如何科学的选择调节阀|学习资料

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自动控制系统是通过执行器对被控对象进行作用的。调节阀是生产过程自动化控制系统中常见的一种执行器。调节阀直接与流体接触控制流体的压力或流量。正确选取调节阀的结构型式、流量特性、流通能力；正确选取执行机构的输出力矩或推力与行程对于自动控制系统的稳定性起着十分重要的作用。如果计算错误，选择不当，将直接影响控制系统的性能，使得自动控制系统产生震荡甚至不能正常运行。因此，在自动控制系统的设计过程中，调节阀的设计选型计算是必须认真考虑的重要环节。

1调节阀结构形式的选择

常用的调节阀结构形式有 直通单座阀、直通双座阀、套筒阀、偏心旋转阀、蝶阀、全功能超轻型调节阀、球阀，应当根据不同的使用情况，结合不同结构形式阀门各自的特点，从调节性能、适用温度、适用口径、耐压、适用介质条件、切断差压、泄流量、压力损失、重量、外观、成本等方面对调节阀的结构形式进行选择。

对调节阀进行结构的选择时，要根据相应的管路及介质条件，按照如下优选顺序进行选择

①全功能超轻型调节阀→②蝶阀→③套筒阀→④单座阀→⑤双座阀→⑥偏心旋转阀→⑦球阀，只有当前一优选级别的阀门再某一方面不合适时，才考虑选择下一级类型的阀门。

关于调节阀的调节特性的评定

调节阀的流量调节性能一般通过流量特性、可调比、小开度工作性能、Kv值和动作速度进行综合评价。

调节性能以其流量特性曲线进行衡定，一般认为等百分比特性为最优，其调节稳定，调节性能好，最利于流量压力调节。而抛物线特性又比线性特性的调节性能好，快开特性为最不利于流量调节的流量特性。因此在选用调节阀时，一般希望调节阀流量特性曲线为等百分比型。

可调比反映了调节阀的可调节流量范围，调节阀的可调比就是调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比。可调比也称可调范围，以R来表示，即R=Qmax/Qmin，Qmax为调节阀的最大可控流量，Qmin为调节阀的最小可控流量。一般认为R的值越大，则调节阀的可调节范围越。

此外，对调节阀的调节性能进行评价时，还应当对其小流量下的调节能力、流通能力、调节速度进行考察。

2 调节阀执行机构的选择

2.1 调节阀执行机构的分类

1、执行机构按所使用能源的不同，可分为气动、电动和液动三类：

气动类执行机构具有价格低、结构简单、性能稳定、维护方便和本质安全性等特点，因此在需要考虑防爆处理的场合应用应用十分广泛。

电动类执行机构可直接连接电动仪表或计算机，不需要电气转换环节，但价格昂贵、结构复杂，应用时需考虑防爆等问题，一般在无可燃气体，不需要考虑防爆处理的场合下使用。

液动类执行机构具有推力(或推力矩)大的优点，但装置的体积大，流路复杂，通常采用电液组合的方式应用于要求大推力(力矩)的应用场合。

2、按执行机构输出位移的类型，执行机构分为直行程执行机构、角行程执行机构和多转式执行机构直行程执行机构输出直线位移。角行程执行机构输出角位移，角位移小于360°例如，转动角度为90°或60°蝶阀的执行机构。多转式执行机构与角行程执行机构类似，但转动的角位移可以达多圈。

3、按执行机构输入信号的类型，执行机构分为模拟式执行机构和数字式执行机构。模拟式执行机构接收模拟信号，例如4～20mA的标准电流信号等。数字式执行机构接收数字信号，通常是一串二进制信号，用于开闭相应的数字阀。

2.2调节阀执行机构的选择方法

2.2.1 执行机构选择的主要考虑因素 执行机构选择的主要考虑因素是：①可靠性；②经济性；③动作平稳、足够的输出力；④重量外观；⑤结构简单、维护方便。

2.2.2电动执行机构与气动执行机构的选择比较

1）可靠性方面 气动执行机构简单可靠，在可靠性上，气动执行机构略优于电动执行机构。而电动执行机构可直接连接电动仪表或计算机，不需要电气转换环节，可通过4-20mA模拟信号或数字信号进行开度的调节。

2）驱动源 气动执行机构需另设置气源站，而电动调节阀的驱动源随地可取。

3）价格方面 气动执行机构必须附加调节阀定位器，再加上气源，其费用与电动调节阀大致相当

4）推力和刚度 在推力上，气动执行机构和电动执行机构大致相当

5）防火防爆 气动执行机构在防火和防爆方面要优于电动执行机构，因此在存在可燃性危险气体的场合，一般要首先考虑选用气动执行机构。

2.2.3调节阀执行机构的确定

装置实验管路环境无可燃性危险气体，而且希望采用工控机输出4-20mA电流的方式对调节阀的开度值进行控制，因此选择电动执行机构，要求阀门的开度能够随工控机输出电流的增大而增大，随输出电流的减小而减小。

此外调节阀的死区特性是影响调节阀调节性能的重要因素。死区特性指的就是当阀门的输入信号发生正反方向的变化时，执行机构并未产生相应的动作，而当输入信号继续增大到一定值之后，执行机构才产生相应的动作，但此时执行器的动作往往过位而导致过量偏差。调节阀死区特性的计算可表示为

为提高实验管路的流量压力调节能力，要求阀门组件的总的死区应该等于或小于1%（对于4-20mA 电流控制的阀门，要求其电动执行器能够对0.16mA 的电流值该变量做出反应动作），理想地，应该低到0.25%（对于4-20mA 电流控制的阀门，要求其电动执行器能够对0.04mA 的电流值该变量做出反应动作）

3 调节阀流量特性的选择

调节阀的流量特性是指被调介质流过调节阀的相对流量与调节阀相对开度之间的函数关系，其数学表达式为

调节阀流量特性分固有特性和工作特性两种。固有特性又称调节阀的结构特性，是由生产厂制造时决定的，其特性曲线的测定是在阀门前后差压保持不变的条件下测定的。但调节阀在工作管路中使用时，由于管路系统阻力分配情况随流量变化，调节阀的前后差压也发生变化，这样就使调节阀的流量特性曲线相对于其固有特性曲线发生了畸变，此时的流量特性即为调节阀的工作流量特性。调节阀常见的流量特性曲线有快开、等百分比、直线三种形式。

3.1 调节阀固有流量特性曲线及其特点

3.2 调节阀工作流量特性曲线

在实际的工艺装置中，调节阀安装在工艺管道系统中，由于除调节阀以外的管道、装置、设备等存在阻力损失，而且该阻力损失随通过管道的流量呈平方变化关系，当系统两端的差压一定时，流量值越大，则除调节阀之外的阻力损失也就越大，调节阀上的差压值 就会随流量的增加而减小，这个差压的变化也会引起通过调节阀的流量值相对于差压不变的情况相应开度下的流量值有所减小，造成调节阀的流量特性曲线发生下移。因此调节阀实际工作中的流量特性曲线会相对于其理想特性曲线产生一定的畸变。

调节阀工作特性的畸变程度，可以通过阀阻比S 值进行衡量，其中S 值的定义式为

式中， 为调节阀调至最大开度，管路中流量达到最大之时，调节阀前后的差压值。

为调节阀调至最大开度时，管路系统的总压降。在一个由调节阀及其它阻力部件所构成的管路系统中，阀阻比S 的值越大，则说明调节阀的压降占整个系统比重越大，调节阀控流能力越大反之S 值越小，则说明调节阀的压降占整个系统的比重越小，调节阀的控制能力越差，将产生两个不利的后果：

一是调节阀的流量特性发生越来越大的畸变，使直线特性渐渐趋于快开特性，使等百分比特性渐渐趋于直线特性，这样一来使小开度时放大系数增加、大开度时放大系数减小，造成小开度时控制不稳定和大开度时控制迟钝。二是调节阀的可调节阀的可调范围随之减小，实际可调比R'随S 减小而减小。因此在实际使用中，通常要求S 值不低于0.3~0.5。

3.3 调节阀工作流量特性的经验性选择方法

（1） 快开特性一般用于开关控制和两位式调节（在阀门的两个开度之间切换调节），在对流量进行连续调节的场合，一般不会选用快开特性。因此控制系统中调节阀流量特性的选择其实就是等百分比特性和线性特性的选择。

（2） 在对流量、温度、压力（尤其是在阀前后压力存在较大波动或阀后直管线短于3 米的气体压力自动调节系统中）进行自动调节控制的场合，应当采用等百分比特性；

当调节阀经常工作在小开度时，应当选用等百分比特性；

对蒸汽压力、流量进行调节时，宜采用等百分比特性调节阀。

（3） 手动流量调节控制中，一般选用线性特性；

液位自动调节控制系统一般选用线性特性；

两个调节阀并联使用的情况下，适宜采用线性特性；

在水泵最小流量保护时，适宜采用线性特性；

压缩机反喘振时，宜采用线性特性。

3.4 根据希望的工作流量特性及阀阻比选择相应的理想流量特性调节阀

首先对阀阻比进行估算，而后根据阀阻比的值选择相应的理想流量特性的调节阀。

（1） 当阀阻比介于0.6 和1 之间时，可以按照所希望的工作流量特性选择理想流量特性阀门

（2） 当阀阻比介于0.1 和0.6 之间时，一般均选用理想流量特性为等百分比的调节阀

3.5 调节阀工作流量特性的确定

装置的自动调节控制对象为实验管路内饱和蒸汽的流量值及其压力值，因此选用等百分比特性调节阀。调节阀的放大系数随阀门开度的增加而增加，在小开度时流量值较小，调节阀放大系数较小，单位开度变化所引起的流量变化量也小，调节平稳缓和；大开度时流量值较大，调节阀放大系数较大，单位开度变化所引起的流量变化量也大，调节灵敏有效。

4 调节阀口径的计算与选择

一般情况下，所选用调节阀的最佳口径值并一定是安装管道的口径值，直接按照调节阀所在连接管道的口径选取调节阀的口径是不合理的。

4.1 计算流量的确定

根据装置的工作状况，决定调节阀最大计算流量 和最小计算流量
。取原实验管路中稳态的最大流量的1.15～1.5 倍作为调节阀的最大计算流量 ；取原实验管路的稳态的最小流量的0.87～0.67 倍作为调节阀的最小计算流量 。

4.2 计算压差的决定

进行调节阀口径计算时要首先确定最大流量时（调节阀全开）阀前压力与阀后压力的差值 ，即计算差压。合理确定计算差压极大地影响调节阀的工作特性。调节阀的工作特性实际上取决于调节阀的压降与管路系统总阻力损失的比值，S 值越大,越接近理想特性,调节性能越好；S 值越小,畸变越厉害,因而可调比减小,调节性能变坏。但从装置的经济性考虑时,S小,调节阀上压降变小,系统压降相应变小,这样从节约能耗上考虑S 值越小越好。因此在实际应用中,对于总体压力损失较低的管路系统，可以选择S＝0.3～0.6 或S＝0.6～1；对于总体压力损失较高的管路系统，一般取S＝0.15～0.3；对高压系统可小至S＝0.05。压降的选定方法，根据不同的已知条件，用于确定调节阀计算差压的方法有以下两种：

（1）按管路系统的阻损比来确定
在确定调节阀的计算差压时，可以根据阀阻比S 的值确定计算差压的值。由阀阻比的计算公式可得

因此，当管路系统的各局部阻力件，即弯头、管段、三通、手动阀门、节流装置等在实验管路最大流量时的总压力损失计算出后及阀阻比S 确定的情况下，可以由上述公式计算调节阀的计算差压。

（2）按定压点的压差选取阀的压降

当实验管路的入口压力和出口压力已知且在实验使用过程中能够基本维持恒定时，可以按照定压点差压来确定调节阀的计算差压值。

当实验管路入口压力和出口压力的差值固定时，在最大流量时的
值就等于，这样在S值提前选定的情况下，就可以根据公式

来确定调节阀的计算差压值。

当调节阀的计算差压值确定之后，再结合管路情况，初步估算出调节阀前后的压力值（绝压）。

当实验管段内达到最大流量时，设试验管段入口压力值约为0.9Mpa，出口压力为大气压力值，则实验管路 的值为 0.9Mpa，取两个调节阀的 S 值均为 0.1，则调节阀的计算差压为 0.09Mpa 。对于调节阀 1 ，估算其阀前与阀后的绝对压力值分别为 1.0Mpa 和0.91Mpa；对于调节阀2，估算其阀前与阀后的绝对压力值分别为0.91Mpa 和0.82Mpa

4.3 Kv 值计算

流量系数Kv 的定义为：当调节阀全开，阀两端压差△P 为100KPa，流体重度r 为lgf/cm(即常温水)时，每小时流经调节阀的流量数，以 或 t／h 计。根据已决定的最大计算流量、计算压差及其它有关参数，求出最大工作流量时的
（1）当介质为饱和蒸汽时，流量系数的计算方法

（2）当介质为一般气体时，流量系数的计算方法

（3）当介质为一般液体的Kv 值计算方法

4.4 初步决定调节阀口径

根据已计算的，在所选用的产品型式系列中，选取大于
并与其接近的一档Kv值，得出口径，一般所选用调节阀口径不应大于所安装管道的口径。

4.5 开度验算

要求就小流量时，开度值不小于10%；最大流量时，开度值不大于90%

（1） 最大流量开度验算公式（对数特性调节阀）

（2） 最小流量开度验算公式（对数特性调节阀）

4.6 实际可调比验算

调节阀在实际运行中，受工作特性的影响，S 值越小，最大流量相应减小。同时工作开度也不是从0 至全开，而是在10％～90％左右的开度范围内工作，使实际可调比进一步下降。

一般希望调节阀的实际可调比能够满足装置实验流量调节的要求。调节阀实际可调比的验算公式为

4.7 压差校核

4.8 阀门口径的确定

开度、可调比、差压均验算合格之后，即可确定调节阀的口径值

5 调节阀选型订货必须提供的性能参数

（1）产品名称（2）型号（型号中包括作用方式、温度范围）；（3）公称压力；（4）公称通径；（5）流量系数；（6）流量特性；（7）泄漏率；（8）阀关闭时的压差；（9）阀体材质；（10）芯座材质；（11）附件（附件型号、信号、规格、防爆否等）。

6 调节阀执行机构的主要性能指标及测试

调节阀执行机构的性能指标有：基本误差、回差、死区、始终点偏差、额定行程偏差。

6.1 基本误差

调节阀实际上升、下降特性曲线（反应阀门输入信号与实际开度之间关系的曲线）与规定的特性曲线之间的最大偏差。用额度行程的百分比表示。

将规定的输入信号平稳地按增大和减小方向输入执行机构，测量各点所对应的行程值（阀门开度百分比），计算出“信号－行程”实际关系与理论关系之间的各点误差。其最大值即为基本误差。

试验点应至少包括信号范围0、25％、50％、75％、100％这5 个点。测量仪表基本误差限应小于被试阀基本误差限的1/4。

6.2 回差

信号由小变大和信号由大变小时在同一输入信号值处，各自相应行程值间的最大差值。

用额度行程的百分比表示。

试验程序与上面第（1）点所述相同。在同一输入信号上所测得的正反行程的最大差值即为回差。

6.3 死区特性的测试

输入信号正、反方向的变化不致引起阀杆行程有任何可觉察变化的有限区间。用输入信号量程的百分比表示。

死区特性指的就是当阀门的输入信号发生正反方向的变化时，执行机构并未产生相应的动作，而当输入信号继续增大到一定值之后，执行机构才产生相应的动作，但此时执行器的动作往往过位而导致过量偏差。调节阀死区特性的计算可表示为

a）缓慢增大或减小输入信号，直到观察到有明显的行程变化，记下此时的输入信号值。

b）按照相反的方向缓慢改变输入信号值，直到观察到有明显的行程变化。

c）a、b 两项输入信号的差值即为死区特性，死区特性应当在信号量程的25%、50%、75%处进行测量。

6.4 额定行程偏差

实际到达全开位置上的行程与规定全开位置行程之间的偏差，用额度行程的百分比表示。

将额定输入信号加入执行机构，使阀杆走完全程，实际行程与额定行程之差与额定行程之比即为额定行程偏差。实际行程必须大于额定行程。

7 调节阀调试

7.1 工作模式及参数设置

（1）设置为4—20mA电流控制模式

（2）输入信号中断时，阀门停止

7.2 调节阀零位调整和满位调整

7.3 调节阀死区百分比的调整

7.4 调节阀定位精度的调整