气态介质，随后它的压力又回复到气化压力之上，zui后在流出调节阀前介质又变成液态。可以根据一些现象来初步判断气蚀的存在，当气蚀开始时它会发出一种嘶嘶声，当气蚀发展到*稳定时，调节阀中会发出嘎嘎的声音，就像有碎石在流过调节阀时发出的声响。气蚀对调节阀及内件的损害也是很大的，同时它也降低了调节阀的流通效能，就像闪蒸一样。因此，我们必须采取有效的措施来防止或者zui大限度地减小闪蒸或气蚀的发生：
（1）尽量将调节阀安装在系统的zui低位置处，这样可以相对提高调节阀入口和出口的压力；
（2）在调节阀的上游或下游安装一个截止阀或者节流孔板，以改变调节阀原有的安装压降特性（这种方法一般对于小流量情况比较有效）；
（3）选用专门的反气蚀内件也可以有效地防止闪蒸或气蚀，它可以改变流体在调节阀内的流速变化，从而增加了内部压力；
（4）尽量选用材质较硬的调节阀。因为在发生气蚀时，对于这样的调节阀，它有一定的抗冲蚀性和耐磨性，可以在一定的条件下让气蚀存在，并且不会损坏调节阀的内件。相反，对于软性材质的调节阀，由于它的抗冲蚀性和耐磨性较差，当发生气蚀时，调节阀的内部构件很快就会被磨损，因而无法在有气蚀的情况下正常工作。

总之，目前还没有什么工程材料能够适应严重条件下的气蚀情况，只能针对客观情况来综合分析，选择一种相对比较合理的解决办法。

 为了在适当的范围内调节流量，①在设计或选型调节阀时，流量系数应该留有一定的裕量，以便在流量发生波动或比预期的流量大时，流量仍有可调性。一般具有直线调节特性的阀门推荐取计算流量系数的1.15～1.66倍，具有等百分比调节特性的阀门推荐取计算流量系数的1.22～2倍。②考虑调节阀必需的或规定的压降值，系统压降的分配需要根据具体情况而定。③选定阀门阀瓣的调节特性以满足工况的需要。zui后应该考虑流量范围，阀门必须在整个流量范围内保持有效调节。

    2 调节范围
    调节范围是用来描述阀门在整个流量范围保持必要调节的能力的一个参数，调节范围的大小也可用可调比来表示，调节阀的可调比就是调节阀所能控制的流量与zui小流量之比。若以R来表示，则R=Qmax/Qmin，zui小流量Qmin是指可调流量的下限值，它与泄漏量是不同的。
    阀门的可调比取决于阀门类别、阀门增益和阀门调节元件的特性。例如：单座阀、双座阀、蝶阀、或球阀，zui小可调流量系数被认为是，在此系数下，阀门的增益显著地大于由阀瓣特性决定的值。因此，调节范围取决于阀门的增益（增益即为流量的变化除以阀瓣升程的变化）。一般认为具有良好调节作用的阀门可调比应该大于50，但由于阀瓣结构设计及加工方面的限制，zui小可调流量Qmin不能太小，因此，理想可调比一般均小于50。目前我国统一设计是时取R=30。
    选择合适的调节阀，以便产生需要的调节范围。首先，计算出工况所需要的调节范围。其次，选取需要的阀门，查看阀瓣升程90%的流量系数与阀瓣升程10%的流量系数之比，是否等于或大于需要的调节范围，如果小于所需要的调节范围可重新选择另外的阀门，需要的话也可选择两台阀门并联。
    但是，在多数生产过程中，调节阀不是与管路串联就是与旁路阀并联，随管路系统的阻力变化或旁路阀开启程度的不同，调节阀的可调比也产生相应的变化，这时的可调比就成为实际可调比R’。

图1 调节阀与管道串联

图2 调节阀与管道并联
    当调节阀与管道串联时如图1，由于流量的增加，管道的阻力损失也增加。若系统的总压差△PS不变，则分配到调节阀的压差△P就相应的减小，这就使调节阀所能通过的流量减小，这时实际可调比，s=△P/△Ps。由此式可以看出，串联管道时调节阀实际可调比会降低。当调节阀与管道并联时如图2，实际可调比R’=Qmax/Q2，可以看出并联实际可调比与调节阀固有的可调比无关，调节阀的zui小流量一般比旁路流量小得多，故其可调比实际是总管流量与旁路流量的比值。由此得出，串联或并联管道都使实际可调比下降，所以在选择调节阀和组成系统时不应使S值太小，并且尽量避免打开并联管路的旁路阀，以保证调节阀有足够的可调比。
    3 流量特性
    调节阀的流量特性是指介质流过阀门的流量与阀瓣升程值之间的关系。通常用流量与阀杆位置或升程的关系曲线表示。在实际工况中，由于多种因素的影响，通过阀门的流量可能随压降而变化。为了便于分析，我们先假定阀门的压降不变，前者称为阀门固有流量特性，后者称为阀门工作流量特性。
    3.1 固有流量特性
    我们经常用到的固有流量特性主要有直线、等百分比（对数）、抛物线及快开特性。图3为这4种流量特性的关系曲线图，图4为不同流量特性的阀瓣形状。

图3 理想的固有流量特性

图4 不同流量特性的阀瓣形状
    直线流量特性是指调节阀的相对流量与阀杆相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。具有此特性的阀门在开度小时流量相对变化大，灵敏度高，不易控制，甚至发生振荡；而在开度大时，流量相对变化值小，调节缓慢，不够及时。
    等百分比流量特性也称为对数流量特性，它是指阀杆单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。在小开度时，调节平稳缓和；在大开度时，调节灵敏有效，从图3可看出，等百分比特性在直线特性下方，因此，在同一位移时，直线阀通过的流量要比等百分比大。
    抛物线流量特性是指阀杆单位位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方根成正比关系，它介于直线特性与等百分比特性之间，相对来说此特性应用较少。
    快开特性在开度较小时就有较大的流量，随开度的增大，流量很快达到；此后再增加开度，流量变化很小。它的阀瓣形式是平板型的，如图4所示，它的有效位移一般为阀座直径的1/4，当位移在增大时，阀的流通面积不变，失去调节作用。
    为特定功用选择阀门的一个主要问题是挑选适合于工况的特性。理论上，每一种情况都应做透彻的分析，并相应地挑选阀门调节元件。但是这样既费时、代价又高。对于无需精密调节的场合，可根据经验按表1选择。
表1 阀门特性的典型用途

    3.2 工作流量特性
    在实际生产过程中，阀门的压差总是变化的，这时流量特性称为工作流量特性，为了描述这一特性我们引进了压降比k（压降比被定义为通过阀门的压降除以总的系统动压降）。工作流量特性就是在恒定压降比下，流量与阀杆升程之间的关系。图5和图6为直线特性和等百分比特性的工作流量特性，从图可以看出当K值越小时，工作流量特性与固有流量特性偏差越大，因此在设计系统时应把系统压降尽可能大的部分分配给调节阀。

图5 具有线性固有流量特性的工作流量特性

图6 具有等百分比流量特性的工作流量特性  

5 调节阀的噪声分析
气蚀和噪声是调节阀在控制高压差流体中的两大公害。调节阀上的噪声更是石油化工生产中的主要污染源。在使用中除需选用低噪声结构的调节阀外，改变阀的操作条件更是消除或降低气蚀和噪声的根本方法。调节阀在工作时，应注意它的噪声情况，分析好噪声的产生机理可以更好地监视调节阀的工作状态和有效处理所发生的问题，下面通过举例说明。

（1）机械类振动——如当阀芯在套筒内水平运动时，可以使阀芯与套筒的间隙尽量小或者使用硬质表面的套筒。
（2）固有频率振动——如阀芯或者其它的组件，它们都有一个固有振动频率，对此，可以通过专门的铸造或锻造处理来改变阀芯的特性，如有必要也可以更换其他类型的阀芯。
（3）阀芯不稳定性——如由于阀芯振荡性位移引起流体的压力波动所产生的噪声，这种情况一般是由于调节回路执行器等的阻尼因素引起的，对此可以重新调节阻尼系数或者在阀芯位移方向上加上减振设施。
（4）介质的力学流动性——介质在管道或者调节阀中流动时，也会发出噪声，对于这种情况，这里不作具体阐述（气蚀也会产生噪声）。

调节阀选择陷阱二：流向选择
调节阀的流向，就是调节阀阀体上所标识的箭头方向，通常安装调节阀时，要使阀体上的箭头方向与被调介质的流动方向一致。

但由于生产现场的差异，对调节阀的使用要求也是各不相同，实践证明调节阀的流向会影响阀的工作特性，并直接影响到控制系统的正常运行与否。

调节阀按其介质的流动方向不同分为“流开型”与“流闭型”两种。流向不同时调节阀阀芯的受力也是不同的，如阀前压力作用在阀芯上，有把阀芯顶开的趋势，成为“流开型”；反之，有把阀芯压向阀座，使阀产生关闭的趋势，成为“流闭型”。从介质对阀芯的绕流方向开看，“流开型”介质是从阀芯的小头往大端流动，“流闭型”介质是从阀芯大端往小头流动，调节阀流向对使用性能的影响。

小口径高压阀，如果把流开型改为流闭型后，其使用寿命可大大延长，这是因为流开型介质向着开方向流，汽蚀、冲蚀主要作用在密封面上，而使阀芯根部和阀芯阀座的密封面很快遭受破坏；而流闭型介质向着闭方向流，汽蚀、冲蚀作用在节流之后、阀座密封面以下，保护了密封面和阀芯根部，从而延长了调节阀的使用寿命。

上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀,气动截止阀,电动蝶阀,气动蝶阀有时由于产量增加，或计算、选择失误使调节阀的流量系数偏小时，阀全开还满足不了生产时，可用改变流量的方法，即改流开型为流闭型来使用，这样可使调节阀多通过10%~15%的流量。

流开型和流闭型两种流向各有利弊，所以正确选择调节阀的流向是很有必要的。选择时应根据工况实际进行选择。如很多设备要求调节阀能*关断工作介质，这时阀的关闭性就成主要的要求，则应选择“流闭型”的。若所选阀门是单座阀时，则流向正好与阀体所标箭头相反。角型高压阀，汽蚀严重、寿命短，也应选择“流闭型”的，并且可提高阀门使用寿命。对阀杆密封要求严的场合，为防止泄露，应选择“流开型”的。对于悬浮液、高黏度、含固体颗粒的介质，为防止泄露、堵塞，应选用“流闭型”的。

同一种阀型其流向不一定都是相同的，如小口径的高压阀，其工作压差较高，汽蚀严重，寿命短，则应选择“流闭型”的，但对于口径较大的高压阀，其工作压力大但压差并不太大时，还是应选择“流开型”的较妥，因为“流开型”稳定性好，可以不使用防止阀振荡的措施。

由于“流闭型”的流通能力比“流开型”大10%~15%，当“流开型”方向安装的调节阀全开流量还达不到工艺要求时，可改成“流闭型”暂时解决困难。

由于“流闭型”稳定性差，选用“流闭型”后，稳定性成为主要问题，由于阀门工作再小开度时易振荡，所以应尽量使阀门的zui小开度在30%~40%。要选用弹簧刚度大的执行机构，必要时应与阀门定位器配套使用 。阀门流向的改变，都会使流通能力和流量特性发生变化，这必然会对控制系统产生影响，因此在改变阀门流向时，对上述问题也应作适当的考虑。

调节阀选择陷阱三：正装、反装
阀门的正装和反装，是针对直通双座调节阀和直通单座调节阀的阀芯安装位置而言的，直通双座调节阀，由于其有两个阀芯和阀座，采用双导向结构，因此可以很方便的把正装的阀芯改成反装，只需把阀芯倒装，阀杆与阀芯的下端链接，上、下阀座互换位置之后就可改变安装方式了。对于口径大于25mm的直通单座调节阀，其阀芯也是双导向结构，只要改变阀杆于阀芯的连接位置就可以实现正装或反装。

直通双座调节阀正装时，阀芯向下移，阀芯与阀座间的流通面积减少；反装时，阀芯向下位移，阀芯与阀座间的流通面积增大。正装和反装时，阀芯位移L与流通面积F的关系可以表示为：

从以上可以得知，改变调节阀的流向与调节阀的正装、反装不是一回事，其作用和用途也是不相同的。
调节阀流向是对介质的流动方向而言的，也就是说，当介质的流动方向向着阀的打开方向流动，即与阀开方向相同时，为“流开型”；如向着阀的关闭方向流动，即与阀关闭方向相同时，为“流闭型”。改变调节阀的方向，会影响调节阀的性能。所以改变调节阀的流向是为了满足生产中的一些使用要求。与常规阀门相比，调节阀的选型及设计更为复杂。要使调节阀能够实现预期的目的，在设计及选型时不仅要考虑上述三方面的因素，工况对泄露量等级的要求、介质对材料的腐蚀及汽蚀和闪蒸现象对材料的破坏等都是不可忽视的。

而调节阀的正装、反装是改变阀芯的安装位置，来改变调节阀的流通能力，即正装时阀的流通面积减少，而反装时阀的流通面积增大。所以调节阀就有正装和反装两种产品。在其与气动执行机构配合使用时，就涉及组合问题。即气动执行机构正、反作用和调节阀正装、反装的组合，决定了气动执行器是气关还是气开式的。与本文相关的产品有：美标316不锈钢法兰截止阀