实际控制阀流量特性设计方法

量身定制控制阀流量特性的设计

陈迎宪 龚飞鹰

（上海长成自控设备有限公司200433，上海）

摘 要 控制阀固有流量特性是制造商出厂时控制阀具有的流量特性，安装到现场后，由于阀两端压降与系统压降之比不为1，造成固有流量特性发生畸变，因此，控制系统开环增益不能保持恒定，使控制系统稳定性变差。为此，本文没有采用传统的控制阀流量特性选择方法，本文的设计方法按被控对象静态特性确定控制阀工作流量特性，然后，根据应用条件下的压降比，“量身定制”控制阀固有流量特性，这样的控制阀应用在实际条件时，其工作流量特性能够精确补偿被控过程的非线性，即使在压降比有改变时，仍可较好地补偿被控对象的非线性，因此，可有效改善控制系统稳定性。

关键词 控制阀流量特性 压降比 被控过程静态特性 控制系统稳定性

1 问题的提出

控制阀固有流量特性是控制阀制造商出厂时提供的流量特性。当控制阀安装在工业生产过程中，由于存在压降比s ，使固有流量特性发生畸变，流量特性上凸，造成闭环控制系统的稳定性等性能指标变差。

通常，只能根据所需工作流量特性，按经验法或根据压降比法选用合适的固有流量特性[1，

2]。

根据控制系统稳定运行准则，是否可根据被控生产过程的数学模型，确定其合适的控制阀工作流量特性，满足稳定性要求，提高控制系统的性能，例如，偏离度指标[3]。然后，根据所需控制阀工作流量特性和工况下的压降比设计控制阀的固有流量特性，以实现量身定制控制阀流量特性，满足应用要求。

本文根据控制阀工作流量特性、固有流量特性和压降比的函数关系，根据工作流量特性和压降比，设计控制阀固有流量特性，进行预畸，使工作流量特性满足应用要求。

当前，随着对控制精度的要求不断提高，对控制阀的流量特性也提出更高要求，本文讨论的方法对提高控制系统控制品质具有十分重要意义。为此，本文对“量身定制”工作流量特性进行研究，并据此设计控制阀固有流量特性。 2 工作流量特性的设计

控制阀安装在现场后，其固有流量特性畸变成为工作流量特性，设固有流量特性用q =f (l )表示，工作流量特性用q =g (l )表示。则考虑压降比s 后的工作流量特性可表示为：

)

()1()()(2

l f s s l f l g -+=

（1）

式中，q 是相对流量，q =Q /Q max ；l 是相对行程，l =L /L max ；s 是压降比，s =控制阀全开时两端压降/系统压降。因此，它们都无工程单位，变化范围是0~1，下同。

图1显示控制阀工作状况固有流量特性的畸变。

可见，控制阀工作状况下固有流量特性发生变化，其特点如下： ● s =1表示管道压降为零，工作流量特性与固有流量特性相同；即系统压降全部降落在控制阀两端时，工作流量特性不发生畸变。

● 随s 的减小，管道压降增加，控制阀两端压降减小，使控制阀全开时的最大流量下降，实际可调比下降。

图1 控制阀工作状况下流量特性的畸变

l l

l q q

q

● 随s 的减小，工作流量特性与固有流量特性之间的差异变大，工作流量特性上凸，s 越小，上凸越严重，流量特性的畸变使原有控制系统的总开环增益变化，会严重影响控制系统控制品质。

为此，常用的方法是根据所需工作流量特性确定控制阀固有流量特性。

要解决固有流量特性畸变的设计思路是根据压降比设计控制阀固有流量特性。其设计依据如下：

● 根据节能要求，工艺设计时，通常以压降比为0.3~0.5设计管路和选用供能设备[4，

5]。

● 控制阀阀瓣的设计依据是流量特性函数，只要有所需的流量特性函数关系，就可设计阀瓣[6~9]。 ● 数控机床等加工设备的广泛应用使复杂函数关系的阀瓣设计变得容易。 因此，能否根据压降比s 的要求设计所需工作流量特性是关键工作[10]。 （1）式可表示为固有流量特性f (l )与工作流量特性g (l )的关系，即：

)

()1(1)()(2

l g s s l g l f --=

（2）

根据式（2），可确定不同可调比R 下，为达到线性或对数工作流量特性时的固有流量特性。表1是根据不同压降比下为达到线性工作流量特性时的固有流量特性值。图2是为达到线性工作流量特性应采用的固有流量特性曲线。图3是为达到等百分比工作流量特性应采用的固有流量特性曲线。

表1 线性工作流量特性时固有流量特性数据(R =30)

表2是等百分比工作流量特性时的固有流量特性数据。

表2 等百分比工作流量特性时固有流量特性数据(R =30)

图2 线性工作特性所需固有流量特性

l s=1 s =0.1 s 顺序增加0.1

l

q s=1

s =0.1

图3 等百分比工作特性所需固有流量特性 s 顺序增加0.1

按上述设计方法，可绘制不同压降比s 下，实际的流量特性。图4是按s =0.4设计的线性流量特性的控制阀，并将它用于不同s 时的流量特性，可见在s =0.4时是标准的线性流量特性。同样，图5是按s =0.4设计的对数流量特性的控制阀，并将它用于不同s 时的流量特性。可见在s=0.4时是标准的等百分比流量特性。

与图1比较，可以发现，按s =0.4设计的线性工作流量特性和对数流量特性，在其他压降比条件下，其曲线的畸变明显减小。压降比s =0.4时能够获得标准的线性工作流量特性和标准的对数流量特性，满足应用要求。由于特性曲线的畸变减小，使控制系统开环增益的变化减小，因此，明显改善控制系统稳定性。控制系统的偏离度得到改善。 4 控制阀工作流量特性的确定

控制阀工作流量特性与被控生产过程特性有关。下面以换热器生产过程为例，说明如何确定控制阀的工作流量特性[2]。 如图6所示单程、逆流、列管式换热器，换热器两侧没有发生相变，列出热

量衡算式为： G 2 c 2（θ2i – θ2o ）= G 1 c 1（θ1o – θ1i ） （3）

式中符号意义：θ表示流体温度，下标1表示冷流体参数，2表示载热体参数。

G 和c 分别是相应流体的重量流量（kg/hr ）和比热容（kcal/(kg·℃)）。下标i 是该流体进入传热设备的参数，下标o 是该流体离开传热设备的参数。

换热器的传热速率方程式可表示为：

q = U A m Δθm （4）

式中，U 是传热系数；A m 是传热面积；Δθm 是平均温度差，对单程、逆流换热器，采用对数平均值，即：

Δθm =

o

i i o o i i o 12121212ln

)

()(θθθθθθθθ----- （5）

图4 线性工作特性的实际流量特性 l q s=0.3 s =0.7

s 顺序增加0.1

图5 对数工作特性的实际流量特性 l q s=0.3 s =0.7 s 顺序增加0.1