关于调节阀的工作原理和计算选型探讨(新)

调节阀的工作原理及计算选型

摘要：人们常把测量仪表称之为生产过程自动化的“眼睛”；把控制器称之为“大脑”；把执行器称之为“手

脚”。自动控制系统一切先进的控制理论、巧秒的控制思想、复杂的控制策略都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最常见的一种执行器，是化工生产过程中的重要环节，调节阀的计算选型是否合理是影响阀门寿命的重要因素，本文将从工作原理和计算选型加以介绍。

关键词：调节阀 原理 计算 材料 选型

正确选取符合某一具体的控制系统要求的调节阀，必须掌握流体力学的基本理论。充分了解各种类型阀的结构型式及其特性，深入了解控制对象和控制系统组成的特征。选取调节阀的重点是阀径选择，而阀径选择在于流通能力的计算。流通能力计算公式已经比较成熟，而且可借助于计算机，然而各种参数的选取很有学问，最后的拍板定案更需要深思熟虑。

一、调节阀工作原理 （一）伯努利方程

由水力学观点来看，调节阀是一个具有局部阻力的节流元件。当流体流经调节阀时，由于阀芯、阀座处的流通面积缩小，形成局部阻力，并产生能量损失，通常用阀前后的压差来表示能量损失的大小。根据伯努利方程式，对不可压缩的流体：

H ＝K 2

2V g

也可表示为H ＝1

2P P r －，式中：

H ：为单位重量的流体流经调节阀时的能量损失 K ：为阻力系数 V ：流体平均流速，（V ＝

Q S

） Q ：流体体积流量：M 3/小时 S ：调节阀流通面积：厘米2 g ：重力加速度，981厘米／秒2 r ：流体重度：克／厘米3

P 1、P 2：调节阀前、后绝对压力，kgf/cm 2 代入上述公式得出：

Q ＝

12

2P P S g r

K -⋅ 代入具体数值后得出：

-SP

+调节对象

调节器变送器

调节阀

被调参数

干扰

Q ＝5.04

12

P P S r

K

米3／时 （1-1）

令5.04

S K

=C,则

Q=C

P r

米3／时,C 称为调节阀流通系数或流通能力

C 值表示调节阀全开时，其两端压力降△P ＝1kgf/cm 2，流体重度为1克/cm 2时，每小时通过阀门的立方米数。

（二）调节阀的重要地位 调节系统方框图如下所示：

图1：调节系统方框图

二、调节阀的流量特性

调节阀是通过行程的变化，改变阀芯与阀座间的节流面积，来达到控制流量的目的。因此阀芯与阀座的节流面积跟着行程怎样变化，对调节阀的工作特性能有很大影响。所谓阀门的相对开度是指调节阀某一开度行程与全开行程之比（角行程与直行程道理相同），用l=L/Lmax 来表示。所谓阀门的相对节流面积是指调节阀某一开度下的节流面积与全开时的节流面积之比，用q=Q/Qmax 来表示。 调节阀流量特性的数学表达式为： q=f （l ） (2-1)

由公式（1-1）流过调节阀的介质流量不仅与阀门的开度有关，还与阀门两端的压差有关，故流量特性有理想特性和工作特性之分。

（一）理想流量特性

在阀门两端压差固定的情况下，流量特性完全取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可以得到不同的流

00.10.20.30.4

0.50.60.70.80.9 1.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.70.8

0.9

1.0

h/h

C /C R =

10R =

30

R =

50

4

1

2

3

图中1.线性.

2.等百分比R=104.快开.

3.等百分比R=50最大最大

量特性。这是调节阀固有的流量特性，称为理想流量特性。

（二）调节阀的可调比

调节阀的可调比R （可调范围）是指调节阀所能控制的最大流量和最小流量之比，即 R=Qmax/Qmin （2-2）

式中，Qmin 指的是调节阀可调流量的下限值，一般为最大流量的2%-4%。

当调节阀的前后压差不变时得到的是理想可调比，一般为R=30，在实际应用中，管道的阻力随流量增加而增加，使调节阀的最大流量减小，从而降低了实际的可调比。

（三）通常流量特性介绍

调节阀的流量特性一般有线性特性，等百分比特性和快开特性，调节阀通常使用等百分比和线性特性。先看看下面这张流量特性图：

图2：调节阀流量特性（R-可调比）

1、线性流量特性

Q/Qmax=1/R+（1-1/R ）l/L (2-3) 式中，R 为调节阀的可调比。

采用具有线性流量特性的阀芯时，调节阀的放大倍数是常数，在小开度处有较大的流量相对变化值，调节作用强，但容易产生振荡；在大开度处有较小的流量相对变化值，调节作用弱，调节缓慢。这个特点，往住使直线结构特性阀门在小开度情况下的灵敏度过高而导致控制性能变坏。 2、等百分比流量特性（对数流量特性）

Q/Qmax=

（2-4）

采用具有等百分比流量特性的阀芯时，调节阀的放大倍数随流量增大而增大，但流量的相对变化值是相等的，在小开度处放大倍数小，调节作用缓和，平稳；在大开度处放大倍数大，调节作用灵敏，有效。

三、调节阀的流通能力及Kv 值计算选型

调节阀的流通能力是指在规定条件下通过一个调节阀的流量。 （一）Cv 值和Kv 值得定义和区别

具体衡量调节阀流通能力的指标是流量系数,目前常用的流量系数有两类一是以美国为代表的以英制单位定义的流量系数Cv,二是以德国为代表的以公制单位定义的流量系数Kv 。

两者的换算关系为Cv≈1.167Kv。

流量系数Cv 值定义：一个与调节阀的几何结构有关的、对于一个给定行程的常数，可用来衡量流通能力。它是在每平方英寸1磅(psi)的压力降下，每分钟流过调节阀的 60 ℉ 水的美国加仑数。

流量系数Kv 值定义：一个与调节阀的几何结构有关的、对于一个给定行程的常数，可用来衡量流通能力。它是在1bar 压力降下，每小时流过调节阀的 5-40 ℃度水的立方米数。

（二）Kv 值的计算

1、气体（要考虑压缩系数）Kv 值计算

当P2>0.5P 1时 Kv ＝

121

Q ()514(273)

H P P P r t -+ε

式中：

Q ：NM 3/h

r H ：标准状态下气体重度kg/NM 3 ε：气体膨胀系数 t ：介质温度℃

如

12

1

0.08P P P -≤， ε＝1