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1 第四章调节阀 4 1气动调节阀结构 4 2调节阀的流量系数 4 3调节阀结构特性和流量特性 4 4气动调节阀选型 2 简单控制系统组成 被控对象 测量变送装置 调节器和调节阀组成 其中调节阀主要包括执行机构和阀体两部分 调节阀的作用 接受调节器送来的控制信号 调节管道中介质的流量 即改变调节量 从而实现生产过程的自动化 本章学习目的 了解调节阀的结构原理 掌握调节阀流通系数和流量特性等概念 最终通过计算选择合适的调节阀 温度控制系统示意图 阀 电磁阀 调节阀 3 调节阀按所用能源可分为气动 电动和液动三类 按能源分 气动 压缩空气作为能源 结构简单 输出推力较大 维修方便 价格低廉 防火防爆电动 能源取用方便 信号传递迅速 但结构复杂 防爆性能差液动 液动控制阀推力最大 但较笨重 现已很少使用 4 三种执行器的特点比较 5 阀门定位器 气动薄膜调节阀 执行机构 阀体 电动调节阀 6 阀门定位器 执行机构 阀 阀座直径dg 公称直径Dg 7 8 4 1气动调节阀的结构 气动调节阀由执行机构和阀两部分组成 一气动执行机构 气动执行机构有薄膜式和活塞式两种 常见的气动执行机构均为薄膜式 它结构简单 价廉 输出行程小 气动薄膜式执行机构作用型式 正作用 信号压力增加时 推杆向下移动 ZMA 反作用 信号压力增大时 推杆向上移动 ZMB 执行机构作用 将气压p 阀杆位移L 执行机构 按照控制信号的大小产生相应的输出力 带动阀杆移动 阀 直接与介质接触 通过改变阀芯与阀座间的节流面积调节流体介质 的流量 9 u t 控制器输出 4 20或0 10mADC pc 调节阀气动控制信号 l 阀杆相对位置 f 相对流通面积 q 受调节阀影响的管路相对流量 10 二阀 阀 或称阀体组件 是一个局部阻力可变的节流元件 普通阀包括阀芯 阀座和阀杆等 根据流体通过调节阀时对阀芯作用方向分为流开阀和流闭阀 流开 介质的流动方向有推动阀门打开的趋势 称流开 流闭 介质的流动方向有推动阀门关闭的趋势 则称流闭 阀的作用 阀杆位移L 调节流量Q 流开阀稳定性好 有利于调节 一般多采用流开阀 11 阀芯的正装和反装 正装阀 阀芯下移 阀芯与阀座间的流通截面积减小反装阀 阀芯下移 阀芯与阀座间的流通截面积增大 阀的开关方式 气开式 阀的开度随气压的增大而增大 p f 气关式 阀的开度随气压的增大而减小 p f 执行机构与阀门的配合根据执行机构正 反作用型式以及阀芯的正装 反装可以实现调节阀的气开 气关方式 无气压时关闭 12 气开 与 气关 的选择原则 基本原则 根据安全生产的要求选择控制阀的气开气关 若无气源时 希望阀全关 则应选择气开阀 若无气源时 希望阀全开 则应选择气关阀 实际应用 当气源中断或电源中断时 进入装置的原料 热源应切断 进料阀选气开切断装置向外输出产品 出料阀选气开精馏塔回流应打开 回流阀选气关 13 1 直通单座控制阀 阀体内只有一个阀芯和阀座 如图所示 其特点是结构简单 泄漏量小 易于保证关闭甚至完全切断 但是在压差较大的时候 流体对阀芯上下作用的推力不平衡 这种不平衡推力会影响阀芯的移动 因此直通单座控制阀一般应用在小口径 低压差的场合 图直通单座控制阀 2 直通双座控制阀 阀体内有两个阀芯和阀座 由于流体流过的时候 作用在上 下两个阀芯上的推力方向相反而大小近于相等 可以相互抵消 所以不平衡力小 但是由于加工的限制 上 下两个阀芯和阀座不易保证同时密闭 因此泄漏量较大 直通双座控制阀适用于阀两端压差较大 对泄漏量要求不高的场合 但由于流路复杂而不适用于高黏度和带有固体颗粒的液体 图直通双座控制阀 阀的结构形式及选择 14 图角型控制阀 4 隔膜控制阀 隔膜控制阀采用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯阀座组件 由隔膜位移起控制作用 如图所示 隔膜控制阀结构简单 流路阻力小 流量系数较同口径的其他阀大 由于介质用隔膜与外界隔离 故无填料 介质也不会泄漏 所以隔膜控制阀无泄漏量 隔膜控制阀耐腐蚀性强 适用于强酸 强碱 强腐蚀性介质的控制 也适用于高黏度及悬浮颗粒状介质的控制 图隔膜控制阀 3 角型控制阀 角型控制阀的两个接管呈直角形 其他结构与单座阀相类似 角型阀的流向一般为底进侧出 此时其稳定性较好 在高压差场合 为了延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向 但容易发生振荡 角型控制阀流路简单 阻力较小 不易堵塞 适用于高压差 高黏度 含有悬浮物和颗粒物质流体的控制 15 6 蝶阀 蝶阀又名翻板阀 如图所示 蝶阀具有结构简单 重量轻 价格便宜 流阻极小的优点 但泄漏量大 适用于大口径 大流量 低压差的场合 也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制 7 球阀 球阀的阀芯与阀体都呈球形体 转动阀芯使之处于不同的相对位置时 就具有不同的流通面积 以达到流量控制的目的 如图所示 图蝶阀 图球阀 16 三 阀门定位器 气动阀门定位器是一种辅助装置 根据调节器来的气动信号控制气动调节阀门部件 使阀门开度处于精确位置 其应用场合为 1 提高系统控制精度 2 系统需要改变调节阀的流量特性 3 组成分程控制系统 并不是任何情况下采用阀门定位器都是合理的 在如液体压力和流量这样的快速控制过程 使用阀门定位器可能对控制质量有害 17 4 2调节阀的流量系数 流量系数是表示调节阀流通能力的参数 它根据流量 阀两端的差压和流体的密度等确定 是选择阀口径的参数 一流量系数的定义及其物理意义 我国规定的流量系数C为 在给定行程下 阀两端压差为0 1Mpa 水密度为1g cm3时 流经调节阀的水的流量 以m3 h表示 体积流量 阀全开时的流量系数为调节阀额定流量系数 以C100表示 它作为阀的基本参数由制造厂家提供给用户 表4 1为根据C100选择阀门直径表 例如一台额定流量系数为32的调节阀 表示阀全开且两端的压差为0 1MPa时 每小时最多能通过32m3的水量 1kgf cm2 18 补充知识 伯努利方程 1 伯努利方程表述的是理想流体作定常流动时 流体中压强和流速的规律 2 在流动的流体中 流速大的地方压强小 流速小的地方压强大 3 伯努利方程阐明的位能 动能 静压能相互转换的原理 19 调节阀是一个局部阻力可变的节流元件 对于不可压缩的流体 由能量守恒 伯努利方程 可知 调节阀上的压力损失为 式中 v为调节阀阻力系数 g为重力加速度 为流体密度 p1 p2为调节阀前后压力 为流体平均速度 因为 Q 流体体积流量 F 调节阀流通截面积 4 1 4 2 20 根据C的定义 在流量方程中令p1 p2 1 1可得 因此 对于其它的阀前后压降和介质密度 则有 注意 流量系数C不仅与流通截面积F 或阀公称直径Dg 有关 而且还与阻力系数 v有关 同类结构的调节阀在相同的开度下具有相近的阻力系数 因此口径越大流量系数也随之增大 口径相同类型不同的调节阀 阻力系数不同 流量系数也各不相同 由上两式可得调节阀流量方程 而变化 A 与单位制有关的常数 4 3 4 4 21 由于采用的单位制有公制和英制之分 国际上通用两种不同的流量系数Kv和Cv 通过单位制变换它们与C的关系为 二流量系数计算公式 流量系数的计算是选定调节阀口径的最主要的理论依据 表4 2列举了液体 气体和蒸汽等常用流体C值的计算公式 注意事项 两套计算公式 国际单位制SI和工程单MKS位制 单位有所不同 计算前要做阻塞流判断 计算公式使用于牛顿型不可压缩流体 可压缩流体以及这两种流体的均匀混合体 根据要求计算满足要求的C值 以此为依据选择适当的调节阀 4 5 22 1 阻塞流对流量系数计算的影响 阻塞流是指 当阀前压力p1保持恒定而逐步降低阀后压力p2时 流经调节阀的流量会增加到一个最大极限值 若再继续降低p2流量也不再增加 此极限流量称为阻塞流 流体体积流量计算公式为 此时 调节阀的流量与阀前后压降 p p1 p2的关系以不再遵循公式 的规律 右图中 阻塞流 此时按4 4计算出的流量会大大超过阻塞流Qmax 因此在计算C值时首先要确定调节阀是否处于阻塞流情况 23 气体的阻塞流条件 压差比x p p1 xTFkxT 空气在某一调节阀时的临界压差比 决定于调节阀结构 表4 3 Fk 比热比系数 气体与空气的绝热指数之比 Fk k kair kair 1 4 表4 9 液体 不可压缩流体 的阻塞流 产生阻塞流的原理 24 p1 调节阀进入端压强 pc 介质临界压力pv 入口温度下流体介质饱和蒸汽压FF 液体临界压力比系数FL 压力恢复系数 产生的条件 对于一个给定的调节阀 FL为一个固定常数 它只与阀结构 流路形式有关 与阀口径大小无关 查表4 3可得到 流量 液体 系数C的计算 判断是否产生阻塞流 判别条件按上式 如果未发生阻塞流 则 p p1 p2发生了阻塞流 则 p FL2 p1 FFpv 按公式计算 工程单位制 MKS 国际单位制 SI 运算时单位 QL m3 h p KPa g cm3 运算时单位 QL m3 h p Kgf cm2 g cm3 25 注意 同一组数据 用两种公式计算的结果是相同的 如 p 1kgf cm2表示为国际单位制为 p 10 0 01 2 100kPa 使用国际单位制计算为 使用工程单位制计算为 26 2 低雷诺数修正 当雷诺数Re 2300时 不能按式4 4计算C值 必须加以修正 修正后的流量系数C 为 FR 雷诺修正系数 根据雷诺数Re由图4 10查得 雷诺数Re的计算 对于直通单座阀 套筒阀 球阀等只有一个流路的调节阀 雷诺数为 对于直通双座阀 蝶阀 偏心旋转阀等具有两个平行流路的调节阀 液体介质的运动粘度 10 6m2 s 在工程计算中 当Re 3500时可不做低雷诺数修正 27 3 气体 蒸汽 流量系数的修正 气体 蒸汽等可压缩流体 在调节阀内其体积由于压力降低而膨胀 其密度减小 利用式4 4计算气体的流量系数 会引起较大误差 必须对气体的可压缩效应作必要的修正 可以引入一个膨胀系数Y以修正气体密度的变化 此外 在各种压力 温度下实际气体密度与按理想气体状态方程求得的理想气体密度存在偏差 为衡量偏差程度大小 引入压缩系数Z R 气体常数 1 阀入口处气体密度 28 4 管件形状修正 使用上述流量系数计算公式要求管件形状满足的条件 调节阀的公称直径必须与管道直径相同 而且管道要保证有一定的直管段 如果调节阀实际配管状况不满足这些条件 特别是在调节阀公称通径小于管道直径 阀两端装有渐缩器 渐扩器或三通等过渡管件情况下 由于过渡管件上的压力损失 使加在阀两端的阀压降减小 使阀实际流量系数减小 因此 必须对未考虑附接管件计算得流量系数进行修正 管件形状修正后的流量系数C 为 Fp 管件形状修正系数 与调节阀上下游阻力系数 阀入口 出口处伯努利系数有关 29 例4 1某控制系统拟选用一台直线特性气动直通单座调节阀 流开型 已知 流体为液氨 最大计算流量条件下的计算数据为 p1 26200kPa p 24500kPa WL 6300kg h L 0 58g cm3 0 1964x10 6m2 s t1 313K D1 D2 20mm 解 1 阻塞流判别查表得FL 0 9 Pc 11378kPa Pv 1621kPa 则 产生阻塞流的临界压降为 由于 P 24500kPa Pcr 20106kPa 故为阻塞流 30 2 Cmax值计算 则 3 低雷诺数修正 由于Re 3500 故不必做低雷诺数修正 4 初选C100值 查表4 1 C100 Cmax且最接近Cmax的阀为Dg 19 15mm dg 8mm 此时 C100 0 8 31 5 管件形状修正 因为D1 Dg 20 19 1 05 不必做修正 6 调节阀相对开度验算 调节阀为直线特性 最大流量时的相对开度 lmax Cmax C100 0 583 0 80 73 lmax 80 可满足要求 结论 选用额定流量系数为C100 0 8的直通单座阀满足要求 32 4 3调节阀结构特性和流量特性 调节阀的静态特性Kv dq duu 调节器输出控制信号q 被调介质流过阀门的相对流量 Kv的符号由调节阀的作用方式决定 气开式 气关式 调节阀的动态特性Gv s Kv Tvs 1 稳态值即为静态特性 执行机构静态时输出l 阀门的相对开度 与u成比例关系 所以调节阀静态特性也称调节阀流量特性 即q f l 它主要取决于阀的结构特性和工艺配管情况 33 一调节阀的结构特性 调节阀的结构特性是指阀芯与阀座间节流面积与阀门开度之间的关系 通常用相对量表示为 f F F100 相对节流面积 某一开度下节流面积F与全开时节流面积F100之比l L L100 相对开度 阀在某一开度下行程L与全开时行程L100之比 调节阀结构特性取决于阀芯的形状 阀芯形状有快开 直线 抛物线和等百分比四种 34 1 直线结构特性 调节阀的节流面积与阀的开度成直线关系 即 边界条件 L 0时 F F0 L L100 F F100 阀的直线结构特性图 可调比R F100 F0 调节阀所能调节的最大流量与最小流量之比 Kf R 1 R 35 特点 结构特性的斜率在全行程范围内是常数 阀芯位移变化量相同时 节流面积变化量也相同 小开度时调节灵敏度过高 大开度时调节又不够灵敏 直线特性的调节阀在开度变化相同的情况下 当流量小时 流量的变化值相对较大 调节作用较强 易产生超调和引起振荡 流量大时 流量变化值相对较小 调节作用缓慢 不够灵敏 相对变化率 36 例 设在相对节流面积分别为f 0 1 0 5 0 8时 相对开度变化 l 10 时 求三种情况下的节流面积变化率 Kf 0 9 直线阀 f 0 1 f f Kf l f 0 9 0 1 0 1 90 f 0 5 f f Kf l f 0 9 0 1 0 5 18 f 0 8 f f Kf l f 0 9 0 1 0 8 11 25 37 2 等百分比 对数 结构特性 在任意开度下 单位行程变化所引起的节流面积变化都与该节流面积本身成正比关系 可表示为 在边界条件 f与l成对数关系 等百分比特性调节阀在小开度时节流面积变化平缓 大开度时节流面积变化加快 保证在各种开度下的调节灵敏度都一样 阀的等百分比结构特性图 L 0时 F F0 L L100 F F100时有 Kf loge R 38 等百分比结构特点 曲线的放大系数是随开度的增大而递增的 在同样的开度变化值下 流量小时 小开度时 流量的变化也小 调节阀的放大系数小 调节平稳缓和 流量大时 大开度时 流量的变化也大 调节阀的放大系数大 调节灵敏有效 无论是小开度还是大开度 相对流量的变化率都是相等的 流量变化的百分比是相同的 相对变化率 39 例 设在相对节流面积分别为f 0 1 0 5 0 8 相对开度变化 l 10 时 求三种情况下的节流面积变化率 Kf 3 4 等百分比阀 f 0 1 f f Kf f l f 3 4 0 1 34 f 0 5 f f Kf f l f 3 4 0 1 34 f 0 8 f f Kf f l f 3 4 0 1 34 40 3 快开结构特性 结构简单 阀芯的最大有效行程为dg 4 dg为阀座直径 特性方程为 灵敏度最差 很少用作调节阀 阀的快开结构特性图 41 4 抛物线结构特性 阀的节流面积与开度成抛物线关系 特性方程为 特性与等百分比特性接近 阀的抛物线结构特性图 42 四种阀的特性对比 1 直线2 等百分比3 快开4 抛物线 43 二调节阀的流量特性 调节阀的流量特性是指流过阀门的流量与阀门开度之间的关系 可表示为 q Q Q100 为相对流量 调节阀制成后 其结构特性就确定不变 流过调节阀的流量的决定因素有 阀的开度 F f 阀前后的压差 P 所在的整个管路系统的工作情况 由于节流面积f与相对开度l关系由阀门确定 可先讨论q与f的关系 l f q 已知 44 1 理想流量特性 在调节阀前后压差固定 p 常数 情况下得到的流量特性称为理想流量特性 假设调节阀流量系数与阀节流面积成线性关系 即 C100 额定流量系数 通过调节阀的流量为 当调节阀全开时f 1 Q Q100 则 p为常数 则 在调节阀前后压差 p固定的情况下 如果阀流量系数与节流面积成线性关系 那么阀的结构特性f就是理想流量特性q C与f的关系并不是严格线性的 该结论只是大致正确 因为 45 理想情况下的调节阀静态特性 1 直线阀 2 等百分比阀 常量 随相对开度而变化 46 2 工作流量特性 调节阀在实际使用条件下 其流量q与开度l之间的关系称为调节阀工作流量特性 此时阀压降不是常数 1 串联管系调节阀的工作流量特性 当总压降 p一定时 随着阀开度的增大 管道流量Q增大 阀上压降 p将逐渐减小 这样 在相同开度下 工作流量比阀上压降保持不变的理想情况小 f Q p 47 在串联管路上 48 当全开时f 1时有 令 则 全开阀阻比S100 表示调节阀全开时的压降 p100与系统总压降 p之比 S100 1 则 pe 0 p100 p 阀压降等于系统总压降 理想状况 49 50 由于串联管道阻力的影响 阀的工作流量特性与理想情况下发生了畸变 随着S100的减小 直线结构特性 快开特性等百分比 直线特性 S100很小时 阀的压降 p在整个管道系统总压降 p所占比重小 在较大开度下调节流量的作用不灵敏 阀的结构特性发生畸变 调节范围变小 可调比变小 特性变坏 不希望低于0 3 0 5 51 可调比的变化 调节阀的理想可调比 阀压降恒定的情况下 所能控制的最大流量Q100与最小流量Q0之比 Q0 恒压可控的下限值 通常为Q100的2 4 不同于阀的泄露量 在调节阀压降恒定情况下 有 C0 阀全关时的流量系数 代入上式得 R 调节阀的可调范围 由于最小节流面积F0受阀芯结构设计和加工的限制 不可能做得太小 国产调节阀R一般为30 各种调节阀全关时f0为1 R 即1 30 52 在串联管系中 S100 1 调节阀的实际可调比为 Qr100 Qr0 有管道阻力时阀全开 全关流量 调节阀全关时压降 p0 p 则 由此可见 串联管系中调节阀实际可调比降低 S100越小 串联管道的阻力损失越大时 实际可调比越小 53 当管道阻力损失为零时S100 1 系统的总压降全部落在调节阀上 则实际工作流量特性与理想特性一致 随着管道阻力损失所占比重增加 S100值将减小 调节阀全开时的流量相应比管道阻力损失为零时减少 因而实际可调比也减小 实际可调比Rs与S100之间的关系为 随着S100值减小 流量特性曲线发生畸变 直线特性趋向于快开特性 对数特性趋向于直线特性 实际使用中 为了避免调节阀工作特性的畸变 一般希望S100值不低于0 3 0 5 总结 54 2 并联管系调节阀的工作流量特性 调节阀和管道并联时 调节阀全开时 管路总流量最大 有 则此时相对流量为 55 当S100 1时 q f 旁路关闭 并联管路工作流量特性就是调节阀的理想流量特性 随着S100 的减小 即旁路阀逐渐开大 调节阀流量比重逐渐下降 尽管调节阀本身流量特性无变化 但管道系统的可调比下降 使管系中可控的流量减小 甚至会使调节阀失去控制作用 并联管系的可调比 当S100 减小时 Rp急剧减小 因此打开旁路 调节阀的控制效果很差 实际使用时一般要求S100 0 8 使旁路流量只占管道总流量的很小部分 百分之十几 56 可以看出 当S100 1时 q f 旁路关闭 实际工作特性与理想特性一致 旁路阀逐渐开启 旁路流量增加 则S100 值减小 可调比下降 实际使用时一般要求S100 0 8 使旁路流量只占管道总流量的很小部分 百分之十几 并联管道的工作流量特性 57 调节阀在串 并联管系中的工作情况 综合串 并联管道的情况 可得出如下结论 串 并联管道都使阀的理想流量特性发生畸变 串联管道的影响更严重 串 并联管道都会使控制阀的实际可调比降低 并联管道更严重 串联管道使系统总流量减少 并联管道使系统总流量增加 串 并联管道都会使控制阀的放大系数减小 即输入信号变化所引起的流量变化值减小 串联管道时控制阀若处于大开度 则值降低 对放大系数的影响更为严重 并联管道时控制阀若处于小开度 则X值降低 对放大系数的影响更为严重 58 4 4气动调节阀选型 调节阀是自动控制系统的终端控制元件之一 在选型中 应考虑以下几点 1 选择调节阀的结构形式和材质 2 选择流量特性 3 选择阀门口径 一调节阀结构形式的选择 1 工艺介质的种类 腐蚀性和粘性 管道耐腐蚀 2 流体介质的温度 压力 比重 能经受介质的温度 3 流经阀的最大 最小流量 正常流量及正常流量时阀上的压降 在选用时要注意 一般优先选用直通单 双座调节阀 具体选择情况参见表4 8 59 二调节阀气开 气关形式的选择 选用原则 从生产的安全出发 当仪表供气系统故障或控制信号中断 调节阀阀芯应处于使生产装置安全的状态 三调节阀流量特性的选择 国产调节阀流量特性有直线 等百分比和快开三种 主要使用直线和等百分比两种 工程设计上主要采用经验准则 从控制系统特性 负荷变化和S值大小三个方面综合考虑 选择调节阀流量特性 1 从改善控制系统控制质量考虑 线性控制回路的总增益 在控制系统整个操作范围内应保持不变 确定方法 假设出现故障 使气