?? 1 前言

      調(diào)節(jié)閥是生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中最常見的一種執(zhí)行器，一般的自動(dòng)控制系統(tǒng)是由對(duì)象、檢測儀表、控制器、執(zhí)型器等所組成。調(diào)節(jié)閥直接與流體接觸，控制流體的壓力或流量。人們常把測量儀表稱之為生產(chǎn)過程自動(dòng)化的“眼睛”；把控制器稱之為“大腦”；把執(zhí)行器稱之為“手腳”。自動(dòng)控制系統(tǒng)一切先進(jìn)的控制理論，巧秒的控制思想，復(fù)雜的控制策略都是通過執(zhí)行器對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行作用的。正確選取調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式、流量特性、流通能力；正確選取執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩或推力與行程；對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)合理性起著十分重要的作用。如果計(jì)算錯(cuò)誤，選擇不當(dāng)，將直接影響控制系統(tǒng)的性能，甚至無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制?？刂葡到y(tǒng)中因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥選取不當(dāng)，使得自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩不能正常運(yùn)行的事例很多很多。因此，在自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)選型計(jì)算是必須認(rèn)真考慮、將設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

      正確選取符合某一具體的控制系統(tǒng)要求的調(diào)節(jié)閥，必須掌握流體力學(xué)的基本理論。充分了解各種類型閥的結(jié)構(gòu)型式及其特性，深入了解控制對(duì)象和控制系統(tǒng)組成的特征。選取調(diào)節(jié)閥的重點(diǎn)是閥徑選擇，而閥徑選擇在于流通能力的計(jì)算。流通能力計(jì)算公式已經(jīng)比較成熟，而且可借助于計(jì)算機(jī)，然而各種參數(shù)的選取很有學(xué)問，最后的拍板定案更需要深思熟慮。

      2 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式及其選擇

      常用的調(diào)節(jié)閥有座式閥和蝶閥兩類。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型式越來越多，以適應(yīng)不同工藝流程，不同工藝介質(zhì)的特殊要求。按照調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型式的不同，逐步發(fā)展產(chǎn)生了單座閥、雙座閥、角型閥、套筒閥（籠型閥）、三通分流閥、三通合流閥、隔膜閥、波紋管閥、O型球閥、V型球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥（凸輪繞曲閥）、普通蝶閥、多偏心蝶閥等等。

      如何選擇調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式？主要是根據(jù)工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量），介質(zhì)性質(zhì)（粘度、腐蝕性、毒性、雜質(zhì)狀況），以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求（可調(diào)比、噪音、泄漏量）綜合考慮來確定。一般情況下，應(yīng)首選普通單、雙座調(diào)節(jié)閥和套筒閥，因?yàn)榇祟愰y結(jié)構(gòu)簡單，閥芯形狀易于加工，比較經(jīng)濟(jì)。如果此類閥不能滿足工藝的綜合要求，可根據(jù)具體的特殊要求選擇相應(yīng)結(jié)構(gòu)型式的調(diào)節(jié)閥?，F(xiàn)將各種型式常用調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)及適用場合介紹如：

     （1）單座閥（VP，JP）：泄漏量?。~定K_v值的0.01%）允許壓差小，JP型閥并且有體積小、重量輕等特點(diǎn)，適用于一般流體，壓差小、要求泄漏量小的場合。

     （2）雙座閥（VN）：不平衡力小，允許壓差大，流量系數(shù)大，泄漏量大（額定K 值的0.1%），適用于要求流通能力大、壓差大，對(duì)泄漏量要求不嚴(yán)格的場合。

     （3）套簡閥（VM.JM）：穩(wěn)定性好、允許壓差大，容易更換、維修閥內(nèi)部件，通用性強(qiáng)，更換套筒閥即可改變流通能力和流量特性，適用于壓差大要求工作平穩(wěn)、噪音低的場合。

     （4）角型閥（VS）：流路簡單，便于自潔和清洗，受高速流體沖蝕較小，適用于高粘度，含顆粒等物質(zhì)及閃蒸、汽蝕的介質(zhì)；特別適用于直角連接的場合。

     （5）偏心旋轉(zhuǎn)閥（VZ）：體積小，密封性好，泄漏量小，流通能力大，可調(diào)比寬R=100，允許壓差大，適用于要求調(diào)節(jié)范圍寬，流通能力大，穩(wěn)定性好的場合。

     （6）V型球閥（VV）：流通能力大、可調(diào)比寬R=200~300，流量特性近似等百分比，v型口與閥座有剪切作用，適應(yīng)用于紙漿、污水和含纖維、顆粒物的介質(zhì)的控制。

     （7）O型球閥（VO）：結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，流通能力大，密封性好，泄漏量近似零，調(diào)節(jié)范圍寬R=100~200，流量特性為快開，適用于紙漿、污水和高粘度、含纖維、顆粒物的介質(zhì)，要求嚴(yán)密切斷的場合。

     （8）隔膜閥（VT）：流路簡單，阻力小，采用耐腐蝕襯里和隔膜有很好的防腐性能，流量特性近似為快開，適用于常溫、低壓、高粘度、帶懸浮顆粒的介質(zhì)。

     （9）蝶閥（VW）：結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕，易于制成大口徑，流路暢通，有自潔作用，流量特性近似等百分比，適用于大口徑、大流量含懸浮顆粒的流體控制。

      3 調(diào)節(jié)閥的流量特性及其選擇

      調(diào)節(jié)閥流量特性分固有特性和工作特性兩種。固有特性又稱調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性，是由生產(chǎn)廠制造時(shí)決定的。調(diào)節(jié)閥在管路中工作，管路系統(tǒng)阻力分配情況隨流量變化，調(diào)節(jié)閥的前后差壓也發(fā)生變化，這樣就產(chǎn)生了調(diào)節(jié)閥的工作特性。

      3.1 結(jié)構(gòu)特性

      調(diào)節(jié)閥是通過行程的變化，改變閥芯與閥座間的節(jié)流面積，來達(dá)到控制流量的目的。因此閥芯與閥座的節(jié)流面積跟著行程怎樣變化，對(duì)調(diào)節(jié)閥的工作特性能有很大影響。通常把閥門的相對(duì)節(jié)流面積與閥門的相對(duì)開度之間的關(guān)系稱為調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性。所謂閥門的相對(duì)開度是指調(diào)節(jié)閥某一開度行程與全開行程之比（角行程與直行程道理相同），用l=L/L_max來表示。所謂閥門的相對(duì)節(jié)流面積是指調(diào)節(jié)閥某一開度下的節(jié)流面積與全開時(shí)的節(jié)流面積之比，用f=F/F_max來表示。

      調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

      f=Φ（l）                  （3-1）

      上式的函數(shù)關(guān)系取決于閥芯及相關(guān)閥門組件的形狀和結(jié)構(gòu)。不同的結(jié)構(gòu)就形成了幾種典型的結(jié)構(gòu)特性。

      3.1.1 直線結(jié)構(gòu)特性

      閥門的相對(duì)節(jié)流面積與相對(duì)開度成直線關(guān)系。即：

      df/dl=c                     （3-2）

      式中：c為常數(shù)

      設(shè)邊界條件為：當(dāng)L=0時(shí)，F(xiàn)=F_max ；L=L_max時(shí)，F(xiàn)=F_max：解上述微分方程，并帶入邊界條件得出數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

                   （3-3）

      式中：R=F_max/F_min為調(diào)節(jié)閥節(jié)流面積的變化范圍。

      3.1.2 等百分比結(jié)構(gòu)特性

      閥門的相對(duì)節(jié)面積隨行程的變化率與此點(diǎn)的節(jié)流成正比關(guān)系。即：

      df/dl=cf                       （3-4）

      解上述微分方程，并代入前述相同邊界條件，得出數(shù)學(xué)式為：

      f=R^（l-1）                     （3-5）

      式中：R=F_max/F_min

      3.1.3 快開結(jié)構(gòu)特性

      閥門的節(jié)流面積隨行程變化，很快達(dá)到最大（飽和），此閥適用于迅速開閉。

      3.1.4 拋物線結(jié)構(gòu)特性

      閥門的相對(duì)節(jié)流面積與相對(duì)開度成拋物線關(guān)系。即：

                              （3-6）

      解上述微分方程，并代入前述相同的邊界條件，得出數(shù)學(xué)式為：

                  （3-7）

      式中：R=F_max/F_min

      3.2 工作流量特性

      調(diào)節(jié)閥的流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對(duì)流量與閥門的相對(duì)開度之間的關(guān)系相對(duì)流量用q=Q/Q_max來表示。

      調(diào)節(jié)閥的流量特性的數(shù)學(xué)表示式為：

      q=Φ（l）                                    （3-8）

      一般說來，改變調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積，便可控制流量；但實(shí)際上由于各種因素的影響，如節(jié)流面積變化的同時(shí)，還發(fā)生閥前后壓差的變化，而壓差ΔPv的變化引起流量的變化。為了分析問題方便，先假定閥前后壓差是固定的。

      3.2.1 理想流量特性

      在調(diào)節(jié)閥前后壓差一定的情況下（ΔP_v=常數(shù)）得到的流量特性，稱為理想流量特性。假設(shè)調(diào)節(jié)閥各開度下的流通能力與節(jié)流面積成線性關(guān)系，即：

      C_i=Cf                                   （3-9）

      式中：C：閥全開時(shí)的流通能力
               C_i：閥在某一開度下的流通能力
               f：相對(duì)節(jié)流面積

      由流體力學(xué)得知，伯努利方程可以推導(dǎo)出調(diào)節(jié)閥流量方程為：

             （3-10）

      式中：F：調(diào)節(jié)閥節(jié)流面積
               ε：調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)，隨開度變化
               g：重力加速度
                r：流體重度
                P₁，P₂：調(diào)節(jié)閥前、閥后壓力

      調(diào)節(jié)閥的流量方程也可以簡化寫為：

                              （3-11）

      當(dāng)f=1時(shí)，Q=Q_max則可得到：

                         （3-12）

      考慮到△P為常數(shù)，將式（3-11）和（3-12）相比即得：

      q=f                 （3-13）

      綜上可知，當(dāng)閥門各開度下的流通能力C與節(jié)流面積F成線性關(guān)系時(shí)，即假定閥前后壓差固定，ΔP為常數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)閥的理想流量特性與調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性完全相同，這樣一來，調(diào)節(jié)閥的理想流量特性，也就有直線、等百分比、快開、拋物線等4種形式

      3.2.2 實(shí)際工作流量特性

      在調(diào)節(jié)閥前后壓差變化的情況下，得到的流量特性，稱為工作流量特性。在實(shí)際的工藝裝置中，調(diào)節(jié)閥安裝在工藝管道系統(tǒng)中，由于除調(diào)節(jié)閥以外的管道、裝置、設(shè)備等存在阻力，并且該阻力損失隨通過管道的流量成平方關(guān)系變化。因此，當(dāng)系統(tǒng)兩端壓差ΔP一定時(shí)，調(diào)節(jié)閥上的壓差ΔP_v就會(huì)隨著流量的增加而減小，如圖1所示。這個(gè)壓差的變化也會(huì)引起通過調(diào)節(jié)閥的流量發(fā)生變化，因此這時(shí)調(diào)節(jié)閥的理想流量生就會(huì)產(chǎn)生畸變而成為工作特性。

     管道系統(tǒng)的總壓差△P_s是管道系統(tǒng)（除調(diào)節(jié)閥外的閥門、設(shè)備和管道）的壓差與調(diào)節(jié)閥前后壓差之和，即：

      ΔP_s=△P₂+∑ΔP₁              （3-14）

      圖1（b）中△P_vm 是最大流量時(shí)調(diào)節(jié)閥前后的壓差，∑△P_im是最大流量時(shí)管路系統(tǒng)的壓差，令：

                             （3-15）

      這就是工藝管道系統(tǒng)的阻損比S，也就是調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，閥上的壓降△Pv與管路系統(tǒng)各局部阻力件之和∑P_im加閥上的壓降△P_v，兩者之間的比根據(jù)式（3-11），則調(diào)節(jié)閥通過的流量即：

                     （3-16）

      當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度達(dá)到100%時(shí)，即f=1時(shí)則有：

                 （3-17）

      如果工藝管道系統(tǒng)的阻力損失全部由調(diào)節(jié)閥決定，即管道設(shè)備阻力等于零時(shí)（ΔP_v=ΔP_s），此時(shí)的系統(tǒng)阻損比S=1，則調(diào)節(jié)閥前后壓差就是管道系統(tǒng)的總壓降△P_s。此時(shí)調(diào)節(jié)閥工作特性就成為理想特性，此時(shí)的最大流量為：

                              （3-18）

      如果將式（3-16）和（3-18）相比就可以得到Q作參此量的相對(duì)流量特性：

                                                （3-19）

      如果將式（3-16）和（3-17）相比就可以得到以Q₁₀₀作參比量的相對(duì)流量特性：

                                               （3-20）

      進(jìn)一步推導(dǎo)，考慮管道系統(tǒng)的節(jié)流面積恒定不變其相對(duì)面積總是1，則其管道流量表達(dá)式如下：

                                               （3- 21）

      式中：Q：管道流量
               C_g：管道流通能力
               ∑ΔP_i：管道阻力
               γ：流體密度

      式（3-16）和（3-21）流量相等，并根據(jù)式（3-14）則推導(dǎo)出

                                       （3-22）

      當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開時(shí)f=1，于是調(diào)節(jié)閥最大開度時(shí)的前后差壓（實(shí)際是調(diào)節(jié)閥前后壓差的最小值）為：

      則：
      
                                     （3-23）

      將式（3-23）和（3-22）聯(lián)豆解方程組則有

                                       （3-24）

      將式（3-24）代入式（3.19）則得到
 
                              （3- 25）

      將上式中代入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特性，就可以得出Q_max作為參比值的工作特性如圖2。

      由于實(shí)際上S<1，因此工作特性中Q和Q₁₀₀都將相對(duì)減小。隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加，管道系統(tǒng)的流量也隨之增加，則管道系統(tǒng)的壓降∑ΔP_i從最?。ń频扔诹悖┲鸩皆龃蟮健芇_im。這樣一來，隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加，調(diào)節(jié)閥前后壓差ΔP_v將由于∑ΔP_i的增加而減少，參看圖1。因此實(shí)際上管道系統(tǒng)的最大流量Q₁₀₀必然小于理想情況（S=1）時(shí)的最大流量Q_max也就使得直線和等百分此兩種調(diào)節(jié)閥的特性曲線都隨S的減小而下垂，如圖2。

     將式（3-24）和△Pm=S?ΔPs代入式（3-20）則得到：

                              （3- 26）

      將上式中代入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特性，就可以得出Q₁₀₀作為參比值的工作特性，如圖3。

      對(duì)于一個(gè)流量調(diào)節(jié)閥的管道系統(tǒng)，阻損比S值（又稱壓降比）越大，則說明調(diào)節(jié)閥的壓降占整個(gè)系統(tǒng)比重越大，調(diào)節(jié)閥控流能力越大；如果S=1.0，則△P_v=△P_s是不變的，則調(diào)節(jié)閥工作特性就是理想特性。反之S值越小，則說明調(diào)節(jié)閥的壓降占整個(gè)系統(tǒng)的比重越??；也就是調(diào)節(jié)閥的控制能力越差，也就是當(dāng)流量增加時(shí)，調(diào)節(jié)閥前后壓降逐步減少。因此調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積雖然增大了但由于ΔP_v減小，流量并沒有按理想特性增大，而使流量增大速率變緩。隨著S值的減小，即管道阻力增加，則帶來兩個(gè)不利的后果：一是調(diào)節(jié)閥的流量特性發(fā)生越來越大的畸變；直線特性漸漸趨于快開特性，等百分比特性漸漸趨于直線特性，這樣一來使小開度時(shí)放大系數(shù)增加、大開度時(shí)放大系數(shù)減小，造成小開度時(shí)控制不穩(wěn)定和大開度時(shí)控制遲鈍。因此在實(shí)際使用中，通常要求S值不低于0.3~0.5。二是調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍隨之減小，實(shí)際可調(diào)比R'隨S減小而減?。?/span>

                  （3-27）

      式中：R：調(diào)節(jié)閥的固有可調(diào)比
               R‘：調(diào)節(jié)閥的實(shí)際可調(diào)比

      3.3 流量特性的選擇

      直線結(jié)構(gòu)特性調(diào)節(jié)閥的特性曲線的斜率在全行程是一個(gè)定值以相對(duì)行程l 等于10%、50%、80%三點(diǎn)為例；當(dāng)行程變化10%時(shí)，所引起節(jié)流面積變化總是10%，我們?cè)倏此墓?jié)流面積相對(duì)變化值分別為：

      由此可見，直線結(jié)構(gòu)特性在變化相同行程情況下，閥門開度小時(shí)，節(jié)流面積相對(duì)變化值大；閥門開度大時(shí)，節(jié)流面積相對(duì)變化值小。這個(gè)特點(diǎn)，往住使直線結(jié)構(gòu)特性閥門在小開度情況下的靈敏度過高而導(dǎo)致控制性能變壞。

      再看等百分比結(jié)構(gòu)特性的調(diào)節(jié)閥，其特性曲線的斜率是隨行程的增大而遞增的。以同樣的相對(duì)行程等于10%、50%、80%三點(diǎn)為例，當(dāng)行程變化成10%，（假設(shè)R=30）所引起的節(jié)流面積變化分別是1.91%、7.3%和20.4%；因此這種閥在接近關(guān)閉時(shí)工作得緩和平穩(wěn)，而在接進(jìn)全開啟狀態(tài)時(shí)工作的靈敏有效。同樣再看它的節(jié)流面積相對(duì)變化率分4為：

      由此可見行程變化成10%，所I起節(jié)流面積變化的相對(duì)值總是40%，具有等比率特性、等百分比結(jié)構(gòu)特性即由此得名。

      實(shí)際市場上調(diào)節(jié)閥，有直線、等百分比和快開三種基本特性。對(duì)于陜開特性，一般用于兩位式調(diào)節(jié)和開關(guān)控制。對(duì)于調(diào)節(jié)系統(tǒng)選擇調(diào)節(jié)閥特性，則指的是如何選擇直線和等百分比特性在設(shè)計(jì)選用中主要依據(jù)以下兩個(gè)原則。

      （1）從控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)出發(fā)，選擇閥的工作特性

      理想的控制回路，希望它的總放大系數(shù)在控制系統(tǒng)的整個(gè)操作范圍內(nèi)保持不變，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中控制對(duì)象的特性往往是非線性的，它的放大系數(shù)要隨其外部條件而變化。因此，適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)閥特性，以調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)變化來補(bǔ)償對(duì)象放大系數(shù)的變化，可將系統(tǒng)的總放大系數(shù)整定不變，從而保證控制質(zhì)量在整個(gè)操作范圍內(nèi)保持一定。若控制對(duì)象為線性時(shí)，調(diào)節(jié)閥可以采用直線工作特性。但許多的控制對(duì)象，其放大系數(shù)隨負(fù)荷加大而趨小，假如我們選用放大系數(shù)隨負(fù)荷加大而趨大的調(diào)節(jié)閥，正好補(bǔ)償。等百分比特性閥具有這種性能，因此它得到廣泛應(yīng)用。

      （2）從配管情況出發(fā)，根據(jù)調(diào)節(jié)閥的希望工作特性選擇閥的結(jié)構(gòu)特性。

      必須說明，按第一原則選出的是閥的工作流量特性。由于流量調(diào)節(jié)閥的管道系統(tǒng)各不相同，S值的大小直接引起閥的工作流量特性偏離其結(jié)構(gòu)特性而發(fā)生畸變。因此，當(dāng)我們根據(jù)已定的希望工作特性來選取調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特性時(shí)，就必須考慮配管情況。S值大計(jì)時(shí)，調(diào)節(jié)閥的工作特性畸變??；反之S值小，調(diào)節(jié)閥的工作特性畸變大?？紤]配管情況可以參考表i進(jìn)行選擇。

表1 閥的結(jié)構(gòu)特性選擇

      選擇閥的結(jié)構(gòu)特性與S值很有關(guān)系，S值大則工作特性畸變小，對(duì)控制有利。但是，S值大說明調(diào)節(jié)閥的壓力損失大，這樣不經(jīng)濟(jì)。因此必須綜合考慮，工程設(shè)中普遍認(rèn)為壓降比S為0.3~0.6是比較合適的。 

4 調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算和選擇

      4.1 選擇調(diào)節(jié)閥口徑的步驟

      在已知工藝生產(chǎn)流程，確定閥的控制對(duì)象和使用條件，按調(diào)節(jié)閥選型原則選定閥的種類型號(hào)和結(jié)構(gòu)特性以后，就可以進(jìn)行下一步選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。調(diào)節(jié)閥口徑的選擇步驟如下：

      （1）根據(jù)工藝的生產(chǎn)能力設(shè)備負(fù)荷，確定計(jì)算調(diào)節(jié)閥流通能力的最大流量、常用流量、最小流量、計(jì)算壓差等參數(shù)。

      （2） 根據(jù)被控介質(zhì)及其工作條件選用計(jì)算公式，確定流體介質(zhì)密度、溫度、粘度等已知條件井換算到工作狀態(tài)下，然后代入公式計(jì)算出流通能力K_v。而后按閥的流通能力應(yīng)大于計(jì)算流通能力的原則，查閱生產(chǎn)廠提供的資料，選取調(diào)節(jié)閥的口徑。

      （3）根據(jù)需要驗(yàn)算開度或開度范圍、可調(diào)比R等。

      （4 ）計(jì)算結(jié)果若滿意，則調(diào)節(jié)閥口徑選定工作完畢。否則重新計(jì)算、驗(yàn)算。

      調(diào)節(jié)閥的流通能力，是指調(diào)節(jié)閥上的壓頭損失一個(gè)單位時(shí)，流體通過閥門的能力。閥門的流通能力也稱流量系數(shù)K_v。如今國際規(guī)定：溫度為5℃至40℃的水，在105P△壓降下，1小時(shí)內(nèi)流過調(diào)節(jié)閥的立方米數(shù)。

      關(guān)于流量系數(shù)即調(diào)節(jié)閥流通能力的計(jì)算，各類書刊介紹頗多.上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所編寫的《調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算指南》（以下簡稱《指南》）已有詳細(xì)的論述?！吨改稀肥俏覈{(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，很有權(quán)威性，它將介質(zhì)流體分為不可壓縮流體可壓縮流體和兩相流3種對(duì)象，根據(jù)不同介質(zhì)選用不同的計(jì)算公式。《指南》給出了詳細(xì)的計(jì)算步驟，并提供了各種流體介質(zhì)的計(jì)算實(shí)例，甚至實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)程序化計(jì)算，本文不再贅述。選擇正確的計(jì)算公式，合理確定計(jì)算流量和計(jì)算差壓是很重要的，不然將導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥口徑選擇不當(dāng)。

      4.2 確定計(jì)算流量

      調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算的流量，應(yīng)是系統(tǒng)工作的最大流量Q_max，也就是調(diào)節(jié)閥最大開度時(shí)的流量Q₁₀₀，該值是由工藝設(shè)計(jì)人根據(jù)設(shè)備的生產(chǎn)能力、物料平衡、控制對(duì)象的極限負(fù)荷變化，以及預(yù)測的可能擴(kuò)大的生產(chǎn)能力與操作條件變化等因素，綜合考慮后確定的。

      通常，取正常操作流量的1.3~1.5倍作為計(jì)算的最大流量較為合適。過大，勢必使閥徑選擇過大，這將使得調(diào)節(jié)閥經(jīng)常處于小開度工作狀態(tài)。可調(diào)節(jié)范圍顯著減小，動(dòng)作頻繁，閥的調(diào)節(jié)特性變環(huán)，嚴(yán)重時(shí)則影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和閥的壽命；過小則形成瓶徑，不能滿足生產(chǎn)上對(duì)流量的需要。

      設(shè)計(jì)中如果必須考慮富裕量時(shí)，閥徑可以選得稍大一點(diǎn)，但在近期時(shí)應(yīng)使閥的開度不小于40%~60%。對(duì)分期建成的工程，不能用最終規(guī)模的流量作為計(jì)算流量。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)積極協(xié)助工藝合理確定計(jì)算流量，為正確計(jì)算，合理選定閥徑創(chuàng)造條件。據(jù)調(diào)查，設(shè)計(jì)中選定的閥徑，偏大的情況占多數(shù)，由此造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至失靈的后果履見不鮮。設(shè)計(jì)者應(yīng)該反復(fù)推敲，合理確定計(jì)算流量，這一點(diǎn)很重要。

      4.3 確定計(jì)算差壓

      進(jìn)行調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算時(shí)要確定最大流量時(shí)閥前壓力P₁和閥后壓力P₂，這樣P₁- P₂=△P就是計(jì)算差壓?！鱌這個(gè)參數(shù)選定直接影響計(jì)算結(jié)果，工藝專業(yè)往往未經(jīng)深思熟慮就給出P₁和P₂。當(dāng)然，這也是一個(gè)較難確定的參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該積極配合工藝專業(yè)，合理確定計(jì)算差壓，閥前后壓差選定極大地影響調(diào)節(jié)閥的工作特性。調(diào)節(jié)閥的工作特性實(shí)際上取決于調(diào)節(jié)閥的壓降與管路系統(tǒng)總阻力損失的比，這個(gè)比值S越大，閥的特性就越接近F理想；但是S值過大時(shí)將會(huì)使閥上阻損過大，增加能量的損耗，因此，確定調(diào)節(jié)閥壓降是十分重要的。壓降△P_v的選定方法，根據(jù)不同的已知條件有多種，現(xiàn)介紹常用的幾種方法如下：

      （1）按管路系統(tǒng)的阻損比來確定△P_v

      所謂阻損比S，就是在調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，閥上的壓降△P_v與管路系統(tǒng)各局部阻力件壓降之和∑△P₁加閥的壓降△P_v的總和的比S，其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

                        （4-1）

      整理后，得計(jì)算差壓為：

                                     （4- 2）

      所謂鑄路系統(tǒng)的局部阻力件，即管段、彎頭、三通、手動(dòng)閥門、節(jié)流裝置等等?！啤鱌₁一般由工藝專業(yè)提供，也可以按下式求得：

                                          （4-3）

      式中：ε為阻力系數(shù)，可查閱管道專業(yè)的阻力系數(shù)圖表；
               v為流速m/s；
               ρ為流體密度g/m³；
               △P₁為阻力損失kPa。

      s值的大小與調(diào)節(jié)閥的工作特性有密切關(guān)系，當(dāng)S=1時(shí)系統(tǒng)總阻損幾乎全部集中到閥上，隨著S值的減小，不僅閥在全開時(shí)流量減少，而且流量特性也發(fā)生變化，可參考表1。因此，—般工程設(shè)計(jì)中，不希望S＜0.3，常用范圍S=0.3~0.7，最好在0.5左右。對(duì)于密閉容器有靜壓波動(dòng)的場臺(tái)，考慮到系統(tǒng)背壓波動(dòng)會(huì)直接影響閥上壓降的變化，使S進(jìn)一步減小，如鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在計(jì)算壓降△P_v時(shí)，還直增加5%~10%的系統(tǒng)背壓，即：

                 （4-4）

      關(guān)于管路系統(tǒng)的選定，一般取調(diào)節(jié)閥前后最靠近闊的兩個(gè)定壓點(diǎn)之間的一段管路作為系統(tǒng)的管路。所謂定壓點(diǎn)，即該點(diǎn)壓力不隨流量變化而變化。例如，閥前的介質(zhì)總管、車間總管、風(fēng)機(jī)出口等，閥后的爐膛壓力、噴嘴前壓力等一般來說是不變的。

      （2）按定壓點(diǎn)的壓差選取閥的壓降

      在初步設(shè)計(jì)時(shí)，由于工藝管路尚未具體確定，這時(shí)局部阻力形式還不知道，按上述公式（4-2）、（4-3）計(jì)算是有困難的，但閥前后的定壓點(diǎn)一般是可以確定的。

      設(shè)P₁為閥前定壓點(diǎn)壓力，P₂為閥后定壓點(diǎn)的壓力，則：

      ∑△P_j+△P_v=P₁- P₂             （4-5）

      代入上述公式（5-1），得：

      △P_v=S（P_1-P₂）                （4-6）

      （3）如果已知原動(dòng)機(jī)（風(fēng)機(jī)，泵等）的特性和管道系統(tǒng)的阻力變化特性，如圖（4.1）。

      如上圖調(diào)節(jié)閥前后壓降可由F式求得：

      ΔP_v=P_Amin- P_Bmax            （4-7）

      式中：
      P_Amin為原動(dòng)機(jī)在給定流量時(shí)的最小壓力；
      P_Bmax為管路系統(tǒng)在給定流量的最大壓力損失。

      （4）對(duì)f要求閥后保持恒壓的系統(tǒng)，如已知管路中可能的最小壓力P_1min和調(diào)節(jié)器的壓力整定范圍P_Tmin~P_Tmax則可取：
 
      ΔP_v=P_1min- P_Tmax            （4-8）

      （5）對(duì)于放空調(diào)節(jié)閥壓降的選取

      對(duì)于氣體管道中的放空調(diào)節(jié)閥，在正常情況下，放空是全閉的，閥前的壓力為P₁，它與管網(wǎng)的壓力一樣。閥后的壓力P₂是大氣壓。但閥全開后，閥后的壓力P2就與放散的流量有關(guān)。放散量隨閥后閥前的壓力比P₂/P₁的大小而變化。當(dāng)P₂/P₁=1時(shí)，放散流量等于零，隨此比值的減小，流量增大。當(dāng)達(dá)到某一所謂臨界壓力比時(shí)，流量將達(dá)到最大值，繼續(xù)減小壓力比時(shí)，流量將保持此最大值不再改變。放空調(diào)節(jié)閥多數(shù)用于保護(hù)性裝置，希望在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大的放空量。同時(shí)還要使所選的閥能起到調(diào)節(jié)作用，并且尺寸的大小還要符合經(jīng)濟(jì)的原則。因此，在選取計(jì)算壓降△P_v時(shí)，根據(jù)臨界壓力比來確定是比較合理的。

      臨界壓力比對(duì)于不同的氣體有不同的值，對(duì)于空氣或雙原子氣體，臨界壓力（P₂/P₁）L=0.528 其它氣體的臨界壓力比，可以參考表2。

      表2 氣體的臨界壓力比值表

     根據(jù)臨界壓力比計(jì)算選取閥的壓降，可按下列公式計(jì)算：

                   （4-9）

      這時(shí)閥后的壓力P₂=P₁（P₂/P₁）L，用以克服放散管的阻力和氣流沖向大氣的動(dòng)力。其裝置的原理如圖（4-2）。

      （6）對(duì)于現(xiàn)成的管路系統(tǒng)，如果需要設(shè)計(jì)安裝調(diào)節(jié)閥，在計(jì)算調(diào)節(jié)閥徑時(shí)，最好先測出最大負(fù)荷。手動(dòng)球型閥前后的壓力P₁和P₂。計(jì)算壓降則如下式求得：

      △P_v=P₁- P₂ （4-10）

      以上是幾種常用的確定計(jì)算差壓的方法，當(dāng)然對(duì)于不同的工藝對(duì)象還有其它的確定計(jì)算差壓的方法，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)者參考有關(guān)書刊的經(jīng)驗(yàn)介紹，也可以參照上述情況舉一反三。

      當(dāng)合理確定計(jì)算流量和計(jì)算差壓之后，則還要仔細(xì)查閱一些流體介質(zhì)的物理性質(zhì)圖表。選擇一些輔助參數(shù)。而后按步驟進(jìn)行閥徑計(jì)算來確定調(diào)節(jié)閥的選型。

      5 結(jié)束語

      調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)選型計(jì)算是技術(shù)性很強(qiáng)的工作，要想使調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)選型的結(jié)果符合現(xiàn)場的實(shí)際需要，必須做許多深入細(xì)致的工作。特別強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)選型不僅是自動(dòng)化儀表專業(yè)的事，設(shè)計(jì)選型是否合理與工藝專業(yè)關(guān)系極大，因此設(shè)計(jì)選型時(shí)，要主動(dòng)積極地取得工藝專業(yè)的配合，這樣才能有比較好的設(shè)計(jì)。作為自動(dòng)化儀表專業(yè)在工程設(shè)計(jì)中需盡可能地了解工藝流程，掌握各種生產(chǎn)流程對(duì)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的具體要求，要判斷其是否切實(shí)可行，要變被動(dòng)設(shè)計(jì)為主動(dòng)設(shè)計(jì)。通過科學(xué)的分析，合理選擇計(jì)算參數(shù)，而后精心設(shè)計(jì)計(jì)算，并驗(yàn)算調(diào)節(jié)閥的選型。有時(shí)，還要進(jìn)行力矩或推力的計(jì)算。當(dāng)設(shè)計(jì)完成之后，在施工調(diào)試時(shí)要進(jìn)行技術(shù)跟蹤，通過實(shí)踐來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)選型的結(jié)果是否合理。要密切與現(xiàn)場工人相結(jié)合，了解調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行情況，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，提高我們的設(shè)計(jì)水平。

      參考文獻(xiàn)

      1 清華大學(xué)工業(yè)儀表及自動(dòng)化教研室編制.過程控制系統(tǒng)講義
      2 上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所.奚文群，謝海維.調(diào)節(jié)閥口徑計(jì)算指南

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