调节阀流量特性分析及应用选择

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1、调节阀流量特性分析及应用选择作  者：杨世忠 邢丽娟 1 概述    在自动控制系统中，调节阀是其常用的执行器。控制过程是否平稳取决于调节阀能否准确动作，使过程控制体现为物料能量和流量的精确变化。所以，要根据不同的需要选择不同的调节阀。选择恰当的调节阀是管路设计的主要问题，也是保证调节系统安全和平稳运行的关键。    2 调节阀的组成    调节阀由执行机构和调节机构组成，接受调节器或计算机的控制信号，用来改变被控介质的流量，使被调参数维持在所要求的范围内，从而达到过程控制的自动化。    2.1 执行机构    执行机构按照驱动形式分为气动、电动和液动3种。气动执行机构具有结构简

2、单，动作可靠，性能稳定，价格低，维护方便，防火防爆等优点，在许多控制系统中获得了广泛地应用。电动执行机构虽然不利于防火防爆，但其驱动电源方便可取，且信号传输速度快，便于远距离传输，体积小，动作可靠，维修方便，价格便宜。液动执行器的推力最大，调节精度高，动作速度快，运行平稳，但由于设备体积大，工艺复杂，所以目前使用不多。    执行机构不论是何种类型，其输出力都是用于克服负荷的有效力（主要是指不平衡力和不平衡力矩、摩擦力、密封力及重力等有关力的作用）。因此，为了使调节阀正常工作，配用的执行机构要能产生足够的输出力来克服各种阻力，保证高度密封和阀门的开启。对执行机构输出力确定后。应根据

3、工艺使用环境要求，选择相应的执行机构。例如，对于现场有防爆要求时，应选用气动执行机构，且接线盒为防爆型。如果没有防爆要求，则气动或电动执行机构都可选用，但从节能方面考虑，应尽量选用电动执行机构。对于要求调节精度高，动作速度快和运行平稳的工况，应选用液动执行机构。    综合各类执行器的特点，自动控制系统普遍采用电动执行机构。如结构简单、体积小的ZAZ直行程类及ZAJ角行程类，3610L（R）型电子式及SKD型多转电动执行机构等。各类执行机构尽管在结构上不完全相同，但基本结构都包括放大器、可逆电机、减速装置、推力机构、机械限位组件、弹性联轴器和位置反馈等部件（图1）。    电动执行

4、机构一般需要与伺服放大器配套，接受调节器的信号，该信号经过伺服放大器放大后转换为三位继电信号，控制可逆电机正转或反转，带动调节机构，使阀开启或关闭。    2.2 调节机构    调节阀门是调节阀的调节机构，它根据控制信号的要求而改变阀门开度的大小来调节流量，是一个局部阻力可以变化的节流元件。调节阀门主要由上下阀盖、阀体、阀瓣、阀座、填料及压板等部件组成。在自动控制系统中，阀门主要的调节介质为水和蒸汽等。在压力比较低，使用情况单一的情况下，常用的调节阀有直通调节阀、三通调节阀和蝶阀等。    直通阀有直通单座阀和双座阀之分。单座阀结构简单，价格低廉，关闭时泄漏量小，但由于阀座前后存

5、在的压差对阀瓣产生的不平衡力较大，所以适用于低压差的场合，例如供水管或回水管中。双座阀有两个阀瓣阀座，在其关闭状态时，两个阀瓣的受力可部分抵消，阀瓣所受的不平衡力小，但是由于热胀冷缩效应，其同时关闭性较差，造价也较高，只适用于阀前后压差较高但密闭要求不高的场合，例如供水或回水之间的压差旁通阀。    三通阀有三个出入口与管道相连，总进水量较恒定，适用于定水量系统中，并要求有固定的安装方向，不宜反装，不适于温差较大场合。三通调节阀有合流阀与分流阀之分。合流阀是将来自两个入口的流体混合至一个出口。分流阀则是将一个入口的流体分别由两个口送出。    蝶阀结构较简单，由阀体、蝶板轴及轴封等

6、部分组成，其行程为0°~90°。蝶阀有两位式控制和比例控制2种方式。蝶阀的特点是阻力损失小，体积小，质量轻，安装方便，并且开启阀门和关闭阀门的允许压差较大，但其调节性能和关阀密闭性能较差，通常用于压差较大但调节性能要求不高的场所。除用作两通阀外，还可以用两个蝶阀组合，完成三通阀的功能。在自动控制系统中，开/关型电动蝶阀常用于冷水和热水系统中，作为水路的连通和关断控制。    3 性能    3.1 工作原理    根据流体力学可知，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。对不可压缩流体，调节阀的流量可表示为        （1）      式中：Q --调节阀某一开度的流量，mm3

7、/s          P1--调节阀进口压力，MPa          P2--调节阀出口压力，MPa          A-- 节流截面积，mm2          ξ--调节阀阻力系数          ρ--流体密度，kg/mm3    由式（1）可知，当A一定，ΔP=P1-P2也恒定时，通过阀的流量Q随阻力系数ξ变化，即阻力系数ξ愈大，流量愈小。而阻力系数ξ则与阀的结构和开度有关。所以调节器输出信号控制阀门的开或关，可改变阀的阻力系数，从而改变被调介质的流量