调节阀流量特性、流向、安装三大选择问题

诶附加

导读

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，作为最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。

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。

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、最大流量、最小流量、最大流量与最小流量下的进出口压力、最大切断压差等。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，是最常用的一种执行器。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，最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，当气蚀发展到完全稳定时，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最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最低位置处，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。

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。

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彻底关断工作介质，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最小开度在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。

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。