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關(guān)于調(diào)節(jié)閥的特性及其選擇注意事項(xiàng)，大家也許都不是很清楚，今天杜伯拉閥門技術(shù)君跟你分享以下這篇論文，將會(huì)詳細(xì)的講述：

調(diào)節(jié)閥特性及選擇方法

調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器, 用來(lái)完成被控對(duì)象流量的調(diào)節(jié)。正確地選 擇調(diào)節(jié)閥, 是調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制品質(zhì)的保證。就調(diào)節(jié)閥的組成分類、流量特性進(jìn)行了詳細(xì)描述, 并給出調(diào)節(jié)閥的選擇方法和應(yīng)注意的問(wèn)題。

0?前言

調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器, 是自動(dòng)控制的終端主控元件, 直接控制被測(cè)介質(zhì)的輸送量。調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成, 接受調(diào)節(jié)器或計(jì)算機(jī)的控制信號(hào), 用來(lái)改變被控介質(zhì)的流量,使被調(diào)參數(shù)維持在所要求的范圍內(nèi), 從而達(dá)到過(guò)程控制的自動(dòng)化。在自動(dòng)控制領(lǐng)域中, 控制過(guò)程是否平穩(wěn)直接取決于調(diào)節(jié)閥能否準(zhǔn)確動(dòng)作, 使過(guò)程控制體現(xiàn)為物料能量和流量精確變化。所以, 要根據(jù)不同的需要選擇不同的調(diào)節(jié)閥。選擇恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)閥是管路設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題, 也是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。

1?類型選擇

調(diào)節(jié)閥一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門組成。調(diào)節(jié)閥門是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu), 它根據(jù)控制信號(hào)的要求而改變閥門開(kāi)度的大小來(lái)調(diào)節(jié)流量, 是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。調(diào)節(jié)閥門主要由上下閥蓋、閥體、閥芯、閥座、填料及壓板等部件組成。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中, 閥門主要的調(diào)節(jié)介質(zhì)為水和蒸汽等。在壓力比較低、使用情況單一的情況下, 常用的調(diào)節(jié)閥有直通調(diào)節(jié)閥、三通調(diào)節(jié)閥和蝶閥等種類。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照使用的能源種類可分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)3種, 即以壓縮空氣為動(dòng)力源的氣動(dòng)調(diào)節(jié),以電為動(dòng)力源的電動(dòng)調(diào)節(jié), 以液體介質(zhì)(如油等)壓力為動(dòng)力的液動(dòng)調(diào)節(jié)。其中, 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定、價(jià)格低、維護(hù)方便、防火防爆等優(yōu)點(diǎn), 在許多控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)雖然不利于防火防爆, 但其驅(qū)動(dòng)電源方便可取, 且信號(hào)傳輸速度快、便于遠(yuǎn)距離傳輸、體積小、動(dòng)作可靠、維修方便、價(jià)格便宜。液動(dòng)執(zhí) 行器的推力最大, 且調(diào)節(jié)精度高、動(dòng)作速度快及平穩(wěn), 但設(shè)備體積大, 工藝復(fù)雜。

(1) 調(diào)節(jié)閥門類型的選擇

調(diào)節(jié)閥的閥體類型選擇是調(diào)節(jié)閥選擇中最重要的環(huán)節(jié)。在選擇閥門之前, 要對(duì)控制過(guò)程的介質(zhì)、工藝條件和參數(shù)進(jìn)行細(xì)心的分析, 了解系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)閥的要求, 根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)來(lái)確定所要使用的閥門類型。在具體選擇時(shí), 可從以下幾方面考慮:

①閥芯形狀結(jié)構(gòu)?主要根據(jù)所選擇的流量特性和不平衡力等因素考慮;

②耐磨損性?當(dāng)流體介質(zhì)是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時(shí), 閥芯、閥座接合面每一次關(guān)閉都會(huì)受到嚴(yán)重摩擦。因此閥門的流路要光滑, 閥的內(nèi)部材料要堅(jiān)硬;

③耐腐蝕?由于介質(zhì)具有腐蝕性, 在能滿足調(diào)節(jié)功能的情況下, 盡量選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單閥門;

④介質(zhì)的溫度、壓力?當(dāng)介質(zhì)的溫度、壓力高且變化大時(shí), 應(yīng)選用閥芯和閥座的材料受溫度、壓力變化小的閥門;

⑤防止閃蒸和空化?閃蒸和空化只產(chǎn)生在液體介質(zhì)中。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中, 閃蒸和空化不僅影響流量系數(shù)的計(jì)算, 還會(huì)形成振動(dòng)和噪聲, 使閥門的使用壽命變短, 因此在選擇閥門時(shí)應(yīng)防止閥門產(chǎn)生閃蒸和空化。

(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?執(zhí)行機(jī)構(gòu)不論是何種類型, 其輸出力都是用于克服負(fù)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、重力等有關(guān)力的作用)。因此, 為了使調(diào)節(jié)閥正常工作,配用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能產(chǎn)生足夠的輸出力來(lái)克服各種阻力, 保證高度密封和閥門的開(kāi)啟。

②考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用環(huán)境要求?對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力確定后, 根據(jù)工藝使用環(huán)境要求, 選擇相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如, 對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)有防爆要求時(shí), 應(yīng)選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu), 且接線盒為防爆型, 不能選擇電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果沒(méi)有防爆要求, 則氣動(dòng)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都可選用, 但從節(jié)能方面考慮, 應(yīng)盡量選用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)于液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu), 雖然使用不如氣動(dòng)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)廣泛, 但它具有調(diào)節(jié)精度高、動(dòng)作速度快和平穩(wěn)的特點(diǎn), 所以在特殊的情況下, 為了達(dá)到較好調(diào)節(jié)效果也會(huì)采用。 最后, 還要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性, 選擇動(dòng)作平穩(wěn)、重量輕、外觀美、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2?流量特性分析

2.1 工作原理

根據(jù)流體力學(xué)可知, 調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對(duì)不可壓縮流體, 調(diào)節(jié)閥的流量??式中p1 ———調(diào)節(jié)閥前壓力;

p2 ———調(diào)節(jié)閥后壓力;

A ———節(jié)流截面積;

ξ———調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù);

ρ———流體密度。

由式(1)可知, 當(dāng)A 一定, Δp =p1 -p2 也恒定時(shí), 通過(guò)閥的流量Q 隨阻力系數(shù)ξ變化, 即阻力系數(shù)ξ愈大, 流量愈小。而阻力系數(shù)ξ則與閥的結(jié)構(gòu)和開(kāi)度有關(guān)。所以調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)控制閥門的開(kāi)或關(guān), 可改變閥的阻力系數(shù), 從而改變被調(diào)介質(zhì)的流量。

2.2 流量特性分析

調(diào)節(jié)閥的流量特性是指被調(diào)介質(zhì)流過(guò)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)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。理想流量特性是指在調(diào)節(jié)閥前后壓差固定不變情況下的流量特性, 有直線、等百分比、拋物線及快開(kāi)4 種特性, 如表1 。在實(shí)際系統(tǒng)中, 閥門兩側(cè)的壓力降并不是恒定的, 使其發(fā)生變化的原因主要有2 個(gè)方面:

①由于泵的特性, 當(dāng)系統(tǒng)流量減少時(shí)由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加;

②當(dāng)流量減少時(shí), 盤管上的阻力也減少, 導(dǎo)致較大的泵壓加于閥門。因此調(diào)節(jié)閥前后的壓差通常是變化的, 在這種情況下, 調(diào)節(jié)閥相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系, 稱為工作流量特性。具體可分為串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性、并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性。

表1?調(diào)節(jié)閥4 種理想流量特性

流量特性 性質(zhì) 特點(diǎn)

直線 調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與相對(duì) 開(kāi)度呈直線關(guān)系, 即單位 相對(duì)行程變化引起的相對(duì) 流量變化是一個(gè)常數(shù)。 (1)小開(kāi)度時(shí), 流量變化大而大開(kāi)度時(shí)流量變化小; (2)小負(fù)荷時(shí), 調(diào)節(jié)性能過(guò)于靈敏而產(chǎn)生振蕩, 大負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)遲緩而不及時(shí); (3)適應(yīng)能力較差。

等百分比 單位相對(duì)行程的變化引起 的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的 相對(duì)流量成正比。 (1)單位行程變化引起流量變化的百分率是相等的; (2)在全行程范圍內(nèi), 工作都較平穩(wěn), 尤其在大開(kāi)度時(shí), 放大倍數(shù)也大, 工作更為靈敏有效; (3)應(yīng)用廣泛, 適應(yīng)性強(qiáng)

拋物線 特性介于直線特性與等百 分比特性之間, 使用上常 以等百分比特性代之。 ?(1)特性介于直線與等百分比特性之間; (2)調(diào)節(jié)性能較理想但閥芯加工較困難。

快開(kāi) 在閥行程較小時(shí), 流量就 有比較大的增加, 很快達(dá) 最大。 (1)在小開(kāi)度時(shí)流量已很大,隨著行程的增大, 流量很快達(dá)到最大; (2)一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制。

(1)串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性

調(diào)節(jié)閥串聯(lián)管道時(shí), 因調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的變化會(huì)引起流量的變化, 由流體力學(xué)理論可知, 管道的阻力損失與流量成平方關(guān)系, 調(diào)節(jié)閥一旦動(dòng)作, 流量則改變, 系統(tǒng)阻力也相應(yīng)改變, 因此調(diào)節(jié)閥壓降也相應(yīng)變化。串聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性與壓降分配比有關(guān)。閥上壓降越小, 調(diào)節(jié)閥全開(kāi)流量相應(yīng)減少, 使理想的直線特性畸變?yōu)榭扉_(kāi)特性, 理想的等百分比特性畸變?yōu)橹本€特性。在實(shí)際使用中, 當(dāng)調(diào)節(jié)閥選得過(guò)大或生產(chǎn)處于非滿負(fù)荷狀態(tài)時(shí), 調(diào)節(jié)閥則工作在小開(kāi)度, 有時(shí)為了使調(diào)節(jié)閥有一定的開(kāi)度, 而將閥門關(guān)小以增加管道阻力, 使流過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量降低, 實(shí)際上就是使壓降分配比值下降, 使流量特性畸變, 惡化了調(diào)節(jié)質(zhì)量。

(2)并聯(lián)管道時(shí)的工作流量特性

并聯(lián)管路一般由閥支路和旁通管支路組成, 調(diào)節(jié)閥安裝在閥支路管路上。調(diào)節(jié)閥在并聯(lián)管道上,在系統(tǒng)阻力一定時(shí), 調(diào)節(jié)閥全開(kāi)流量與總管最大流量之比隨著并聯(lián)管道的旁路閥逐步打開(kāi)而減少。此時(shí), 盡管調(diào)節(jié)閥本身的流量特性無(wú)變化, 但系統(tǒng)的可調(diào)范圍大大縮小, 調(diào)節(jié)閥在工作過(guò)程中所能控制的流量變化范圍也大大減小, 甚至起不到調(diào)節(jié)作用。要使調(diào)節(jié)閥有較好的調(diào)節(jié)性能, 一般認(rèn)為旁路流量最多不超過(guò)總流量的20 %。

3?流量特性的選擇

流量特性的選擇方法:

①通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的分析法;

②在實(shí)際工程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)法。由于分析法既復(fù)雜又費(fèi)時(shí), 所以一般工程上都采用經(jīng)驗(yàn)法。具體來(lái)說(shuō), 應(yīng)該從以下幾個(gè)方面考慮:

(1)從自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量考慮

根據(jù)自動(dòng)控制原理中的特性補(bǔ)償原理, 為了使系統(tǒng)保持良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量, 希望開(kāi)環(huán)總放大系數(shù)與各環(huán)節(jié)放大系數(shù)之積保持常數(shù)。這樣, 適當(dāng)選擇閥的特性, 以閥的放大系數(shù)變化來(lái)補(bǔ)償對(duì)象放大系數(shù)的變化, 可使系統(tǒng)的總放大系數(shù)保持不變。

(2)根據(jù)管道系統(tǒng)壓降變化情況來(lái)選擇

調(diào)節(jié)閥的壓降比定義為該調(diào)節(jié)閥可控制的最大流量所對(duì)應(yīng)閥門前后差壓Δp1m和系統(tǒng)差壓Δp 之比

調(diào)節(jié)閥流量特性與壓降比S 有密切的關(guān)系, 如表2 所示。

表2?根據(jù)管道系統(tǒng)壓降選擇調(diào)節(jié)閥特性表

管道系統(tǒng)壓降比S 1-0.6 0.6-0.3 0.3-0

實(shí)際工作流量特性 直線 等百分比 直線 等百分比 調(diào)節(jié)不適宜

所選流量特性 直線 等百分比 直線 等百分比

(3)從負(fù)荷變化的情況來(lái)分析

直線閥在小開(kāi)度時(shí)流量變化大, 調(diào)節(jié)過(guò)于靈敏,易振蕩;在大開(kāi)度時(shí), 調(diào)節(jié)作用又顯得微弱, 造成調(diào)節(jié)不及時(shí), 不靈敏。因此在壓降比S 較小、負(fù)荷變化大的場(chǎng)合不宜采用直線閥。等百分比閥在接近關(guān)閉時(shí)工作緩和平穩(wěn), 而接近全開(kāi)狀態(tài)時(shí), 放大系數(shù)大, 工作靈敏有效, 因此它適用于負(fù)荷變化幅度大的場(chǎng)合?？扉_(kāi)特性閥在行程較小時(shí), 流量就較大, 隨著行程的增大, 流量很快達(dá)到最大, 它一般用于雙位調(diào)節(jié)和程序控制的場(chǎng)合。 (4)根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性進(jìn)行選擇 一般凡是具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對(duì)象都可選擇等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥, 不具有自平衡能力的調(diào)節(jié)對(duì)象則選擇直線流量特性的調(diào)節(jié)閥。

4?調(diào)節(jié)閥口徑選擇

選擇調(diào)節(jié)閥門口徑的目的是使閥門和管道組合, 產(chǎn)生一個(gè)合理的組合線性特性, 使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能進(jìn)行有效控制。調(diào)節(jié)閥口徑是根據(jù)工藝要求的流通能力確定的, 由提供的工藝條件計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的流通能力, 再依據(jù)其流通能力選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。

要合理選擇調(diào)節(jié)閥門的口徑, 必須了解調(diào)節(jié)閥流通能力。流通能力是指當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開(kāi), 閥兩端壓差為9.81 ×104 Pa , 流體的密度為1 g cm3 時(shí), 每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量值。調(diào)節(jié)閥的流通能力是合理選擇閥門及閥門口徑的一個(gè)重要參數(shù), 通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥流通能力的計(jì)算, 比對(duì)廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定閥門口徑的大小。對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 水是流經(jīng)調(diào)節(jié)閥最普通、最常見(jiàn)的介質(zhì), 所以這里以水為例介紹調(diào)節(jié)閥的流通能力。

在實(shí)際工程中, 閥門口徑是分級(jí)的, C 值通常也不是連續(xù)值(公式計(jì)算的C 值是連續(xù)的)。不同廠商的同類型產(chǎn)品有不同的C 值與口徑對(duì)應(yīng)表。在算出期望的C 值后, 就可以查閱生產(chǎn)商的相應(yīng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表來(lái)決定所需的閥門口徑。選取閥門口徑的原則應(yīng)盡可能接近或大于計(jì)算結(jié)果, 不應(yīng)小于計(jì)算結(jié)果。

5 注意事項(xiàng)

(1)調(diào)節(jié)閥門直接按照接管管徑選取是不合理的, 因?yàn)殚y門的調(diào)節(jié)品質(zhì)與接管流速或管徑?jīng)]有關(guān)系, 閥門的調(diào)節(jié)品質(zhì)僅與水的阻力及流量有關(guān)。亦即一旦系統(tǒng)設(shè)備確定之后, 理論上適合該系統(tǒng)的閥門只有一種理想的口徑, 而不會(huì)出現(xiàn)多種選擇。

(2)就閥門的選擇而言, 選擇的閥門口徑過(guò)小,一方面會(huì)增加系統(tǒng)的阻力, 甚至?xí)霈F(xiàn)閥門口徑100 %開(kāi)啟, 系統(tǒng)也無(wú)法達(dá)到設(shè)定的容量要求, 導(dǎo)致嚴(yán)重后果;另一方面閥門將需要通過(guò)系統(tǒng)提供較大的壓差以維持足夠的流量, 加重泵的負(fù)荷, 閥門易受損害, 對(duì)閥門的壽命影響很大。

(3)就閥門的選擇而言, 選擇的閥門口徑過(guò)大,不僅增加工程成本, 而且還會(huì)引起閥門經(jīng)常運(yùn)行在低百分比范圍內(nèi), 引起調(diào)節(jié)精度降低, 使控制性能變差, 而且易使系統(tǒng)受沖擊和振蕩。

(4)為了保證系統(tǒng)控制品質(zhì), 最好的方法是在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)選擇能獲得較大壓力降的閥門口徑, 使閥門在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中壓力降的變化值盡可能小。閥門全開(kāi)狀態(tài)下的壓力降占全泵壓百分比越高, 則閥門壓力降相對(duì)變化值越小, 閥門的安裝特性就越接近其內(nèi)在特性。

(5)控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡可能工作于恒定的壓力降條件下, 因?yàn)殚y門是否匹配盤管依賴于它的內(nèi)在特性和流量因子, 而這些閥門參數(shù)取決于恒定的閥門壓力降。

綜上所述, 進(jìn)行調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的目是最大限度地保證系統(tǒng)控制的品質(zhì)要求, 這就要求對(duì)調(diào)節(jié)閥的組成、分類、特性有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí), 并在此基礎(chǔ)上掌握正確的選擇方法。而且, 對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)配置調(diào)節(jié)閥時(shí), 還需要對(duì)整個(gè)管系環(huán)路進(jìn)行詳盡的分析,綜合考慮各種因素。只有這樣, 才能正確地選擇調(diào)節(jié)閥, 保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 

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