调节阀的系统参数及其流量特性分析

调节阀与工业生产过程控制的发展同时进行。为了提高控制系统的控制质量，对控制系统系统的各个组成环节提出了更高的要求。例如，检测元件和变送器需要更高的检测和变送精度、更快的响应和更高的数据稳定性、更小的死区和摩擦、更好的复制和更短的响应时间以及补偿对象的非线性流量特性。同时，由于工业生产过程的大规模和精细化，对调节阀也提出了更高的要求。

1 调节阀的系统参数

1.1 调节阀的流量系数

流量系数表示当流体通过阀门产生单位压力损失时，流流量系数具有不同的代码和值。

采用国际单位制时，流量系数采用Kv表示。流量系数Kv定义为：

调节阀两端的压差为0.1MPa时，温度为278K-313K（5℃-40℃）水每小时流经调节阀的立方米m³/h表示。流量系数随阀门的尺寸、形式和结构而变化，流体流过阀门时的压力损失越小。

1.2 阻力系数    

当流体通过弯头和截面突变时，会有干扰和搅拌，形成气穴、漩涡和尾流，或使流体质量点相互冲击，产生较大的能量损失。可以认为，调节阀腔内的每个部件都可以被视为产生阻力的部件系统（流体转弯、扩展、缩小、再转弯等）。调节阀内的阻力损失等于调节阀各部件阻力损失的总和。调节阀的阻力系数是表示调节阀对流体的阻力损失，这取决于阀门产品的尺寸、结构和内腔形状。当流体通过阀门时，其流体阻力损失通常会降低阀门前后的流体压力△p表示，即△p＝ξρv²/2。

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1.3 压力恢复系数

图1 流体通过调节阀时压力和流速的变化

在建立流量计算公式时，为了简化计算，将调节阀模拟为节流孔板，不考虑阀结构对流量的影响，当流体通过调节阀时，压力由阀前压力p1直接变化到阀后压力p2.事实上，当流体流动时，压力变化如图1所示。从图1可以看出，阀芯和阀座由于节流而在附近下游产生缩流，其流体流量最大，但静压最小。在远离缩流的地方，随着阀门流量面积的增加，流体流量减小。由于相互摩擦，部分能量转化为内部能量，大部分静压恢复，形成阀门压差。换句话说，节流处的流体压力急剧下降，并在随后的节流通道中逐渐恢复，但无法恢复到原来的p1值。这就是压力恢复现象。

压力恢复系数F_L表示调节阀内流体流经缩流处后，动能转化为静压的恢复能力。F_L值是阀体内几何形状的函数。由于结构不同，各种阀门的压力恢复能力和压力恢复系数也不同。一般来说，F_L=0.5-0.98.压力恢复系数F_L调节阀流路设计越小，流动阻力越小，压力恢复能力越好，即收缩后，静压可恢复接近进口压力，称为球阀、蝶阀等高压恢复阀。压力恢复系数FL调节阀越大，说明阀门流路复杂，流阻大，摩擦损失大，调节阀后进口压力降低大。因此，压力恢复能力差，称为单座阀、双座阀等低压恢复阀。

2 闪蒸、空化及其影响

在调节阀中流动的液体通常有闪蒸和空化。如图1所示，当压力为时P当1的液体流经调节阀的节流时，流量突然急剧增加，静压突然下降。P当2达到或低于流体所在条件下的饱和蒸汽压力时，部分液体蒸发成气体，形成气体和液体的共存现象，称为闪蒸。闪蒸导致气体和液体两相流动，气体和液体同时流过阀芯和下游管道，导致冲刷，其特点是阀芯光滑抛光形状。可以看出，当产生闪蒸时，它开始侵蚀和损坏阀芯和阀座材料；闪蒸也影响液体流量计算公式的正确性，使计算复杂。

若产生闪蒸，P2不是保持在饱和蒸汽压力以下，而是在离开节流后突然上升，当气泡破裂并转化为液体时，这个过程就是空化。可以看出，空化是一种两阶段的现象，第一阶段，破裂，即空化阶段。空化会使调节阀产生堵塞流和蒸汽腐蚀。许多气泡集中在阀门的节流孔中，阻碍流体的流动，自然影响流量的增加，产生堵塞。

3 调节阀的流量特性

3.1 理想可调比

当调节阀前后压差保持不变时，可调比称为理想可调比，其计算公式为R=Qmax/Qmin=Kvmax/Kvmin。可以看出，理想的可调比等于Kvmax(最大流量系数)和Kvmin(最小流量系数)的比例。它反映了调节阀的调节能力。如果只从自控的角度考虑，可调比越大越好，但由于调节阀阀瓣结构设计和加工工艺的限制，Kvmin不能太小，一般国内设计R=30或R=50。

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3.2 流量特性

调节阀的流量特性是指介质流过阀的相对流量与相对位移（阀的相对开度）之间的关系。用数学表达表示Q/Qmin=f（l/L），式中Q/Qmax是相对流量，即调节阀在一定开度时流量Q与全开流量Qmax之比；l/L是相对位移，即调节阀在一定开度时的阀芯位移l与全开位移L之比。

一般来说，流量可以通过改变调节阀芯与阀座之间的循环截面积来控制。但在实际情况下，由于各种因素的影响，通过阀门的流量可能会随着压降而变化。为便于分析，设置阀压降，然后延伸到实际情况进行分析，前者称为阀固有流量特性，后者称为阀工作流量特性。

3.2.1 固有流量特性

阀门的固有流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对位移（阀门的相对开度）之间的关系。阀门的固有流量特性不同于结构特性（阀门的结构特性是指阀芯位移与流体通过截面积之间的关系，纯粹由阀芯的大小和几何形状决定）。

3.2.2 工作流特性

在实际生产过程中，阀门的压差总是变化的，这时流量特性称为工作流量特性。因为调节阀往往和工艺设备、管道等串联或并联适用，流量因阻力损失的变化而变化，在实际工作中因阀门前后压差的变化而使理想流量特性畸变成工作特性。

3.2.3 流量特性选择标准

生产过程中常用的调节阀的理想流量特性包括直线、等百分比和快速打开。抛物线的流量特性介于直线和百分比之间，通常可以用等百分比代替，而快速打开特性主要用于二位调节和程序控制。因此，调节阀的特性选择实际上是指如何选择直线和等百分比的流量特性。

调节阀流量特性的选择可以通过理论计算，但使用的方法和方程非常复杂，由于干扰的不同，高级响应方程的计算更加复杂。因此，调节阀流量特性的选择主要采用经验标准。可从以下几个方面考虑：

(1)分析和选择调节系统的调节质量；

(2)考虑和选择工艺配管；

(3)分析和选择负载变化。

4 结束语

调节阀作为一种常用阀，广泛应用于各行各业。其性能的提高对工艺效率的提高和能耗的降低起着重要的作用。因此，调节阀的流量特性具有重要的工业应用价值。