控制阀的理想流量特性

　　控制阀的理想流量特性

　　控制阀特性

　　可以使用各种类型的流动特性。本教程讨论了水和蒸汽流量应用中使用的三种主要类型：快速打开，线性和等百分比流量；它们如何进行比较，以及如何（以及为什么）将它们与使用它们的应用程序进行匹配。

　　流动特性

　　所有控制阀都具有固有的流量特性，该特性定义了恒定压力条件下“阀的开度”与流量之间的关系。请注意，此处的“阀门打开”是指阀塞相对于其紧靠阀座的关闭位置的相对位置。它不涉及节流孔通过区域。孔口通过面积有时被称为“阀喉”，是阀塞和阀座之间的最窄点，流体可随时通过该点。对于任何阀门，无论其特性如何，流量与孔口通过面积之间的关系始终成正比。

　　承受相同体积流量和压差的任何尺寸或固有流量特性的阀都将具有完全相同的节流孔通过面积。但是，对于相同的通过面积，不同的阀门特性将给出不同的“阀门开口”。比较线性阀和等百分比阀，对于一定的压降和流量，线性阀可能有25％的阀开度，而在完全相同的条件下，等百分比阀可能有65％的阀开度。孔口通过面积将相同。

　　阀塞和阀座装置的物理形状（有时称为阀门“修边”）会导致这些阀门之间的阀门开度不同。图6.5.1对主轴操作的截止阀的典型阀内件形状进行了比较。

　　在该模块中，术语“阀升程”用于定义阀的开度，无论阀是截止阀（旋塞相对于阀座的上下运动）还是旋转阀（旋塞相对于阀座的横向运动）。座位）。

　　旋转阀（例如，球阀和蝶阀）均具有基本的特性曲线，但是更改球阀或蝶阀塞的细节可能会对此进行修改。典型的截止阀和旋转阀的固有流量特性在图6.5.2中进行了比较。

　　截止阀可以装有不同形状的塞子，每个塞子都有其自身固有的流量/开启特性。通常指定三种主要类型：

　　•快速打开。

　　•线性。

　　•相等百分比。

　　这些示例及其固有特性的示例如图6.5.1和6.5.2所示。

快速开启特性

　　快速打开的特性阀芯会在从关闭位置起较小的阀升程中产生较大的流量变化。例如，气门升程为50％可能会导致节流孔通过面积，流量最高可达其最大电势的90％。

　　使用这种类型的阀芯的阀有时被称为具有“开/关”特性。

　　与线性和等百分比特性不同，标准中未定义快速打开曲线的确切形状。因此，两个阀，其中一个在50％升程时提供80％的流量，另一个90％升程时提供90％的流量，都可以视为具有快速打开特性。

　　快开阀往往是电动或气动方式，用于“开/关”控制。

　　自作用式控制阀的阀塞形状往往类似于图6.5.1中的快开阀塞。阀芯位置响应控制系统中液体或蒸气压力的变化。相对于受控状态的细微变化，这种类型的阀芯的运动可能非常小，因此，该阀具有固有的高可调节性。因此，阀芯能够产生较小的流量变化，因此不应视为快速打开的控制阀。

　　线性特性

　　线性阀芯的形状应使流量在恒定压差下与阀升程（H）成正比。线性阀通过在气门升程和节流孔通过面积之间具有线性关系来实现此目的（见图6.5.3）。

　　例如，在气门升程为40％时，节流孔尺寸为40％可使40％的全流量通过。

　　等百分比特性（或对数特性）

　　这些阀具有阀塞形状，因此阀升程的每次增加都会使流量增加前一流量的一定百分比。气门升程与节流孔尺寸（以及因此的流量）之间的关系不是线性的，而是对数的，并且用数学公式6.5.1表示：

示例6.5.1

　　通过具有相同百分比特性的控制阀的最大流量为10m³/ h。如果阀门的调节比为50：1，并承受恒定的压差，则通过使用公式6.5.1，将有多少量的阀门分别以40％，50％和60％的升程通过？

　　通过这种类型的控制阀的体积流量的增加，每等量增加阀运动就以相等的百分比增加：

　　阀门开度为50％时，流量为1.414m³/ h，比阀门开度为40％时的0.956m³/ h流量增加48％。

　　当阀门开度为60％时，流量将达到2.091m³/ h，比阀门开度为50％时的流量1.414m³/ h增加48％。

　　可以看出，在气门升程增加10％的情况下（压差恒定），通过控制阀的流量增加了48％。对于等百分比的阀门，量程比为50的情况总是如此。有兴趣的是，如果阀门的量程比为100，则当阀升程变化10％时，流量的增量增加为58％。

　　表6.5.1显示了示例6.5.1中的等百分比气门在量程为50且压差恒定的情况下，流量变化如何在气门升程范围内变化。

　　有时还会使用其他一些固有的阀门特性，例如抛物线形，改进的线性或双曲线形，但制造中最常见的类型是快速打开，线性和等百分比。

　　使阀门特性与安装特性相匹配

　　每种应用都有独特的安装特性，可将流体流量与热量需求联系起来。阀上控制加热流体流量的压差也可能会变化：

　　在水系统中，泵的特性曲线意味着，随着流量的减少，上游阀门的压力会增加（请参见示例6.5.2和模块6.3）。

　　在蒸汽温度控制系统中，故意改变控制阀上的压降以满足所需的热负荷。

　　为某个应用选择的控制阀的特性应导致阀的开度与流量之间的直接关系，且应尽可能多地通过阀的行程。

　　本节将考虑用于控制水和蒸汽系统的阀门特性的各种选择。通常，线性阀用于水系统，而蒸汽系统在使用相同百分比的阀时往往会更好地运行。

　　1.带三通阀的水循环加热系统

　　在恒定流量的水通过三通阀混合或分流到平衡回路的水系统中，阀上的压力损失应尽可能稳定，以保持系统平衡。

　　结论

　　-这些应用中的最佳选择通常是具有线性特性的阀门。因此，安装特性和固有特性总是相似且线性的，并且控制环路中的增益将受到限制。

　　2.锅炉水位控制系统–带两通阀的水系统双

　　通阀

　　在这种类型的系统中（图6.5.6中显示了一个示例），其中两通进水控制阀改变水的流量，控制阀上的压降将随流量而变化。这种变化是由于：

　　泵的特性。随着流量的减少，泵和锅炉之间的压差增加（此现象在模块6.3中进行了详细讨论）。

　　管道的摩擦阻力随流量而变化。失去摩擦头的速度与速度的平方成正比。（此现象在模块6.3中有更详细的讨论）。

　　锅炉内的压力将根据蒸汽负荷，燃烧器控制系统的类型及其控制方式而变化。

例6.5.2在图6.5.6中选择给水阀并确定其尺寸

　　在一个简化的示例中（假设锅炉中的压力恒定且管道中的摩擦损耗恒定），锅炉每小时额定产生10吨蒸汽。表6.5.2列出了锅炉给水泵的性能特性，以及在最大流量需求为10m³/ h或更低时，各种流量下通过给水阀的总压差（ΔP）。

　　注意：阀ΔP是泵的排出压力与10 bar g的恒定锅炉压力之间的差。请注意，随着给水流量的增加，泵的排放压力将下降。这意味着给水阀之前的水压也会随着流量的增加而下降，这将影响压降和通过阀的流量之间的关系。

　　从表6.5.2可以确定，从空载到满载，泵的排放压力下降约26％，但给水阀上的压差下降幅度更大，为72％。如果在选型时不考虑阀两端的下降压差，则阀可能尺寸过小。

　　如模块6.2和6.3所述，阀容量通常以Kv表示。更具体地，Kvs涉及在完全打开时阀的通过面积，而Kvr涉及应用程序要求的阀的通过面积。

　　考虑Kvs为10的全开阀的通过面积是否为100％。如果阀门关闭，则通过面积为全开通过面积的60％，则Kvr也是10 = 6的60％。这与阀门固有的特性无关。在每个开口处流经阀门的流量将取决于当时的压差。

　　使用表6.5.2中的数据，可以使用公式6.5.2得出每个增量流量和阀压差所需的阀容量Kvr，该公式可从公式6.3.2中得出。表示安装所需的实际阀门容量，如果将其绘制为所需的流量，则得出的图表可以称为“安装曲线”。

在满负载条件下，来自表6.5.2：

　　通过阀的所需流量= 10m³/ h

　　穿过阀的ΔP= 1.54 bar

　　来自公式6.5.2：

　　穿过阀的ΔP= 1.54 bar

　　来自公式6.5.2：bar

　　从表6.5.2中获取阀流量和阀ΔP，可以从公式6.5.2确定每个增量的Kvr；这些都列在表6.5.3中。

绘制安装曲线

　　对于此示例，8.06的Kvr满足10 m3 / h的最大流量条件。

　　可以通过将流量与Kvr进行比较来构造安装曲线，但是通常以百分比形式查看安装曲线更为方便。这仅表示Kvr对Kvs的百分比，换句话说，就是实际通过区域相对于完全开放通过区域的百分比。

　　对于此示例：通过获取任何负载下的Kvr与8.06的Kvs之比来构造安装曲线。Kvs为8.06的阀门将是“尺寸合适的”阀门，并且将描述安装曲线，如表6.5.4所示，图6.5.7所示。对于本示例，该安装曲线可以认为是大小合适的阀门的阀门容量。