气动调节阀的尺寸选择及影响因素

调节阀是自动控制系统的执行部件，其选择对控制质量有较大影响。应根据介质的特点和工艺要求等合理选用，具体选用时应考虑以下几个主要问题（以气动调节阀为例）：

1）调节阀的尺寸选择。

2）调节阀的可调比。

3）调节阀的气开、气关形式选择。

4）调节阀流量特性的选择。

5）阀门定位器。

1.调节阀的尺寸选择

调节阀的尺寸通常用公称直径D_g和阀座直径d_g来表示。它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，D_g、d_g是根据计算出来的流通能力C来查表进行选择的。

图6-10 调节阀的公称直径与流体体积流量

流通能力C定义为：调节阀全开时，在阀两端压差为100kPa、流体重度为1g/cm³的条件下，阀门全开时每小时能通过调节阀的流体流量（m³或kg）。可见，流通能力直接代表了调节阀的容量。图6-10所示为调节阀的公称直径与流体体积流量示意图。

例如，某一阀门全开、阀两端压差为100kPa时，流经阀的水流量为20m³/h，则该调节阀的流通能力为C=20。

控制阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。在节流式测量原理中，对不可压缩的流体，流经控制阀的流量可写为

式中，α为流量系数；A₀为控制阀流通截面积；ρ为流体密度；ΔP=P₁-P₂为控制阀前后压差；Q为流体体积流量。

依据流通能力定义，则有，代入式（6-1）得

由式（6-2）可知，当生产工艺中需要的流量Q和压差ΔP决定后，就可以确定阀门的流通能力C，再通过流通能力C就可以选择阀门的尺寸。

式（6-2）是通过实验确定流通能力的理论依据。调节阀流通能力与其尺寸的关系见表6-1。调节阀尺寸确定的过程为：根据通过调节阀的最大流量Q_max，流体密度ρ以及调节阀的前后压差ΔP，先由式（6-2）求得最大的流通能力C_max，然后选取大于C_max的最低级别的C值，即可依据表6-1确定出公称直径D_g和阀座直径d_g的大小。

表6-1 调节阀流通能力C与其尺寸的关系

2.调节阀的可调比

调节阀的可调比R为

R也称可调范围，反映了调节阀的调节能力。在此，Q_max为调节阀所能控制的最大流量，Q_min为调节阀所能控制的最小流量。Q_min与调节阀全关时的泄漏量不同，一般Q_min为最大流量的2%～4%，而泄漏量仅为最大流量的0.1%～0.01%。

阀前后压差一定时的可调比称为理想可调比，在理想情况下，有

可见，理想可调比是由阀的内部结构设计决定的，可调比反映了调节阀的调节能力的大小，因此，希望可调比大一些为好。但由于阀芯结构设计和加工的限制，C_min不能太小，因此理想可调比一般不会太大。目前，我国调节阀的理想可调比主要有30和50两种。

在实际使用中，调节阀前后的压降是随管道阻力的变化而变化的。此时，调节阀实际控制的最大流量和最小流量之比称为实际可调比。在串联管道系统中，实际可调比降低较小；而在并联管道系统中，实际可调比降低较大。

3.调节阀的气开、气关形式的选择

气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。

无压力信号时阀全开，随着信号增大（P＞0.02MPa时），阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大（P＞0.02MPa时），阀门逐渐开大的称为气开式。

由于执行机构有正、反两种作用形式，阀体也有正、反两种形式，所以执行器的“气开、气关”有四种构成方式。如图6-11和表6-2所示。

图6-11 调节阀的气开与气关式

表6-2 执行器气开、气关的构成

在生产过程中，阀门气开、气关方式的选择原则为：当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备处于安全状态。

例如，选择蒸汽锅炉的控制阀门时，为保证失控状态下锅炉的安全，给水阀应选气关式，燃气阀应选气开式。

4.调节阀的流量特性的选择

（1）理想流量特性

在过程控制中，调节阀的流量特性将直接影响到系统的稳定性和控制质量，所以在工程中必须合理、正确的使用。

所谓调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，即

它是调节阀最重要的特性。

在此，称为相对流量，即调节阀某一开度流量Q与全开流量Q_max之比；称为相对开度，即调节阀某一开度行程l与全行程L之比。

一般，流过控制阀的流量主要取决于执行机构的行程，或者取决于阀座之间的节流面积。但是实际上还要受多种因素的影响，如在节流面积改变的同时，还会引起阀前后压差变化，而压差的变化又会引起流量的变化。为了便于分析比较，先假定阀前后压差固定，然后再引申到真实情况，于是流量特性又有理想特性与工作特性之分。

理想流量特性就是在调节阀前后压差一定的情况下（ΔP=常数）得到的流量特性。它取决于阀芯的形状。阀芯形状有直线等百分比、快开、抛物线四种，相应有四种流量特性。阀芯形状与相应的流量特性分别如图6-12和图6-13所示。

图6-12 调节阀阀芯的形状

1—直线 2—等百分比（对数） 3—快开 4—抛物线

图6-13 调节阀的流量特性

1—直线 2—等百分比（对数） 3—快开 4—抛物线(www.xing528.com)

1）直线流量特性。

控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。用数学式表示为

直线阀的流量放大系数在任何一点上都是相同的，但其对流量的控制力却是不同的。直线特性的调节阀，在小开度时，灵敏度高，调节作用强，易产生振荡；在大开度时，灵敏度低，调节作用弱，调节缓慢，不够及时。

对控制系统来说，要求在小负荷时，控制作用小一些，大负荷时控制作用加强一些，这需要调节阀的流量特性来补偿。显然，直线流量特性的调节阀是不能满足这一要求的。

2）等百分比（对数）流量特性。

等百分比（对数）流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即

等百分比流量特性曲线斜率（放大系数）随行程的增大而增大。流量小时，流量变化小；流量大时，流量变化大。等百分比阀在各流量点的放大系数不同，但对流量的控制力却是相同的。

3）快开流量特性。

开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开特性。其适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。

4）抛物线流量特性。

特性曲线为抛物线，介于直线和对数曲线之间，使用较少。

（2）工作流量特性

在实际使用中，调节阀所在的管路系统的阻力变化或旁路阀的开启程度不同将造成阀前后压差变化，从而使调节阀的流量特性发生变化。调节阀前后压差变化时的流量特性称为工作流量特性。

1）调节阀与管道设备串联时的工作流量特性。

如图6-14所示，管道系统总压力ΔP等于管路系统的压降ΔP_k与控制阀的压降ΔP_v之和。

从串联管道中调节阀两端压差ΔP_v的变化曲线（见图6-15）可看出，调节阀全关时阀上压力最大，基本等于系统总压力；调节阀全开时阀上压力降至最小。

图6-14 调节阀与管道设备串联

图6-15 串联管道压力分布

为了表示调节阀两端压差ΔP_v的变化范围，以阻力比s表示调节阀全开时，阀前后最小压差ΔP_vmin与总压力ΔP之比，即

s=ΔP_vmin/ΔP （6-8）

以Q_max表示串联管道阻力为零时（s=1），阀全开时达到的最大流量。可得串联管道在不同s值时，以自身Q_max作参照的工作流量特性。

由图6-16a和图6-16b可知，随着s的减小，流量特性发生了畸变，理想直线特性渐渐趋近于快开特性曲线，等百分比特性曲线渐渐接近于直线特性。

图6-16 串联管道时控制阀的工作特性

在现场使用中，当控制阀选得过大或生产处于非满负荷状态时，控制阀将工作在小开度。有时，为了使控制阀有一定开度，而把工艺阀门关小些以增加管道阻力，使流过控制阀的流量降低。这样，实际上就使s值下降，流量特性畸变，控制阀的实际可调范围减少，恶化了调节质量。当管道系统的阻力太大，严重时会使控制阀启闭不再起作用。注意在使用中不能任意关小控制阀两端的截止阀。

2）调节阀与管道设备并联时的工作流量特性。

在实际系统中，调节阀除了与管道设备串联工作外，还与管道设备并联工作，在工程中，调节阀一般都装有旁路，这样控制过程中系统失灵时，可作为手动控制用。

图6-17表示并联管道时的情况。显然这是管路的总流量是控制阀流量与旁路阀流量之和，即

q=q₁+q₂

若以x代表管道并联时的控制阀全开流量与总管最大流量Q_max之比，可得ΔP一定，而x值不同时的工作流量特性，如图6-18所示。

图6-17 调节阀与管道设备并联

由图6-18可知，当x=1时，旁路阀关闭，控制阀的工作特性与理想特性一致。随着x的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的流量特性变化不大，但可调范围大大降低了，控制阀关死，即l/L=0时，流量Q_min大大增加。同时，在实际使用中总存在串联管道阻力的影响，控制阀上的压差还会随流量的增加而降低，使可调范围下降更多，控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围更小，甚至几乎不起调节作用。所以，采用打开旁路阀的调节方式是不好的，一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几，即x值最小不低于0.8。

图6-18 并联管道时控制阀的工作特性

（3）流量特性的选择

调节阀流量特性的选择有理论分析法和经验法。目前较多采用经验法。一般从以下几方面考虑。

1）依据过程特性选择。

在过程控制系统中，保证控制品质的重要因素之一是保持控制系统的总放大倍数在工作范围内尽可能恒定。通常，测量变送装置和已整定好的控制器的增益是一个常数。但很多对象在工作区域内稳态放大倍数K不是常数，在不同的工艺负荷点，K不相同。因此希望调节阀的流量特性能补偿对象的静特性。图6-19所示为被控对象与调节阀特性匹配示意图。

此时，若调节对象的静特性是非线性的，工艺负荷变化又大，应选用等百分比特性补偿；若调节对象的静特性是线性的或工艺负荷变化不大，应选用用直线阀。另外，还应考虑到配管阻力大、s值低的情况下，等百分比阀会畸变成直线阀。

2）依据配管情况选择。

在根据过程特性进行选择之后，再按照配管情况进行进一步的选择，其选择原则可参照表6-3进行。

图6-19 被控对象与调节阀特性的匹配

3）依据负荷变化情况选择。

在负荷变化较大的场合，宜选用对数调节阀，因为对数调节阀的放大系数可随阀芯位移的变化而变化，但它的相对流量变化率则是不变的，所以能适应负荷变化大的情况。此外，当调节阀经常工作在小开度时，也宜选用对数调节阀。因为直线调节阀工作在小开度时，其相对流量的变化率很大，不宜进行微调。

表6-3 依据配管情况选择表