调节阀压差的确定

调节阀压差的确定

一、概述

在化工过程控制系统中，带调节阀的控制回路随处可见。在确定调节阀压差的过程中,必须考虑系统对调节阀操作性能的影响，否则，即使计算出的调节阀压差再精确，最终确定的调节阀也是无法满足过程控制要求的。

从自动控制的角度来讲,调节阀应该具有较大的压差。这样选出来的调节阀,其实际工作性能比较接近试验工作性能(即理想工作性能），即调节阀的调节品质较好，过程容易控制。但是，容易造成确定的调节阀压差偏大,最终选用的调节阀口径偏小。一旦管系压降比计算值大或相当,调节阀就无法起到正常的调节作用。实际操作中，出现调节阀已处于全开位置，所通过的流量达不到所期望的数值;或者通过调节阀的流量为正常流量值时,调节阀已处于90％开度附近，已处于通常调节阀开度上限,若负荷稍有提高，调节阀将很难起到调节作用。这就是调节阀压差取值过大的结果。

从工艺系统的角度来讲,调节阀应该具有较小的压差。这样选出来的调节阀，可以避免出现上述问题，或者调节阀处于泵或压缩机出口时能耗较低。但是,这样做的结果往往是选用的调节阀口径偏大,由于调节阀压差在管系总压降中所占比例过小,调节阀的工作特性发生了严重畸变，调节阀的调节品质不好,过程难于控制.实际操作中,出现通过调节阀的流量为正常流量值时,调节阀已处于１0％开度附近，已处于通常调节阀的开度下限，若负荷稍有变化，调节阀将难以起到调节作用，这种情况在低负荷开车时尤为明显.这就是调节阀压差取值过小的结果。同时,调节阀口径偏大，既是调节阀能力的浪费,使调节阀费用增高;而且调节阀长期处于小开度运行,流体对阀芯和阀座的冲蚀作用严重，缩短调节阀的使用寿命。

正确确定调节阀的压差就是要解决好上述两方面的矛盾,使根据工艺条件所选出的调节阀能够满足过程控制要求，达到调节品质好、节能降耗又经济合理.

关于调节阀压差的确定，常见两种观点。其一认为根据系统前后总压差估算就可以了；其二认为根据管系走向计算出调节阀前后压力即可计算出调节阀的压差.这两种方法对于估算国内初步设计阶段的调节阀是可以的，但用于详细设计或施工图设计阶段的调节阀选型是错误的,常常造成所选的调节阀口径偏大或偏小的问题.正确的做法是对调节阀所在管系进行水力学计算后，结合系统前后总压差,在不使调节阀工作特性发生畸变的压差范围内合理地确定调节阀压差.

有人会问,一般控制条件在流程确定之后即要提出,而管道专业的配管图往往滞后，而且配管时还需要调节阀的有关尺寸，怎样在提调节阀控制条件时先进行管系的水力学计算呢？怎样进行管系的水力学计算，再结合系统前后总压差,最终在合理范围内确定调节阀压差,这就是本文要解决的问题。

二、调节阀的有关概念

为了让大家对调节阀压差确定过程有一个清楚的认识,我们需要重温一下与调节阀有关的一些基本概念.

１、调节阀的工作原理

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如图1所示,根据柏努力方程,流体流经调节阀前后１—1和２-2截面间的能量守恒关系如下式所示。

?由于H 1=H 2,Ｕ１＝Ｕ2，则有：

?在流体阻力计算时,还有:

则有:

则通过调节阀的流量为：

Ｆ－-——-—调节阀接管面积 K —-——--调节阀阻力系数

由于F 为定值，当P 1—Ｐ2不变时，流量随K 值变化,而K 值是随调节阀的开度发生变化的。因此调节阀是通过改变开度,使阻力系数K 值发生变化,来达到调节流量目的的.现令：

则有：

?C 值即仪表专业选阀时用到的一个重要参数，称为调节阀的流通能力。其定义为

调节阀全开，调节阀两端压差为１k ｇ／cm 2时，流经调节阀介质密度为1g/cm ３

流体的流量。

2、调节阀的理想流量特性

流体通过调节阀时,其相对流量和调节阀相对开度之间的关系，称为调节阀的流量特性。其数学表达式为:

如图1所示仅以调节阀进出口为研究对象,使调节阀压差为定值时，得到的流量特性为理想流量特性。

)1(2222

2221

11------+++=++

f h g

U rg P H g U rg P H )2(2

1-------=

rg

P P h f )

3(22

------=g

U K h f )4(2212-------=rg

P P g U K )5()

(221-------=

Kr

P P U )6(22

1-------=

=r P P K

F

FU Q )

7(2------=

K F

C )8(2

1-------=r

P P C

Q )9()(max

max ------=l l

f Q Q

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1）直线流量特性

当调节阀单位相对开度变化引起的相对流量变化是一个常数时，称调节阀具有直线流量特性.其数学表达式为：

其积分式为：

代入边界条件l=0时, Q=Qmi ｎ； l=lm ａx 时， Q=Qmi ｎ。得:

设:

则有：

R 称为可调比，即调节阀可以调节的最大流量 Ｑma ｘ 和可以调节的最小流量Qmin 的比值。Qmin 不是调节阀关闭的泄漏量，它是可调流量的下限值，当流量低于此值时，调节阀无法保证调节精度。一般Qmi ｎ=(2～4%）Qmax,而泄漏量仅为（0。1～0.01％）Q ｍax 。

直线流量特性的调节阀,其开度变化相同时，流量变化也是相同的.一般调节阀，理想可调比R=30时,直线流量特性调节阀的相对流量随相对开度间的变化情况如图2中的直线(1）所示。 2）等百分比流量特性

当调节阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比时,称调节阀具有等百分比流量特性。其数学表达式为：

积分后代入边界条件l=０时， Q=Q ｍin; ｌ=l ｍax 时， Q=Ｑｍin 。得：

等百分比流量特性的调节阀，其开度变化百分比相同时，流量变化百分比也相同。对于一般调节阀，理想可调比R ＝30时,等百分比流量特性调节阀的相对流量随相对开度间的变化情况如图２中的曲线(2)所示。 3）快开流量特性

)10(max

max ------=l l

kd Q Q d

)11(max

max -------+=常数l l

k Q Q max

min

1Q Q k -

=max

min Q Q =

常数)13(])1(1[1max

max -------+=l l

R R Q Q )14(max

max max ------=l l d Q Q k Q Q d )15()1(max

max

------=-l l

R Q Q )12(min

max

------=

Q Q R

当调节阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成反比时，称调节阀具有快开流量特性。其数学表达式为：

?积分后代入边界条件l ＝0时， Q ＝Qmin; l=ｌmax 时, Ｑ=Q ｍin 。得：

快开流量特性的调节阀，开度较小时,对应流量就比较大，在其开度范围内，随着开度增加，流量很快达到最大，开度再增加时,流量变化幅度很小以至于不变。对于一般调节阀,理想可调比Ｒ＝３0时,快开流量特性调节阀的相对流量随相对开度间的变化情况如图２中的曲线（３)所示。 4）抛物线流量特性

?当调节阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点相对流量的平方根成正比时，称调节阀具有抛物线流量特性。其数学表达式为： 积分后代入边界条件可得:

抛物线流量特性的调节阀，其开度变化时，流量介于直线流量特性和等百分比流量特性之间变化。对于一般调节阀，理想可调比R=３0时，抛物线流量特性调节阀的相对流量随相对开度间的变化情况如图2中的曲线(4）所示。 4）几种流量特性的比较

参见图2中的流量特性曲线,对于直线流量特性，相同的开度变化，流量变化ΔQ 是相同的，那么在小流量时,ΔＱ/Ｑ操作点大，操作灵敏不易控制；大流量时,ΔQ/Q 操作点小,操作平稳易于控制。因此，直线流量特性调节阀适合于负荷变化小的场合.

)19(])1(1[12

max

max -------+=l l R R Q Q )17(])1(1[12

1

max

2max -------+=l l R R Q Q )18()(max

21

max max ------=l l d Q Q k Q Q d )16()(max

1max max ------=-l l d Q Q k Q Q d

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对于等百分比流量特性,相同的开度变化，小开度时流量变化ΔQ 小；大开 度时流量变化ΔQ 大。因此，等百分比流量特性调节阀适合于负荷变化大的场合。 对于快开流量特性，随开度变大，流量很快达到最大,开度再增加时,流量变化幅度很小以至于不变.因此，快开流量特性调节阀不适合于调节流量，但适合于在双位控制或程控场合中使用。

抛物线流量特性,其特性曲线介于直线流量特性和等百分比流量特性之间，而且接近于等百分比流量特性。因此常用等百分比流量特性调节阀来代替抛物线流量特性调节阀。

所以,我们经常用到的是直线流量特性调节阀和等百分比流量特性调节阀。 3、调节阀的实际流量特性

?由于调节阀都是安装在管路上，在系统总压降一定的情况下，当流量发生变化时,管路压降在变化,调节阀压差也在发生变化.因此调节阀压差变化时，得到的流量特性为实际流量特性。

1）串联管路调节阀的实际流量特性

对于如图3所示的调节阀与管路串联的系统,当调节阀上压差为ΔP 1值并保持不变时,单就调节阀本身来说它具有理想流量特性。由式（8)可得:

C ｑｋ为调节阀全开时的流通能力，则： 对比式（9）则有：

将式（2３）代入式（２０）,则得：

通过管道的流量可以用下式表示： C g 为管道的流通能力

由于通过管系的流量是唯一的，因此有下式成立: 则有:

)20(1------?=r P C

Q )21(1

max ------?=r

P C Q qk )22(max ------=qk

C C

Q Q )

23()(

max

------=l l f C C qk )

24()

(

1

max ------?=r

P l l f C Q qk )25(2

------?=r

P C Q g

)26()

(2

1max

------?=?=r

P C r P l l f C Q g qk )

27()(

1max

22

22------?=

?P l l

f C

C P g

qk

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由于：

将式(27)代入式（28)得:

当调节阀全开时，调节阀上有最小压差,设最小压差为ΔP 1m 。由于调节阀全开，此时有：

则由式（29）得：

则得:

令 :

S 为调节阀全开时，调节阀的压差与系统总阻力降的比值，称为调节阀的阻比，有的资料上称之为调节阀的阀权度。 则有: 将式（33）代入式（30）,则得： 若以Ｑm ａx 表示管道阻力为零时调节阀全开时的最大流量，则由式(2１）和式(２4）可得：

)28(21------?+?=?P P P )

29()](

1[1max

222------?+

=?P l l f C

C P g

qk

1)(

)(

max

max

max

==l l f l l f )

31()1(122------?+=?m g P C C P qk

m

g

P C C P qk 122)1(?+

=?1122-??=

m

g

P P

C C qk )32(1------??=

P

P S m

)33(112

2-------=S C C g qk

)30()

(

11

max

2221

------+=??l l f C

C

P

P g

qk )

34()

()11(11

max

21-------+=??l l f S P

P

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若以Q 100表示有管道阻力时调节阀全开时的最大流量,则由式（24）和式（２1)、

式（32）得：

将式（34）代入式（36),则得:

式(35）为调节阀的实际流量与理想最大流量参比关系.对于R=30的调节阀，当调节阀阻比发生变化时，其关系曲线如图4所示。

式（３７)即为调节阀的实际流量特性,它不但和调节阀的相对开度有关，而且与调节阀的阻比S 有关。对于安装在实际管路中R=30的调节阀,当调节阀阻比发生变化时，其实际性能曲线的变化趋势如图5所示. ?从图4和图5可见:

a)当调节阀阻比Ｓ=1时，即管道阻力为零，系统的总压降全部落在调节阀上,此时实际流量特性和理想流量特性是一致的。

b)随着调节阀阻比Ｓ的减小，即管道阻力增加，调节阀最大流量比管道阻力为零时理想最大流量要小，可调比在缩小。

ｃ）随着调节阀阻比S 的减小,实际流量特性偏离理想流量特性，Ｓ越小偏离程度越大。

d ）从图4可见， 随着调节阀阻比S 的减小,直线流量特性趋向于快开流量特性，等百分比流量特性趋向于直线流量特性.而且随着调节阀阻比Ｓ的减小，可调最小流量在升高，可调比在缩小.

因此，随着调节阀阻比S 的减小，实际流量曲线偏离理想流量曲线，可调比在缩小,可调节范围在变窄.反之则说明，为了保证调节阀具有较好的调节性能,调节阀要求有一定的压差。在实际应用中，为保证调节阀具有较好的调节性能,避免调节阀实际特性发生畸变，一般希望调节阀阻比S ≥0。3。

)36()

(1)(1max 1max 100------??=??=P P S

l l

f P C P l l f C Q Q

m qk qk )

37()

(

)1(1

)(max

2max

100-------+=l l f S S l l

f Q Q )

35()

()11(11

)(max

2max

max -------+=l l

f S l l

f Q Q

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?ｃ）低压经由泵至高压的场合，为了降低能耗，要求至少S ≥0.1５。但为获得较好的调节阀品质，建议S ≥0．3。

d ）气体管路由于阻力降很小，S 很容易在0。5以上.但在低压和真空系统中，由于容许压力降较小,要求S ≥0。15。 2） 并联管路调节阀的实际流量特性

对于如图6所示的调节阀与管路并联的系统，压差ΔＰ为定值。因此总管流量Q 有如下关系：

设:

则：

由式（２１）和上式可得: 由式(38)可得:

则式（25）、式（41）和(４２）得：

可以得出:

由式（２4)和式(3８)得:

由式（41）、式（43）和式（44）得： 这就是并联管路调节阀的实际流量特性，对于不同的x ，实际性能曲线的变化

)

38(21------+=Q Q Q )39(max

max

1-------=

Q Q x )40(max

1max ------=

x

Q Q )

41(max ------?=

x

r P

C Q qk

r

P

C r P C r

P C Q Q x g qk

qk

?+??==

max

max

1)

42(2max 1max ------+=Q Q Q )43(11

-------=x

C Cg qk )

44()

(

max ------?+?=r

P

C r P l l

f C Q

g qk )45()1()(max

max --------+=x l l

xf Q

Q

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趋势如图7所示。 ?从图7可见：

a ）当x=1时，即旁路关闭，实际流量特性和理想流量特性是一致的。 ?

b ）随着x 逐渐减小,即旁路逐渐开大,通过旁路的流量逐渐增加,实际流量

特性起点在上移,可调比在缩小，但流量特性曲线形状基本不变。

在实际应用中,为保证调节阀有一定的可调,即具有比较好的调节性能，一般希望调节阀阻比 x ≥0。５,最好x ≥0。8。

这种调节阀和管路并联的情况在实际工程中并不多见，但对于一些需要保持系统有一个最低流量,负荷变化不大(即调节比较小）的场合，为防止仪表故障时最低流量得不到保证，可以采用调节阀和管路并联.另外，当所选的调节阀偏小，作为一种补救措施;或者装置有扩容能力，但调节阀已不能满足要求时。可将调节阀的旁路稍开，使调节阀达到所期望的调节目的。此时，先关闭调节阀主管路，通过阀后总管上的流量计来标定旁路阀的开度。 4、调节阀的可调比 1）理想可调比R

由式（12)知可调比R 为调节阀可以调节的最大流量 Q ｍax 和可以调节的最小流量Q ｍｉｎ的比值。即：

?由于：

则:

min

max Q Q R =r

P C Q ?=max

max r

P C Q ?=min

min )46(min min

max max ------==

C C

Q Q R

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2）串联管路调节阀的实际可调比R S

对于如图３所示的调节阀与管路串联的系统,调节阀全开时，最大流量Q ｍax 对应最小的调节阀压差ΔP １m ；调节阀全关时，最小流量Q mi ｎ对应最大的调节阀压差ΔP 1 max 。则调节阀的实际可调比ＲS 有:

由式(7）知，C 值与接管面积和调节阀的阻力系数有关,接管面积为定值;而阻力系数仅与阀门开度有关，开度一定对应的阻力系数也是定值。所以,无论调节阀处于理想管系还是实际管系,C ｍa ｘ和C min 是定值，则由式（4６）和（４7)得： 当通过调节阀的流量最小时,调节阀几乎全关，管路阻力降趋于0,调节阀的最

大压差ΔP 1 max 趋于系统总压降ΔP ，因此：

上式说明，串联管路调节阀的实际可调比R Ｓ与理想可调比R 和阻比S 有关。阻比Ｓ越小,实际可调比越小。因此，为保证一定的可调比，调节阀的阻比S 要适当，不能使阻比S 过小。

国产的调节阀,理想可调比R ＝３0.但考虑到选用调节阀时圆整口径以及对Ｃ值的圆整和放大，一般取R ＝10。即使如此，在调节阀与管路串联的系统中,当S ＝０。３时，R S 仍为5.４ .而一般工艺过程中，Q min =３0％Q nor ，Q max ＝12５%Q no ｒ，R S 不过４。１6.因此，只要S≥０。３是可以满足要求的，只要阻比S 不是太小或对可调比要求太高,可不必验算实际可调比。

当要求的可调比较大时，调节阀满足不了工艺要求，此时，可采用提高调节阀阻比Ｓ，或采用大小两个调节阀并联工作的分程调节系统。 3）并联管路调节阀的实际可调比

?对于如图6所示的调节阀与管路并联的系统,调节阀的实际可调比R S 为：

则：

)47(max

11min max max 1min

1max

min max ------??=??==P P C C r

P C r P C Q Q R m m

s )48(max

11------??=P P R

R m

s )49(1max 11------=??≈??=S R P

P R P P R

R m

m s )

50(------≈S R R s ）

（512

min 1max

------+=Q Q Q R s max

2max min 1max 2min 11

Q Q Q Q Q Q Q R s +=+=